温箱温度控制系统的模拟

温箱温度控制系统设计及实物仿真该题目包括MATLAB软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标，并调整控制参数分析控制器各参数对系统稳定性的影响。硬件调试的目的是为了实现理论与实践的结合，将仿真得到的心得体会在硬件平台上加以验证，以便得到更加形象具体的认识。2.1软件仿真单元2.1.1设计要求（1）分别利用频域法和Ziegler-Nichols法对系统调节器加以设计，并整定相关参数（2）对校正前后的系统的性能指标以及频域性进行计算和对比，并分析校正结果（3）要求整定后的系统性能指标满足：σ2.1.2实验设备计算机—MATLAB软件2.1.3设计原理图1.1是系统的结构框图，由于调节阀的传递函数可以等效成比例环节，测量变送环节也等效成比例环节，因此系统的传递函数大大简化。图1温度控制系统框图由于系统的输入和输出的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃响应曲线相似，所以可以将系统的传递函数模型结构等效成1/)(TsKesGs式中：K为放大系数，T为过程时间常数，τ为纯滞后时间。温控系统参数K=2T=180sτ=30s根据系统等效传递函数，可采用频域法实现，在求解PID参数时，先不考虑延时环节，在初步求出PID参数之后，再考虑延时环节的影响，重新调整PID参数，使得系统的阶跃响应满足σ℅＜15℅，ts＜135s-2-据系统的开环单位阶跃响应可知系统等效成带有延迟的一阶系统，这个结论正好与Ziegler-Nichols整定方法相吻合。因此可以采用该方法实现PID参数的整定。2.1.4软件设计内容一、利用MATLAB软件设计串联超前校正（1）将模块载入SISO设计工具在MATLAB命令窗口先定义好模型，代码如下：num=4.4den=[3401]G=tf(num,den)得到结果：Transferfunction:4.4-----------340s+1输入SISODesignTool,通过file/import命令，可以将模型G载入SISO设计工具中（2）加入积分器点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择”AddPole/Zero”下的”Intergrator”菜单，这时系统将加入一个积分器，系统的穿越频率随之改变。（3）加入超前校正网络在点击开环Bode图中鼠标右键，选择”AddPole/Zero”下的”Lead”菜单，该命令将在控制器中添加一个超前校正网络。这时鼠标的光标将变成“X”形状，将鼠标移到Bode图幅频曲线上接近最右端极点的位置按下鼠标。（4）调整超前网络的零极点将超前网络的零点移动到靠近原来最左边的极点位置，接下来将超前网络的极点向右移动，并注意移动过程中相角裕度的增长，一直到满足超前网络的设计要求，即σ%15%，135s。此时得到的阶跃响应LTI图为-3-图2系统的零极点及Bode图-4-图3系统的阶跃响应图（不考虑延时）图４系统稳定后的各参数-5-二、调节PID参数进行校正（1）进入Simulink操作环境从MATLAB的桌面操作环境画面进入Simulink操作环境，点击工具栏的Simulink图标。（2）提取所需仿真模块并连接在Simulink中找到所需的模块拖出，连接成完整的闭环系统图，如图５。图５利用调节PID参数校正的系统图（3）功能模块参数设置使用时需设置功能模块参数后，方可进行仿真操作。不同的功能模块参数是不同的，用鼠标双击该功能模块自动弹出相应的参数设置对话框。（4）用Ziegler-Nichols整定经验公式算出PID对闭环系统只作用比例控制作用，如图６所示系统闭环控制框图，使Ｋｐ从０增加到临界值Ｋｃ，系统临界稳定输出如图７，图８。图６系统比例闭环控制-6-图７ＫＣ参数设置图８比例控制的闭环输出-7-此时，有图得到ＰＣ＝８０，用图９所示公式算出Ｋｐ＝２.８８，Ｔｉ＝６６.７，因此积分系数为Ｋｐ％Ｔｉ＝０.０４３。表2齐格勒-尼科尔斯整定公式控制器类型由阶跃响应整定KpTiTdp0.5KcPI0.45KcPc/1.2PID0.6Kc0.5Pc0.12Pc图９整定公式对数据进行进一步的微调，数据如图１０所示时，系统会达到稳定，并符合各项性能指标。系统波形图如图１１所示。图１０微调后的参数-8-图１１系统波形图2.1.5设计分析校正结果分析：零极点与传递系数对系统性能的影响：（1）极点的位置决定模态的敛散性，即决定稳定性和快速性。（2）零点决定运动模态的比重，因而影响曲线的形状。（3）传递系数决定了系统稳态传递性能比例环节的作用：增加系统的动态特性；不能消除误差，但可以减小误差；调节时间加快。比例环节的放大倍数越大，响应速度越快，响应时间越短，误差会减弱，波形的超调量会越大。积分环节的作用：可以改善系统的稳定精度（降低误差）。动态特性缓慢，有延时性，有记忆作用。积分环节电容C越大，积分作用越弱，反之C越小，积分作用越强。并且C越大，积分容量越大，响应时间越长，响应速度越慢。微分环节的作用：对系统进行微调，使其更理想。增加闭环极点靠近原点时，积分作用增强，系统稳定性下降。-9-2.2硬件仿真单元2.2.1设计目的（1）在自动控制理论实验基础上，控制实际的模拟对象，加深对理论的理解（2）掌握闭环控制的参数调节对系统动态性能的影响2.2.2设计设备(1)ACCC-1型自动控制理论及计算机控制技术实验装置(2)数字式万用表(3)示波器2.2.3实验内容一、串联校正1、接线图设计的接线图如图12所示，除了实际的模拟对象、电压表、脉宽调制和温度变送外，其中的模拟电路由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。这里给出一组参考的设计参数，仅供参考，在实际的实验中需联系实际的控制对象进行参数的试凑，以达到预定的效果。参考的试验参数为：R0=R1=R2=100KΩ,R3=10KΩ,R4=1MΩ,R5=510KΩ,C1=1μF图12温箱温度控制系统框图2、具体实验步骤（1）.先将ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术（二）和ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术面板上的电源船形开关均放在“OFF”状态。（2）.利用ACCT-II实验板上的单元电路U9、U15和U11，设计并连接如图所示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到-15V。①将ACCT-II面板上U1单元的可调电压接到Ug;②给定输出接PI调节器的输入，这里参考电路中Kd=0,R4的作用是提高PI调节器的动态特性。-10-③经PI运算后给温箱控制电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输出接到温箱控制系统中的脉宽调制电路的正极输入端，负极端接地；④温度变送电路的正极端接示波器的输入端，负极端与脉宽调制电路的接地端相连；⑤将电压表的两端并在温度变送电路两端；(3)连接好上述线路，全面检查线路后，先合上温箱控制系统实验板上的电源开关，再合上ACCT-II面板上的开关，调整PI参数，是系统稳定，同时观测输出电压变化情况。(4)在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统达到无静差。如达不到，则根据PI参数对系统性能的影响重新调节PI参数(5)改变给定信号，观测系统动态特性。3.实验结果图13串联校正结果图-11-二、在P环节下温箱控制闭环1、接线原理图图14P环节系统接线图2、具体实验步骤（1）如上图所示接好电路，各元件参数：R0=R1=R2=100K,R3=100K,Rf/Ri=1,分别改变R4的值取510k，330k.（2）将示波器两个通道分别与系统输入端和输出端相连，观察波形。3、实验结果图15当R=330K时的曲线图-12-图15当R=510k时的曲线图4、结果分析分析：发现通过改变Kp即R4的大小并不能使得最后的稳定值到达给定的5V，而且随着Kp的增大，误差越来越小，并不能消除误差，这也是P环节的作用-13-三、在PI环节下温箱控制闭环1、接线原理图图16PI环节系统接线2、具体实验步骤（1）如上图所示接好电路，实验数据为：R0=R1=R2=100K,R3=100K,Rf/Ri=1，分别改R4、C1的值，观察波形变化。（2）将示波器两个通道分别与系统输入端和输出端相连，观察波形。3、实验结果（1）、当R4=330K,C1=1uF时，波形如图17所示。图17-14-（2）、当R4=330K，C1=10uF时，波形如图18所示。图18（3）、当R=510K，C1=1uF时，波形如图19所示。图194、实验结果分析分析：发现取不同的R4和C1后系统的最终都能达到稳定，并且达到了给定值5V，体现了积分的作用，即消除误差。-15-四、无控制环节1、实验步骤（1）、将对象的输入端直接接电源，输出端接示波器及电压表。（2）、打开开关，观察波形。2、实验结果图20开环时的波形图3、结果分析由于图上升比较缓慢，转折点不明显，T、L等参数无法确定，导致无法进一步对对象进行更为理想的校正。-16-实验心得与体会：软件环节，运用MATLAB仿真环境实现串联校正，我们使用SISO系统设计串联校正环节的参数，SISO系统设计工具是用于单输入单输出反馈控制系统补偿器设计的图形设计环境。通过该工具，我们可以快速完成以下工作：利用根轨迹方法计算系统的闭环特性、针对开环系统Bode图的系统设计、添加补偿器的零极点、设计超前/滞后网络和滤波器、分析闭环系统响应、调整系统幅值或相位裕度等。在实验中，通过添加零极点、改变相频、幅频图来达到实验的要求。在串联校正的过程中，必须清楚了解零极点与传递函数对系统性能的影响，才能得到后来满足要求的系统图。在PID校正的过程中，必须对比例、积分、微分等环节的作用。硬件环节，由于当时没有了解做硬件调试的目的，一直在盲目实验，没有清晰的目标。而且对实验箱不够了解，导致最后结果的错误。经过老师指导后，及时改正了错误并且理清了思路。最后实验成功。没注意细节方面的问题及校正的真正目的，实验并未获得真正的成功。系统未得到精确校正。我不仅复习了自控的有关知识，更通过实践，深层次的理解了自控这门学科的理论基础和实践环境。在软件实验过程中，我加深了对零极点的认识。在硬件实验中，加深了对积分，微分的理解。总之，我对总控这门课的学习更有信心了。-17-附录：Ziegler-nichols整定经验公式（1）方法一这个经验公式基于带有延迟的一阶传递函数提出的。对象模型表示为slesTksG1)(在实际的过程控制系统中哦呢不中，有大量的对象模型可以近似的由这样的一阶模型来表示，如果可以通过实验测取对象模型的阶跃响应，则输出型号可以由下图来近似。这样我们可以通过草图获取k,L,T参数。且a=KL/T来求取a的参数。可以通过下面的经验公式设计PID控制器。Z-N曲线的波形图如下：表1Ziegler-nichols整定经验公式控制器类型由阶跃响应整定KpTiTdP1/aPI0.9/a3L-18-PID1.2/a2LL/2我们还可以由同样的模型参数设计出P控制器和PID控制器。PID控制器公式：)11(=Gc(s)TdSTiSKp（2）方法二对闭环系统只用作比例控制作用，如图2.23，使Kp从0增至临界Kc。图7系统比例闭环控制其中Pc为临界震荡的输出波形的周期，可用示波器测量。表2齐格勒-尼科尔斯整定公式控制器类型由阶跃响应整定KpTiTdp0.5KcPI0.45KcPc/1.2PID0.6Kc0.5Pc0.12Pc表中Kp为系统在比例作用下的系统临界输出时对应的比例控制器值。PID控制器公式：)11(=Gc(s)TdSTiSKp__UfUg+KpGo(s)