某溫度控制系統(tǒng)的MATLAB仿真設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告目 某溫度控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 （題目 C ）過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目 C：某溫度控制系統(tǒng)的 MATLAB仿真一、 系統(tǒng)概況：設(shè)某溫度控制系統(tǒng)方塊圖如圖：圖中 Gc(s)、Gv(s)、Go(s)、Gm(s)、分別為調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、過(guò)程對(duì)象及溫度變送器的傳遞 函數(shù)；，且電動(dòng)溫度變送器測(cè)量圍(量程)為 50100OC、輸出信號(hào)為 420mA 。Gf(s)為干擾 通道的傳遞函數(shù)。二、系統(tǒng)參數(shù)T0 =5min ； Tm =2.5min ； K v =1.5(kg/min)/mA ；K0 =5.4oC/(kg/min) ； Kf =0.8；給定值 x(t)= 80oC；階躍擾動(dòng)

2、f(t)= 10oC二、 要求：1、分別建立仿真結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)行以下仿真，并求出主要性能指標(biāo)：(1) 控制器為比例控制，其比例度分別為 10、 20、 50、 100、 200時(shí)，系統(tǒng) 廣義對(duì)象輸出 z(t)的過(guò)渡過(guò)程；(2) 控制器為比例積分控制，其比例度 20，積分時(shí)間分別為 TI 1min、3min、5min 、 10min 時(shí)， z(t)的過(guò)渡過(guò)程；(3) 控制器為比例積分微分控制，其比例度 10，積分時(shí)間 TI 5min ，微分時(shí)間 TD = 0.2min 時(shí)， z(t)的過(guò)渡過(guò)程。2、對(duì)以上仿真結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，得出結(jié)論。3、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。注：調(diào)節(jié)器比例帶的說(shuō)明比例控制規(guī)律的輸出 p(

3、t)與輸入偏差信號(hào) e(t)之間的關(guān)系為p(t)=Kce(t)式中， Kc叫作控制器的比例系數(shù)。在過(guò)程控制儀表中，一般用比例度 來(lái)表示比例控制作用的強(qiáng)弱。比例度 定義為= e (zmax p (pmaxzmin )pmin )100%式中， (zmax-zmin)為控制器輸入信號(hào)的變化圍，即量程； (pmax-pmin)為控制器輸出信號(hào)的 變化圍。這時(shí) 與 Kc 便互成倒數(shù)關(guān)系，即：1 = 100%Kc但如果調(diào)節(jié)器的輸入、輸出不是相同性質(zhì)的信號(hào)，則系數(shù)K 1，需要根據(jù)量程和輸出信號(hào)圍進(jìn)行計(jì)算。例：某溫度系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器為電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器，配用的電動(dòng)變送器測(cè)量圍為40150 OC，輸出為 4 20m

4、A，若選用比例度 =10% ，問(wèn)該比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) Kc 為多少？解：Kcpmaxpminzmaxzmin1 20 4Kc= 0.1 150 401.45仿真過(guò)程一，控制器為比例控制 P 對(duì)于比例控制器： 其傳遞關(guān)系為： y(t) Kpe(t)控制器的傳遞函數(shù)為： G(t) Kp純比例控制仿真結(jié)構(gòu)圖如下：1)當(dāng)比例度為 10KcP max- P minZ max- Z minKc10.120-4100 - 503.2即仿真圖中 Kc 為 3.2，給定值和階躍擾動(dòng)分別設(shè)置為 80， 10則有仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出 z(t)的過(guò)渡過(guò)程如圖：其主要性能指標(biāo)如下： 上升時(shí)間 tr=2.4min;峰

5、值時(shí)間 tp=3.2min；p 119-80最大超調(diào)量 8048.75% ；過(guò)渡時(shí)間 ts=10min;震蕩次數(shù) N=3； 穩(wěn)態(tài)誤差 ess =10OC1 20-4 Kc0.2 100 - 502）比例度為 20z(t)1.6，將仿真圖中 Kc 參數(shù)改為 1.6 即可，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下： 上升時(shí)間 tr=3min;峰值時(shí)間 tp=4min；p 105-80 31.25% 最大超調(diào)量 p 80 31.25% ； 過(guò)渡時(shí)間 ts=10min;震蕩次數(shù) N=2；穩(wěn)態(tài)誤差 ess =5OC( 3)比例度為 501 20-4Kc 1 20-4 0.64 ，將圖 1

6、中 K參數(shù)改為 0.64 即可，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出 z(t) 0.5 100 - 50 的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間 tr=4.2min;峰值時(shí)間 tp=5min；12.5% ；90-80p最大超調(diào)量 p 80過(guò)渡時(shí)間 ts=10min;震蕩次數(shù) N=1； 穩(wěn)態(tài)誤差 ess =-5OC4）比例度為 100Kc1 20-41 100 -500.32，將圖 1 中 K 參數(shù)改為 0.32即可，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：由圖可知比例度度為 100時(shí)，最大值小于 80，達(dá)不到系統(tǒng)要求的穩(wěn)定圍1 20 - 4 Kc2 100 -50z(t)的5）比例度為 200

