電烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

題號一二三四五六七八九十總分得分得分評卷人一、 設(shè)計(jì)題（滿分100分）請?jiān)谝韵骂}目中任選一項(xiàng)完成設(shè)計(jì)1. 汽車運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2. 電烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3. 汽車減震系統(tǒng)建模仿真；4. 汽車自動巡航控制系統(tǒng)的PID控制；5. 汽車怠速系統(tǒng)的模糊PID控制；6. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真7. 自選測控項(xiàng)目（給出你自選的題目）8. 本份試題選取項(xiàng)目為： 電烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 附評分細(xì)則：評分標(biāo)準(zhǔn)本設(shè)計(jì)試題得分情況設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容清楚，格式正確（30%）程序設(shè)計(jì)合理（20%）結(jié)果調(diào)試正確（30%）態(tài)度與團(tuán)隊(duì)合作情況（20%）MATLAB工程應(yīng)用期末考試設(shè)計(jì)報(bào)告第一章 概述本次課題的主要內(nèi)容是通過對理論知識的學(xué)習(xí)和理解的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)一個(gè)基于MATLAB技術(shù)的PID控制器設(shè)計(jì)，并能最終將其應(yīng)用于一項(xiàng)具體的控制過程中。以下為此次課題的主要內(nèi)容：(1) 完成PID控制系統(tǒng)及PID調(diào)節(jié)部分的設(shè)計(jì)其中包含系統(tǒng)辨識、系統(tǒng)特性圖、系統(tǒng)辨識方法的設(shè)計(jì)和選擇。(2) PID最佳調(diào)整法與系統(tǒng)仿真其中包含PID參數(shù)整過程，需要用到的相關(guān)方法有：b.針對有轉(zhuǎn)移函數(shù)的PID調(diào)整方法 主要有系統(tǒng)辨識法以及波德圖法及根軌跡法。(3) 將此次設(shè)計(jì)過程中完成的PID控制器應(yīng)用的相關(guān)的實(shí)例中，體現(xiàn)其控制功能（初步計(jì)劃為溫度控制器）第二章 調(diào)試測試2.1進(jìn)度安排和采取的主要措施：前期：1、對于MATLAB的使用方法進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和并熟練運(yùn)用MATLAB的運(yùn)行環(huán)境，爭取能夠熟練運(yùn)用MATLAB。 2、查找關(guān)于PID控制器的相關(guān)資料，了解其感念及組成結(jié)構(gòu)，深入進(jìn)行理論分析，并同步學(xué)習(xí)有關(guān)PID控制器設(shè)計(jì)的相關(guān)論文，對其使用的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。 3、查找相關(guān)PID控制器的應(yīng)用實(shí)例，尤其是溫度控制器的實(shí)例，以便完成最終的實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)。中期：1、開始對PID控制器進(jìn)行實(shí)際的設(shè)計(jì)和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在MATLAB的環(huán)境下設(shè)計(jì)PID控制器的任務(wù)。 2、通過仿真實(shí)驗(yàn)后，在剩余的時(shí)間內(nèi)完成其與實(shí)際工程應(yīng)用問題的結(jié)合，將其應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中（初步計(jì)劃為溫度控制器）。后期：1、完成設(shè)計(jì)定稿。 2、打印以及答辯工作地準(zhǔn)備。2.2被控對象及控制策略2.2.1被控對象本文的被控對象為某公司生產(chǎn)的型號為 CK-8的電烤箱，其工作頻率為 50HZ，總功率為 600W，工作范圍為室溫 20-250。設(shè)計(jì)目的是要對它的溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量為零且穩(wěn)態(tài)誤差在1內(nèi)的技術(shù)要求。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，控制對象各種各樣。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對象，可用二階系統(tǒng)純滯后環(huán)節(jié)來描述。然而，對于二階不振蕩系統(tǒng)，通過參數(shù)辨識可以降為一階模型。因而一般可用一階慣性滯后環(huán)節(jié)來描述溫控對象的數(shù)學(xué)模型。所以， 電烤箱模型的傳遞函數(shù)為： （2-1） 式（2-1）中 K-對象的靜態(tài)增益T-對象的時(shí)間常數(shù)-對象的純滯后時(shí)間目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫恩（Cohn-Coon）公式確定近似傳遞函數(shù)8-9。 給定輸入階躍信號 250，用溫度計(jì)測量電烤箱的溫度，每半分鐘采一次點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表 2-1： 表 2-1 烤箱模型的溫度數(shù)據(jù)時(shí)間t(m)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5溫度T()20315278104126148168182198210225238250 實(shí)驗(yàn)測得的烤箱溫度數(shù)據(jù) Cohn-Coon公式如下： (2-2)M-系統(tǒng)階躍輸入；C-系統(tǒng)的輸出響應(yīng) t0.28-對象飛升曲線為0.28C時(shí)的時(shí)間（分） t0.632-對象飛升曲線為 0.632C時(shí)的時(shí)間（分）從而求得K=0.92, T=144s , =30s 所以電烤箱模型為：2.2.2 控制策略 將感測與轉(zhuǎn)換輸出的訊號與設(shè)定值做比較，用輸出信號源（2-10V或4-20mA）去控制最終控制組件。在過程實(shí)踐中，應(yīng)用最為廣泛的是比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID的問世已有60多年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具10。 當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)得到控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID最為方便。即當(dāng)我們不完全了解系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用PID控制技術(shù)。比例、積分、微分 1.比例2-1 比例電路 （2-3） 2 積分器2-2 積分電路 （2-4） 3 微分器2-3 微分控制電路 （2-5） 實(shí)際中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計(jì)算出控制量，控制器輸出和輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中如公式（2-6）和（2-7）： （2-6） （2-7） 公式中U(s)和E（s）分別是u（t）和e（t）的拉氏變換，其中、分別控制器的比例、積分、微分系數(shù)。P、I、D控制 1.比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器輸出與輸入誤差訊號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 2.積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號成正比關(guān)系。 對一個(gè)自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，知道等于零。 因此，比例加積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3.微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出和輸入誤差訊號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)震蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在較大慣性組件（環(huán)節(jié)）和有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化有些“超前”，即在誤差接近零時(shí)，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例加微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)數(shù)，從而避免了被控制量的嚴(yán)重的沖過頭。所以對于有較大慣性和滯后的被控對象，比例加微分（PD）的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。由于PID 控制器具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中對于電烤箱的溫控系統(tǒng)我們選擇PID進(jìn)行控制。第三章 PID最佳調(diào)整法與系統(tǒng)仿真 PID作為經(jīng)典控制理論，其關(guān)鍵問題在于PID參數(shù)的設(shè)定。在實(shí)際應(yīng)用中，許多被控過程機(jī)理復(fù)雜，具有高度非線性、時(shí)變不確定性和純滯后等特點(diǎn)。在噪聲、負(fù)載擾動等因素的影響下，過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會隨時(shí)間和工作環(huán)境的變化而變化。故要求在PID控制中不僅PID參數(shù)的整定不依賴與對象數(shù)學(xué)模型，并且PID參數(shù)能夠在線調(diào)整，以滿足實(shí)時(shí)控制要求。3.1 PID參數(shù)整定法概述3.1.1 PID參數(shù)整定方法1. Relay feedback ：利用Relay 的 on-off 控制方式，讓系統(tǒng)產(chǎn)生一定的周期震蕩，再用Ziegler-Nichols調(diào)整法則去把PID值求出來。2. 在線調(diào)整：實(shí)際系統(tǒng)中在PID控制器輸出電流信號裝設(shè)電流表，調(diào)P值觀察電流表是否有一定的周期在動作，利用Ziegler-Nichols把PID求出來，PID值求法與Relay feedback一樣9。3. 波德圖&跟軌跡：在MATLAB里的Simulink繪出反饋方塊圖。轉(zhuǎn)移函數(shù)在用系統(tǒng)辨識方法辨識出來，之后輸入指令算出PID值。