自動控制原理溫箱控制系統(tǒng)的設計及實物調(diào)試

1、南京工程學院課程設計說明書(論文)題 目 溫箱溫度控制系統(tǒng)的設計 及實物調(diào)試 課 程 名 稱 自動控制原理 院 系 電力工程學院 專 業(yè) 電力系統(tǒng)及其自動化 班 級 電力083 學 生 姓 名 張鄉(xiāng)農(nóng) 學 號 206081245 同 組 成 員 周沫、朱建、張鈴靈 設 計 地 點 工程實踐中心8棟317 指 導 教 師 朱建忠 設計起止時間： 11年5月30日至11年6月2日 目 錄課程設計任務書1.課程設計任務書 31.1 課程設計的目的4 1.2 課程設計的題目及要求41.3 課程設計的任務及要求51.4 主要參考文獻51.5 學時分配61.6 成績考核辦法6溫箱溫度控制系統(tǒng)的設計及實物調(diào)

2、試 1.溫箱溫度控制系統(tǒng)的設計 7 1.1軟件仿真單元 7 1.1.1 溫箱實驗說明 7 1.1.2 MATLAB仿真溫箱實驗設計 8 1.1.3 仿真分析 92.溫箱溫度控制系統(tǒng)的實物調(diào)試 12 2.1硬件調(diào)試單元 12 2.1.1 實驗設備及儀器 12 2.1.2 設計原理 12 2.1.3 設計內(nèi)容及步驟 13 PID校正 13 在P 環(huán)節(jié)下溫箱控制閉環(huán)13在I 環(huán)節(jié)下溫箱控制閉環(huán)15 在PI環(huán)節(jié)下溫箱控制閉環(huán) 163.設計心得 184.參考文獻 19南京工程學院課程設計任務書 課 程 名 稱 自動控制原理 院（系、部、中心） 電力工程學院 專 業(yè) 電力系統(tǒng)及其自動化 班 級 電力083

3、 姓 名 張鄉(xiāng)農(nóng) 學 號 206081245 起 止 日 期 2011.5.30至2011.6.2 指 導 教 師 朱建忠 1課程設計應達到的目的1、通過溫箱溫度閉環(huán)仿真及實物調(diào)試熟悉課程設計的基本流程；2、掌握控制系統(tǒng)的數(shù)學建模；3、掌握控制系統(tǒng)性能的根軌跡分析或時域特性分析；4、掌握頻率法校正或根軌跡法校正；5、能夠根據(jù)性能指標，設計控制系統(tǒng)，并完成相應實驗驗證系統(tǒng)的設計和實驗操作；6、學會用MATLAB進行基本仿真。2課程設計題目及要求設計要求1分析系統(tǒng)的工作原理，進行系統(tǒng)總體設計。2構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)，并分析器動態(tài)響應。3測出各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)及其時間常數(shù)。4對系統(tǒng)進行擾動分析。5比較開環(huán)時和

4、閉環(huán)時的動態(tài)響應。6分析溫度閉環(huán)無差系統(tǒng)的動態(tài)性能，并測其動態(tài)性能指標和提出改善系統(tǒng)動態(tài)性能的方法，使得系統(tǒng)動態(tài)性能指標滿足%10%，0.1秒，靜態(tài)誤差小于2%。7. 采用某種校正方式實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。8對本課程設計提出新設想和新建議。3課程設計任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書、圖紙、實物樣品等要求課程設計任務 （1）復習有關教材、到圖書館查找有關資料，了解溫箱溫度控制系統(tǒng)的工作原理。 （2）總體方案的構(gòu)思 根據(jù)設計的要求和條件進行認真分析與研究，找出關鍵問題。廣開思路，利用已有 的各種理論知識，提出盡可能多的方案，作出合理的選擇。畫出其原理框圖。 （3）總體方案的確定 可從頻域法、

5、跟軌跡法分析系統(tǒng)，并確定采用何種控制策略，調(diào)整控制參數(shù)。（4）系統(tǒng)實現(xiàn) 搭建系統(tǒng)上的硬件電路，實現(xiàn)開環(huán)控制，記錄實驗數(shù)據(jù)。引入閉環(huán)控制，將設計好的控制策略實現(xiàn)其中，根據(jù)實際響應效果調(diào)整參數(shù)直至最優(yōu)，并記錄數(shù)據(jù)4主要參考文獻1、薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設計與分析.北京:清華大學出版社,2000.2、飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MATLAB 7輔助控制系統(tǒng)設計與仿真.北京:電子工業(yè)出版社,2005.3、胡壽松.自動控制原理.4版.北京:科學技術出版社,2001.4、白繼平，徐德輝. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中國航海，2004（4）：77-80.5、徐亞飛，劉官敏，高國章等.溫箱溫度PID與

6、預測控制J.武漢理工大學學報.2004.8(28):554-557.5課程設計進度安排起 止 日 期工 作 內(nèi) 容5月30日5月30日上午5月30日下午5月31日-6月1日（上午）6月1日（下午）-6月2日（上午）6月2日（下午）認識系統(tǒng)構(gòu)成和原理分析數(shù)學建模控制策略研究和仿真實物接線和調(diào)試撰寫設計說明書、設計計算書及資料整理撰寫設計說明書、設計計算書及資料整理答辯6成績考核辦法1、考核方法：平時表現(xiàn)，設計成果，答辯表現(xiàn)。2、成績評定：平時表現(xiàn)30%，設計成果40%，答辯表現(xiàn)30%。教研室審查意見：教研室主任簽字： 年 月 日院（系、部、中心）意見：主管領導簽字： 年 月 日溫箱模型說明設計題

7、目：溫箱控制系統(tǒng)設計及實物調(diào)試設計目的：1. 加強對隨動控制系統(tǒng)的認識，掌握工程設計的方法。2. 通過對隨動系統(tǒng)的單元,部件及系統(tǒng)的調(diào)試,提高實際技能,培養(yǎng)分析問題解決問題的能力。3. 掌握應用計算機對系統(tǒng)進行仿真的方法。4. 培養(yǎng)編制技術總結(jié)報告的能力。設計設備：1、 ACCC型自動控制理論及計算機控制技術實驗裝置2、 數(shù)字式萬用表3、 示波器4、 MATLAB軟件設計任務：復習相關資料，到圖書館查找有關資料，了解溫箱溫度控制系統(tǒng)的工作原理?？傮w方案的構(gòu)思根據(jù)設計的要求和條件進行摁鎮(zhèn)分析和研究，找出關鍵問題。廣開思路，利用已有的各種理論知識，提出盡可能多的方案，作出合理的選擇。畫出其原理框圖

8、。總體方案的確定可從頻域法，根軌跡法分析系統(tǒng)，并確定采用何種控制策略，調(diào)整控制參數(shù)。系統(tǒng)實現(xiàn)搭建系統(tǒng)上的硬件電路，實現(xiàn)開環(huán)控制，記錄實驗數(shù)據(jù)。引入閉環(huán)控制，將設計好的控制策略實現(xiàn)其中，根據(jù)實際響應效果調(diào)整參數(shù)直至最優(yōu)，并記錄數(shù)據(jù)。一、MATLAB仿真溫箱實驗設計注：1.給定溫箱系統(tǒng)參數(shù)：放大系數(shù)K=4.4；過程時間常數(shù)T=340；純滯后時間=20。2.系統(tǒng)響應要求：%<15%,ts<135s。 利用MATLAB軟件設計PID校正早在1942年，Ziegler與Nichols提出了一種使用的PID控制經(jīng)驗公式，這個經(jīng)驗公式是基于帶有延遲的一階傳遞函數(shù)提出的。這樣的對象模型可以表示為在

9、實際的過程控制系統(tǒng)中，有大量的對象模型可以近似地由這樣的一階模型來表示，如果不能物理地建立起系統(tǒng)的模型，我們還可以由試驗提出相應的參數(shù)，例如，如果可以通過實驗測取對象模型的階躍響應，則輸出信號可以由圖2中給出的草圖形狀來近似。這樣我們可以通過這樣的草圖獲取，與（或）參數(shù)。由下圖可以看出，我們還可以由來求取參數(shù)。如果獲得了與的參數(shù)，則可以通過表1中給出的經(jīng)驗公式設計PID控制器。圖1.1帶有時間延遲的一階過程模型響應圖表1 Ziegler-Nichols整定公式(第一種方法)控制器類型由階躍響應整定PPIPID從表1中可以看出，除了可以通過它設計PID控制器之外，我們還可以由同樣的模型參數(shù)設計出

10、P控制器和PI控制器。PID控制器公式：對閉環(huán)系統(tǒng)只作用比例控制作用，如圖1.2中系統(tǒng)開環(huán)控制框圖，輸出如圖1.3。圖1.2 開環(huán)控制框圖圖1.3 根據(jù)斜率，算出L=14.2 T=431.3=KL/T=0.145=6.813 =6.134 =8.145 閉環(huán)系統(tǒng)框圖出下圖：圖1.4 閉環(huán)系統(tǒng)框圖PI參數(shù)設定如下圖：圖1.5 PI參數(shù)設定結(jié)果如下圖：1.6 結(jié)果圖二、硬件仿真2.1 實驗設備及儀器 1ACCC-I 型自動控制理論及計算機控制技術實驗裝置。 2數(shù)字式萬用表。 3示波器。圖2.1溫度控制系統(tǒng)框圖2.2 設計原理 溫控制系統(tǒng)框圖如圖2.1所示，由給定、PI調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制電路、加溫室、

11、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運算產(chǎn)生相應的控制量，使加溫室里的溫度穩(wěn)定在給定值。給定Ug由ACCT-II自動控制理論及計算機控制技術的實驗面板上的電源單元U1提供，電壓為5V。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)0100的脈沖信號，作為對加溫室里電熱絲的加熱信號。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，溫度輸入范圍為0200,溫度變送器的輸出電壓范圍為DC010V。根據(jù)實際的設計要求，調(diào)節(jié)反饋系數(shù)b，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。2.3 設計內(nèi)容及步驟 PID校正 分別以比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)校正溫箱控制系統(tǒng)

12、框圖試驗參數(shù)如下： R0=R1=R2=100K,R3=10K，R5=1M，C1=1F，Rf/Ri=2。（1） P功能測試 比例環(huán)節(jié)模擬圖 改變R3、R4的值R3=10K，R4=1M和R4=30K。得到以下輸出曲線： R4=30K時的輸出曲線R4=1M時的輸出曲線結(jié)果分析：發(fā)現(xiàn)通過改變Kp即R4的大小并不能使得最后的穩(wěn)定值到達給定的5V，而且隨著Kp的增大，誤差越來越小，最后選定R4=1M，并不能消除誤差，這也是P環(huán)節(jié)的作用。P環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：（2） I功能測試積分環(huán)節(jié)模擬圖改變C的值，C=10uF;C=1uF。得到以下輸出曲線： C=10uf時輸出曲線 C=1uf時輸出曲線 結(jié)論分析：積分環(huán)

13、節(jié)的作用：可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定精度（降低誤差）。動態(tài)特性 緩慢，有延時性，有記憶作用。積分環(huán)節(jié)電容C越大，積分作用越弱，反之C越小積分作用越強。并且C越大，積分容量越大，響應時間越長，響應速度越慢。 I環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： T=R0C（3）PI功能測試比例積分環(huán)節(jié)模擬圖 R4/R3=100，C=10uF的輸出曲線R4/R3=100，C=1uF的輸出曲線R4/R3=3，C=1uF的輸出曲線結(jié)論分析：發(fā)現(xiàn)取不同的R4和C1后系統(tǒng)的最終都能達到穩(wěn)定，并且達到了給定值，體現(xiàn)了積分的作用，即消除誤差。最終取R4=1M,C1=1uf 三、 設計體會在這周的自動控制原理的課程設計中，我們這一組所做的課題是溫箱控

14、制系統(tǒng)的設計及實物調(diào)試。開始，我們通過對PID電路的各個環(huán)節(jié)的各性能的測試，并參考相關文獻，最終將控制器電路的設計選擇了PI環(huán)節(jié)。因為當控制器為比例積分環(huán)節(jié)時要比控制器僅僅為比例環(huán)節(jié)要好得多，這些優(yōu)勢均能在其所測出的各性能指標上體現(xiàn)出來，響應更快速并且更穩(wěn)定。所以，當要減小穩(wěn)態(tài)誤差是需要加入比例積分環(huán)節(jié)。比例環(huán)節(jié)是當系統(tǒng)出現(xiàn)誤差時比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差，這時會有一適當?shù)腒p，加入積分環(huán)節(jié)來調(diào)節(jié)積分時間是系統(tǒng)的響應迅速使系統(tǒng)無殘差，能夠抗干擾。這次的課程設計讓我認識到，課程設計是需要自己去調(diào)試系統(tǒng)的各參數(shù)值，是系統(tǒng)性能更加優(yōu)良。這不像做實驗那樣是給定數(shù)值的，所以不同的參數(shù)值所達到的效

15、果不一樣，在很多情況下的比較，我們得出我們所認為的最佳情況。 在軟件環(huán)節(jié)，運用MATLAB仿真環(huán)境實現(xiàn)串聯(lián)校正，我們使用SISO系統(tǒng)設計串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的參數(shù)，SISO系統(tǒng)設計工具是用于單輸入單輸出反饋控制系統(tǒng)補償器設計的圖形設計環(huán)境。通過該工具，我們可以快速完成以下工作：利用根軌跡方法計算系統(tǒng)的閉環(huán)特性、針對開環(huán)系統(tǒng)Bode圖的系統(tǒng)設計、添加補償器的零極點、設計超前/滯后網(wǎng)絡和濾波器、分析閉環(huán)系統(tