自動控制原理課程設(shè)計(jì)---溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書.............................................................2</p><p>　　正文：溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).....................................6</p><p>　

2、　一、軟件仿真單元...............................................................6</p><p>　　設(shè)計(jì)要求.........................................................................6</p><p>　　設(shè)計(jì)設(shè)備...................

3、......................................................6</p><p>　　設(shè)計(jì)原理.........................................................................6</p><p>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟..................................

4、...........................7</p><p>　　運(yùn)用MATLAB對溫箱模型進(jìn)行串聯(lián)超前校正.............7</p><p>　　采用PID結(jié)構(gòu)對溫箱模型的建立..................................13</p><p>　　硬件設(shè)計(jì)單元...............................

5、...............................22</p><p>　　設(shè)計(jì)要求........................................................................22</p><p>　　設(shè)計(jì)設(shè)備...........................................................

6、.............22</p><p>　　設(shè)計(jì)原理........................................................................22</p><p>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟............................................................22</p>

7、<p>　　設(shè)計(jì)所測數(shù)據(jù)................................................................23</p><p>　　設(shè)計(jì)分析........................................................................26</p><p>　　設(shè)計(jì)體會.........

8、.............................................................27</p><p>　　參考文獻(xiàn) ....................................................................28</p><p>　　溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><

9、b>　　一、軟件仿真單元</b></p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1)分別利用頻域法和Ziegler-Nichols法對系統(tǒng)調(diào)節(jié)器加以設(shè)計(jì)，并整定相關(guān)參數(shù)</p><p>　　2)對校正前后的系統(tǒng)性能指標(biāo)以及頻域性進(jìn)行計(jì)算和對比，并分析校正結(jié)果。</p><p>　

10、　3)要求整定后的系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足： %≤15% ，≤135s，靜態(tài)誤差小于2%。</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)設(shè)備</b></p><p>　　計(jì)算機(jī)-MATLAB軟件</p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，由于調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)可以等效

11、成比例環(huán)節(jié)，測量變送環(huán)節(jié)也等效成比例環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)的傳遞函數(shù)大大簡化。</p><p>　　圖1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由于系統(tǒng)的輸入和輸出的變化規(guī)律與帶延遲的一階慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線相似，所以可以將系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型結(jié)構(gòu)等效成</p><p>　　G(s)= /Ts +1</p><p>　　式中：K為放大系數(shù)，T為

12、過程時間常數(shù)， 為純滯后時間。</p><p>　　溫度系統(tǒng)參數(shù)：（本實(shí)驗(yàn)取參數(shù)值1）</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)等效傳遞函數(shù)，可采用頻域法實(shí)現(xiàn)，在求解PID參數(shù)時，先不考慮延時環(huán)節(jié)，在初步求的PID參數(shù)之后，在考慮延時環(huán)節(jié)的影響，重新調(diào)整PID參數(shù)，使得系統(tǒng)的階躍響應(yīng)滿足 %≤15%　，　≤135s 。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)單位階躍響應(yīng)可知系統(tǒng)等效

13、成帶有延遲的一階系統(tǒng)，這個結(jié)論正好與Ziegler－Nichols整定方法相吻合。因此可以采用這個方法實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在整定。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟</b></p><p>　　1)運(yùn)用MATLAB對溫箱模型進(jìn)行串聯(lián)超前校正</p><p>　　在MATLAB命令窗口中輸入代碼如下：</p><p>

14、;<b>　　Num=4.4</b></p><p>　　Den=conv([1],[340,1])</p><p>　　G=tf(num,den)</p><p>　　回車，然后鍵入sisotool命令，再回車即可打開一個空的SISO Design Tool，如圖2所示。</p><p><b>　　圖2 (

15、a)</b></p><p><b>　　圖2 (b)</b></p><p><b>　　圖2(c)</b></p><p>　　點(diǎn)擊圖2(b)中System Data按鈕,打開如圖3所示對話框，選擇模型G。</p><p><b>　　圖3</b></p&

16、gt;<p>　　點(diǎn)擊Browse按鈕，打開如圖4所示對話框。</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　點(diǎn)擊Import ，關(guān)閉對話框，確定模型G載入，再通過Analysis命令，得到如圖5所示。</p><p><b>　　圖5(a)</b></p><p>&

17、lt;b>　　圖5(b)</b></p><p>　　加入超前校正網(wǎng)絡(luò)，在開環(huán)Bode圖中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Add Pole\Zero”下的“l(fā)ead”菜單，該命令將在控制器中添加一個超前校正網(wǎng)絡(luò)，這時鼠標(biāo)的光標(biāo)將變成“X”形狀，將鼠標(biāo)移到Bode圖幅頻曲線上接近最右端極點(diǎn)的位置按下鼠標(biāo)，得到如圖6所示。</p><p><b>　　圖6 (a)</b&

18、gt;</p><p><b>　　圖6 (b)</b></p><p>　　調(diào)整超前網(wǎng)絡(luò)的零極點(diǎn)：將超前網(wǎng)絡(luò)的零點(diǎn)移動到靠近原來最左邊的極點(diǎn)位置，接下來將超前網(wǎng)絡(luò)的極點(diǎn)向右移動，直到滿足設(shè)計(jì)要求，如圖7所示。</p><p><b>　　圖7（a）</b></p><p><b>　　圖

19、7(b)</b></p><p>　　得到傳遞函數(shù)如圖8所示。</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　2)采用PID結(jié)構(gòu)對溫箱數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　在MATLAB命令窗口的鍵入simulink命令，回車后即可啟動simulink程序。</p><p&g

20、t;　　啟動后軟件自動打開simulink模型庫窗口，如圖9所示。</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　選擇工具欄上New Model按鈕，打開一個空白的模型編輯器窗口，畫出所需模塊，并連線，如圖10所示。</p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)：</p><p><b>

21、　　圖10</b></p><p><b>　　設(shè)定階躍輸入?yún)?shù)：</b></p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　設(shè)定慣性環(huán)節(jié)參數(shù)：</b></p><p><b>　　圖12</b></p>&

22、lt;p>　　一階慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)波形圖：</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負(fù)反饋階躍響應(yīng)：</p><p><b>　　圖14</b></p><p><b>　　設(shè)定加法器參數(shù)：</b></p>

23、<p><b>　　圖15</b></p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負(fù)反饋階躍響應(yīng)波形圖：</p><p><b>　　圖16</b></p><p>　　(3)帶PID的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負(fù)反饋階躍響應(yīng)：</p><p><b>　　圖17</b><

24、;/p><p><b>　　設(shè)定PID參數(shù)：</b></p><p>　　當(dāng)沒有修改PID參數(shù)，即PID為原始數(shù)據(jù)（圖18 (a)）時，得到如圖18(b)所示波形：</p><p>　　圖18(a)初始數(shù)據(jù)</p><p>　　圖18(b)初始波形</p><p>　　修改PID參數(shù)，如圖19(a)所

25、示，得到如圖19(b)所示波形：</p><p><b>　　圖19(a)</b></p><p><b>　　圖19(b)</b></p><p>　　(4)帶PID、延時環(huán)節(jié)的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負(fù)反饋階躍響應(yīng)：</p><p><b>　　圖20</b></p>

26、<p><b>　　設(shè)定延時參數(shù)：</b></p><p><b>　　圖21</b></p><p>　　調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，得到滿足要求的波形圖：</p><p><b>　　圖21</b></p><p>　　帶PID、延時環(huán)節(jié)的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)的單位負(fù)反饋階躍響

27、應(yīng)波形圖：</p><p><b>　　圖22</b></p><p><b>　　二、硬件設(shè)計(jì)單元</b></p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　參考《課程設(shè)計(jì)硬件操作指南》指南完成實(shí)物接線。</p><p>　　將階躍

28、信號作用于系統(tǒng)，調(diào)節(jié)信號的占空比、頻率和幅值。</p><p>　　測出系統(tǒng)在不同電阻和電容取值情況下的階躍響應(yīng)輸出。</p><p>　　分析系統(tǒng)的元件取值對輸出影響，分別從有擾動、無擾動，有積分、無積分等角度分析。</p><p>　　根據(jù)實(shí)際溫箱輸入和輸出特性，計(jì)算出實(shí)物的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)設(shè)備&

29、lt;/b></p><p>　　1)ACCC-1型自動控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置；</p><p><b>　　2)數(shù)字式萬用表</b></p><p><b>　　3)示波器</b></p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)原理</b></p><

30、;p><b>　　圖19 </b></p><p>　　溫控系統(tǒng)框圖如圖19所示，有給定、PI調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制電路、加溫室、溫度變送器和輸出電壓反饋等部分組成。在參數(shù)給定的情況下，經(jīng)過PI運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，使加溫室里的溫度穩(wěn)定在給定值。</p><p>　　給定Ug由ACCC-2自動控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)面板上的電源單元U1提供，電壓變化范圍為1.3

31、V~15V。</p><p>　　PI調(diào)節(jié)器的輸出作為脈寬調(diào)制的輸入信號，經(jīng)脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生占空比可調(diào)0~100%的脈沖信號，作為對加溫室里電熱絲的加熱信號。</p><p>　　溫度測量采用Cu50熱敏電阻，經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成電壓反饋量，穩(wěn)定輸入范圍為0~200℃，溫度變送器的輸出電壓范圍為DC0~10V。</p><p>　　根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)反饋系數(shù)β，

32、從而調(diào)節(jié)輸出電壓。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟</b></p><p>　　設(shè)計(jì)的接線圖如圖20所示，除了實(shí)際的模擬對象、電壓表和轉(zhuǎn)速計(jì)表外，其中的模擬電路由ACCC-2自動控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)板上的運(yùn)放單元和備用元器件搭建而成。參考的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：</p><p>　　R0=R1=R2=100K，R3=10K，R4=2

33、M，R5=510K，C1=1uF，Rf/Ri=2。</p><p><b>　　圖20</b></p><p>　　具體的設(shè)計(jì)步驟如下：</p><p>　　先將ACCC-3自動控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和ACCC-2自動控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)面板上的電源船形開關(guān)放在“OFF”狀態(tài)。</p><p>　　利用ACCC-2

34、實(shí)驗(yàn)板上的單元電路U9、U15和U11，設(shè)計(jì)并連接如圖所示的閉環(huán)系統(tǒng)。需要注意的是，運(yùn)放的鎖零信號G接到-15V。</p><p>　　將ACCC-2面板上U1單元的可調(diào)電壓接到Ug；</p><p>　　給定輸出接PI調(diào)節(jié)器的輸入，這里參數(shù)電路中Kd=0,R4的作用是提高PI調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性。</p><p>　　經(jīng)PI運(yùn)算后給電機(jī)驅(qū)動電路提供輸入信號，即將調(diào)節(jié)器

35、電路單元的輸出接到ACCC-3面板上的低壓直流電動機(jī)調(diào)速中的功率轉(zhuǎn)換電路的正極輸入端（IN+），負(fù)極端（IN-）接地；</p><p>　　功率轉(zhuǎn)換的輸出接到直流電機(jī)的電樞兩端；</p><p>　　轉(zhuǎn)速測量的輸出同時接到電壓反饋輸入端和20V電壓表頭的輸入端，由于轉(zhuǎn)速測量輸出的電壓為正值，所以反饋回路中接一個反饋系數(shù)可調(diào)節(jié)的反相器。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)β=Rf/Ri，從而調(diào)節(jié)輸出的電壓U0。&l

36、t;/p><p>　　連接好上述線路，全面檢查線路后，先合上ACCC-3實(shí)驗(yàn)面板上的電源船形開關(guān)，再合上ACCC-2面板上的船形開關(guān)，調(diào)整PI參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時觀測輸出電壓變化情況。</p><p>　　在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號，系統(tǒng)達(dá)到無靜差。如達(dá)不到，則根據(jù)PI參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響重新調(diào)節(jié)PI參數(shù)。</p><p>　　改變給定信號，觀察系統(tǒng)動態(tài)特性

37、。</p><p><b>　　5、設(shè)計(jì)所測數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)的初始狀態(tài)</p><p>　　圖21 初始狀態(tài)的輸出響應(yīng)</p><p>　　2)P環(huán)節(jié)（無積分）下溫控系統(tǒng)</p><p>　　P環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：Uo(s)=I(s)*R3</p>&l

38、t;p>　　-Ui(s)= I(s)*R4</p><p>　　G(s) =- R3/ R4</p><p>　　當(dāng)R4=1M時系統(tǒng)的輸出響應(yīng)</p><p>　　圖22的上升過程和穩(wěn)定過程</p><p>　　當(dāng)R4=2.0M 時的輸出響應(yīng) </p><p>　　圖23上升過程

39、 圖24穩(wěn)定過程</p><p>　　3)PI環(huán)節(jié)下的溫控系統(tǒng)</p><p>　　當(dāng)C=1μ R5=510k時的輸出響應(yīng)</p><p>　　圖25上升過成和穩(wěn)定過程</p><p>　　當(dāng)C=1μ R5=330k時的輸出響應(yīng)</p><p>　　圖 26 上升過程和穩(wěn)定過程</p>