7、0.16，將圖 1中 K 參數(shù)改為 0.16即可，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出過(guò)渡過(guò)程如下圖：由圖可知比例度度為 200時(shí)，最大值同樣小于 80，達(dá)不到系統(tǒng)要求的穩(wěn)定圍， 控制器為比例積分控制 PIy( t) K pe(t) 其傳遞關(guān)系為： y( t) K pe(t)K p tKTI 0 e(t)dtG（ s）控制器的傳遞函數(shù)為：1Kp(1 T1IS)建立比例積分仿真結(jié)構(gòu)圖如下：( 1)比例度 20，積分時(shí)間為 TI 1min由比例環(huán)節(jié)可知，比例系數(shù)為 1.6，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出 z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：由于系統(tǒng)為發(fā)散型，所以不穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)沒(méi)有意義2)比例度 20，積分時(shí)間為 TI 3min

8、4.8S 1.6把仿真圖中 PI 控制器改為 3S ， 仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出 z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：上升時(shí)間 tr=2.7min;峰值時(shí)間 tp=4.2min；p 135-80p最大超調(diào)量 8068.75% ；過(guò)渡時(shí)間 ts=10min;震蕩次數(shù) N=2；穩(wěn)態(tài)誤差 ess =20OC3)比例度 20，積分時(shí)間為 TI 5min把仿真圖中 PI 控制器改為 8S 1.6 ，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出5Sz(t) 的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間 tr=2.7min;峰值時(shí)間 tp=4.2min；最大超調(diào)量125-80 p 8056.25% ；過(guò)渡時(shí)間 ts=10min;震蕩次數(shù) N

9、=2； 穩(wěn)態(tài)誤差 ess =10OC4) 比例度 20，積分時(shí)間為 TI 10min把仿真圖中 PI 控制器改為16S 1.6 ，10S仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t) 的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間 tr=2.7min;峰值時(shí)間 tp=4.2min；p 115-80最大超調(diào)量 p 8043.75% ；過(guò)渡時(shí)間 ts=10min;震蕩次數(shù) N=2；穩(wěn)態(tài)誤差 ess =2OC三，控制器為比例積分微分控制 PID其傳遞關(guān)系為：y(t) Kpe(t)Tdded(tt)1tT1I 0 e(t)dtG( s) Kp(1 TdS 1 ) 控制器地傳遞函數(shù)為：TIS已知要求為比例度 10，積分時(shí)

10、間 TI5min，微分時(shí)間 TD = 0.2min，所以建立仿真結(jié)構(gòu) 圖如圖：仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出 z(t) 的過(guò)渡過(guò)程如下圖主要性能指標(biāo)如下： 上升時(shí)間 tr=2.4min;峰值時(shí)間 tp=3.4min；43.75%115-80 p 最大超調(diào)量 80過(guò)渡時(shí)間 ts=10min;震蕩次數(shù) N=2；穩(wěn)態(tài)誤差 ess =0OC分析結(jié)論（1）比例控制：由比例控制過(guò)程的仿真可知，當(dāng)從 10%，20%，50%，100%，200%變化過(guò)程中， Kc 逐漸減 小。隨著 Kc 的逐漸減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度，超調(diào)量都減小，但是當(dāng) Kc 少于 0.32 以后，系統(tǒng) 響應(yīng)變慢，且系統(tǒng)達(dá)不到調(diào)節(jié)要求。由此可知，比例系

11、數(shù) Kc 越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但是過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。但是如果 Kc 過(guò)小，也不能達(dá)到調(diào)節(jié)要求，系統(tǒng)響應(yīng)慢，靜態(tài)特性差。（2）比例積分控制： 從仿真的結(jié)果來(lái)看，隨著積分時(shí)間的增加，積分的控制作用在減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性在加強(qiáng)。積 分控制主要是消除靜差， 積分作用的強(qiáng)弱同時(shí)取決于積分時(shí)間的長(zhǎng)短。 采用比例積分調(diào)節(jié)控制， 可以實(shí)現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)。（ 3）比例積分微分控制：由仿真過(guò)程可以看出，運(yùn)用 PID 調(diào)節(jié)，不僅可以消除誤差，由于微分環(huán)節(jié)的加入，還能夠提 高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是一種比較理想的調(diào)節(jié)方式。收獲與體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)比例控制，比例積分控制，以及比例積分微分控制（ PID）三 種系統(tǒng)控制手段有了一個(gè)更深的認(rèn)識(shí)， 從單它們一的控制作用， 再到三者對(duì)比， 使我基本理解 了它們的控制規(guī)律，也認(rèn)識(shí)到了它們各自的控制優(yōu)勢(shì)與不足。同時(shí)我也熟悉了 MATLAB 運(yùn)行 環(huán)境，掌握了 Simulink 的仿真過(guò)程。這次課程設(shè)計(jì)也使我學(xué)到了很多書(shū)