3.1.2 PID調(diào)整方式PID調(diào)整方式有轉(zhuǎn)移函數(shù)無轉(zhuǎn)移函數(shù)系統(tǒng)辨識法波德圖根軌跡Relay feedback在線調(diào)整圖3-1 PID調(diào)整方式 如圖3-2所示PID調(diào)整方式分為有轉(zhuǎn)函數(shù)和無轉(zhuǎn)移函數(shù)，一般系統(tǒng)因?yàn)椴恢D(zhuǎn)移函數(shù)，所以調(diào)PID值都會從Relay feedback和在線調(diào)整去著手。波德圖及根軌跡則相反，一定要有轉(zhuǎn)移函數(shù)才能去求PID值，那這技巧就在于要用系統(tǒng)辨識方法，辨識出轉(zhuǎn)移函數(shù)出來，再用MATLAB里的Simulink畫出反饋方塊圖，調(diào)出PID值。 所以整理出來，調(diào)PID值的方法有在線調(diào)整法、Relay feedback、波德圖法、根軌跡法11。前提是要由系統(tǒng)辨識出轉(zhuǎn)移函數(shù)才可以使用波德圖法和根軌跡法，如下圖3-2所示。圖3-2 由系統(tǒng)辨識法辨識出轉(zhuǎn)移函數(shù)3.2針對無轉(zhuǎn)移函數(shù)的PID調(diào)整法 在一般實(shí)際系統(tǒng)中，往往因?yàn)檫^程系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)要找出，之后再利用系統(tǒng)仿真找出PID值，但是也有不需要找出轉(zhuǎn)移函數(shù)也可調(diào)出PID值的方法，以下一一介紹。3.2.1 Relay feedback調(diào)整法圖3-3 Relay feedback調(diào)整法 如上圖3-3所示，將PID控制器改成Relay，利用Relay的On-Off控制，將系統(tǒng)擾動，可得到該系統(tǒng)于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的震蕩周期及臨界增益（Tu及u），在用下表3-1的Ziegler-Nichols第一個(gè)調(diào)整法則建議PID調(diào)整值，即可算出該系統(tǒng)之p、Ti、Tv之值。表3-1 Ziegler-Nichols第一個(gè)調(diào)整法則建議PID調(diào)整值ControllerP0.5PI0.450.83PID0.60.50.1253.2.2 Relay feedback 在計(jì)算機(jī)做仿真Step 1:以MATL AB里的Simulink繪出反饋方塊，如下圖3-4示。圖3-4 Simulink繪出的反饋方塊圖Step 2:讓Relay做On-Off動作，將系統(tǒng)擾動（On-Off動作，將以 做模擬），如下圖3-5所示。圖3-5 參數(shù)設(shè)置Step 3:即可得到系統(tǒng)的特性曲線，如下圖3-6所示。圖3-6 系統(tǒng)震蕩特性曲線 Step 4:取得Tu及a，帶入公式3-1，計(jì)算出u。以下為Relay feedback臨界震蕩增益求法 （3-1）：振幅大?。弘妷褐?.2.3在線調(diào)整法圖37在線調(diào)整法示意圖 在不知道系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)的情況下，以在線調(diào)整法，直接于PID控制器做調(diào)整，亦即PID控制器里的I值與D值設(shè)為零，只調(diào)P值讓系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，這時(shí)的P值為臨界震蕩增益v，之后震蕩周期也可算出來，只不過在線調(diào)整實(shí)務(wù)上與系統(tǒng)仿真差別在于在實(shí)務(wù)上處理比較麻煩，要在PID控制器輸出信號端在串接電流表，即可觀察所調(diào)出的P值是否會震蕩，雖然比較上一個(gè)Relay feedback法是可免除拆裝Relay的麻煩，但是就經(jīng)驗(yàn)而言在實(shí)務(wù)上線上調(diào)整法效果會較Relay feedback 差，在線調(diào)整法也可在計(jì)算機(jī)做出仿真調(diào)出PID值，可是前提之下如果在計(jì)算機(jī)使用在線調(diào)整法還需把系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)辨識出來，但是實(shí)務(wù)上與在計(jì)算機(jī)仿真相同之處是PID值求法還是需要用到調(diào)整法則Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)法則去調(diào)整，與Relay feedback的經(jīng)驗(yàn)法則一樣，調(diào)出PID值。3.2.4在線調(diào)整法在計(jì)算機(jī)做仿真 Step 1:以MATLAB里的Simulink繪出反饋方塊，如下圖3-8所示圖3-8反饋方塊圖PID方塊圖內(nèi)為：圖3-9 PID方塊圖 Step 2:將Td調(diào)為0，Ti無限大，讓系統(tǒng)為P控制，如下圖3-10所示：圖3-10 PID方塊圖 Step 3：調(diào)整KP使系統(tǒng)震蕩，震蕩時(shí)的KP即為臨界增益KU，震蕩周期即為TV。（使在線調(diào)整時(shí)，不用看a求KU），如下圖3-11所示：圖3-11 系統(tǒng)震蕩特性圖Step 4：再利用Ziegler-Nichols調(diào)整法則，即可求出該系統(tǒng)之p、Ti，Td之值。3.3 針對有轉(zhuǎn)移函數(shù)的PID調(diào)整方法3.3.1系統(tǒng)辨識法圖3-12由系統(tǒng)辨識法辨識出轉(zhuǎn)移函數(shù) 系統(tǒng)反饋方塊圖在上述無轉(zhuǎn)移函數(shù)PID調(diào)整法則有在線調(diào)整法與Relay feedback調(diào)整法之外，也可利用系統(tǒng)辨識出的轉(zhuǎn)移函數(shù)在計(jì)算機(jī)仿真求出PID值，至于系統(tǒng)辨識轉(zhuǎn)移函數(shù)技巧在第三章已敘述過，接下來是要把辨識出來的轉(zhuǎn)移函數(shù)用在反饋控制圖，之后應(yīng)用系統(tǒng)辨識的經(jīng)驗(yàn)公式Ziegler-Nichols第二個(gè)調(diào)整法求出PID值， 如下表3-2所示。表3-2 Ziegler-Nichols第二個(gè)調(diào)整法則建議PID調(diào)整值controllerPPI()*3.3LPID()*2L 為本專題將經(jīng)驗(yàn)公式修正后之值 上表3-2為延遲時(shí)間。 上表3-2解法可有以下2種：解一：如下圖3-13中可先觀察系統(tǒng)特性曲線圖，辨識出a值。解二：利用三角比例法推導(dǎo)求得圖3-13利用三角比例法求出a值 （3-2） 用Ziegler-Nichols第一個(gè)調(diào)整法則求得之PID控制器加入系統(tǒng)后，一般閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)最大超越的范圍約在10%60%之間。 所以PID控制器加入系統(tǒng)后往往先根據(jù)Ziegler-Nichols第二個(gè)調(diào)整法則調(diào)整PID值，然后再微調(diào)PID值至合乎規(guī)格為止。3.3.2波德圖法及根軌跡法利用系統(tǒng)辨識出來的轉(zhuǎn)移函數(shù)，使用MATLAB軟件去做系統(tǒng)仿真。由于本設(shè)計(jì)中PID參數(shù)的整定主要是基于系統(tǒng)辨識及Ziegler-Nichols調(diào)整法則，所以在此不用波德圖法及根軌跡法。3.4 仿真結(jié)果及分析 以下就是在Simulink中創(chuàng)建的用 PID算法控制電烤箱溫度的結(jié)構(gòu)圖：3-14 電烤箱PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在圖中的PID模塊中對三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在Transport Delay模塊中設(shè)定滯后時(shí)間30秒。通過不斷調(diào)整PID三參數(shù)，得到最佳仿真曲線，其中KP=3，KI=0.02，KD=0 當(dāng)給定值為100和150時(shí)，得到仿真結(jié)果分別如下： 3-15 給定值為100時(shí)的響應(yīng)曲線3-16 給定值為150時(shí)的響應(yīng)曲線圖3-15為給定值為100時(shí)的響應(yīng)曲線，圖3-16為給定值為150時(shí)的響應(yīng)曲線，由這兩個(gè)圖可以計(jì)算出可見性能指標(biāo)為: 調(diào)節(jié)時(shí)間ts =200s，超調(diào)量%約為10%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess = 0。 在本設(shè)計(jì)中， 400秒到430秒之間加入一個(gè)+50的干擾（暫態(tài)干擾），如下圖所示：3-17 干擾曲線圖3-18是在Simulink中創(chuàng)建的帶干擾的電烤箱 PID控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖：3-18 帶干擾的電烤箱的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-19 帶干擾的電烤箱的PID控制響應(yīng)曲線 上圖為帶干擾的電烤箱的PID控制響應(yīng)曲線 ，從圖中可以看到再加入干擾后系統(tǒng)的PID控制能較好的抑制這種干擾，在干擾過后，很快就能恢復(fù)到目標(biāo)值。第四章 總結(jié)從定設(shè)計(jì)題目到最后成設(shè)計(jì)并定稿，其間經(jīng)歷了翻閱相關(guān)資料、熟悉基礎(chǔ)知識、學(xué)習(xí)鞏固MATLAB軟件的使用，到開始寫報(bào)告以及最后的修改和裝訂這幾個(gè)階段。每個(gè)階段工作的完成都使我在各個(gè)方面受益匪淺。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我的任務(wù)是完成PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（MATLAB）。為了很好地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，我經(jīng)常上網(wǎng)搜集各種資料文獻(xiàn)，向指導(dǎo)老師和各位同學(xué)請教，并且翻閱以前的課本、筆記，熟悉之前學(xué)過的相關(guān)知識。這些不僅僅鞏固了我以前所學(xué)的專業(yè)知識，而且使我接觸了許多以前沒接觸過的新知識，大大地?cái)U(kuò)寬了我的知識面。尤其是對于PID控制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，使我有了更加深入的了解，也使知道了在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建立中借助好的軟件包的重要性及未來的發(fā)展趨勢。在這次設(shè)計(jì)過程中，我明顯感覺到自己在許多方面存在不足，譬如，對Word的熟練使用，對MATLAB軟件的應(yīng)用，對PID控制器的認(rèn)識，電烤爐的了解等等。我借此機(jī)會不斷學(xué)習(xí)，努力提高多方面的能力，彌補(bǔ)自己的不足?？偟恼f來，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，我在各方面都有了很大的進(jìn)步。特別是將大學(xué)所學(xué)的專業(yè)理論知識運(yùn)用于實(shí)際設(shè)計(jì)中，讓我對自己的專業(yè)有了更濃厚的興趣，對自己的前途有了更充足的信心和更美好的憧憬。