40、<p>　　當(dāng)C=10μ R5=510k時的輸出響應(yīng)</p><p>　　圖27 上升過程 圖28 穩(wěn)定過程</p><p>　　當(dāng)C=10μ R5=330k時的輸出響應(yīng)</p><p>　　圖29上升過升和穩(wěn)定過程</p><p><b>　　6、實(shí)驗(yàn)分

41、析</b></p><p>　　分析：發(fā)現(xiàn)取不同的R5和C1后系統(tǒng)最終都能達(dá)到穩(wěn)定，并且達(dá)到了給定值6V貼現(xiàn)了積分的作用，即消除了誤差。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)體會</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)包括MATLAB軟件仿真和硬件實(shí)物調(diào)試部分，軟件仿真的目的是對系統(tǒng)先進(jìn)行建模，然后設(shè)計(jì)控制器使其滿足任務(wù)書上的性能

42、指標(biāo)要求，并調(diào)整控制器參數(shù)，分析控制器各參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；硬件調(diào)試的目的是為了實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的結(jié)合，將仿真得到的心得體會在硬件平臺上加以驗(yàn)證，以便得到更加形象具體的認(rèn)識。并鞏固學(xué)生所學(xué)自控原理課程知識，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析解決問題的能力。</p><p>　　在軟件仿真單元中，分別利用了串聯(lián)超前驗(yàn)證和PID校驗(yàn)。在進(jìn)行串聯(lián)超前校正時，要利用“MATLAB”可以方便地畫出Bode圖主要是為了對系統(tǒng)進(jìn)行校正

43、，使其滿足設(shè)計(jì)所要求的性能指標(biāo),得到最佳的校正裝置。要想滿足性能指標(biāo)，就要對添加的零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置進(jìn)行不斷調(diào)整，來改變控制器的參數(shù)，使得滿足性能指標(biāo)。在進(jìn)行PID校驗(yàn)時，要用到“MATLAB”軟件中的“Siumlink”環(huán)節(jié)，在運(yùn)用時，要先打開一個空白的模型編輯窗口，再畫出系統(tǒng)的各個模塊，并給出參數(shù)，連接好線路，建立一個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，然后再進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置并啟動仿真，再觀察波形是否滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)，若不滿足，再對PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置修

44、改。通過仿真發(fā)現(xiàn)：加入積分環(huán)節(jié)后，通過改變零極點(diǎn)的位置，能提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，能夠減小超調(diào)量，積分環(huán)節(jié)可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是不能消除誤差，而且會使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。</p><p>　　在硬件實(shí)物調(diào)試的階段，目的是為了在實(shí)驗(yàn)中去驗(yàn)證仿真時的結(jié)論。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，運(yùn)用了比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)。在選用P控制器的時候，通過改變比例系數(shù)，發(fā)現(xiàn):比例環(huán)節(jié)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)性能，對改善系統(tǒng)的上升時間有顯著作用，但是不能消除

45、誤差。由于加熱系統(tǒng)輸入為脈寬調(diào)節(jié)后的輸出、輸入電壓最大為10V，所以在加熱時間Kp大小對系統(tǒng)的輸出影響不大I環(huán)節(jié)可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的超調(diào)量，同是它也會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差上升時間延長，減小Tp。減小電容C可以使積分作用增強(qiáng)，是超調(diào)量減小。單獨(dú)使用P,I時，系統(tǒng)會出現(xiàn)矛盾的情況，如使用I環(huán)節(jié)會使得T減小，超調(diào)量減小但調(diào)節(jié)時間，上升時間增加，系統(tǒng)的性能不能同步調(diào)節(jié)，所以要采用積分環(huán)節(jié)儀器來實(shí)現(xiàn)。D環(huán)節(jié)反映誤差的變換快慢，將誤差的變化趨勢很好的反映出

46、來，Td變大微分作用增強(qiáng)。在系統(tǒng)剛啟動時作用強(qiáng)，溫箱系統(tǒng)的延時性很強(qiáng)，所以微分作用不大，這就決定了我們用PI控制器來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析.北京:清華大學(xué)出版社,2000.</p><p>　　2、飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 7輔助控制系統(tǒng)

47、設(shè)計(jì)與仿真.北京:電子工業(yè)出版社,2005.</p><p>　　3、胡壽松.自動控制原理.4版.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2001.</p><p>　　4、白繼平，徐德輝. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中國航海，2004（4）：77-80.</p><p>　　5、徐亞飛，劉官敏，高國章等.溫箱溫度PID與預(yù)測控制[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào).2004.8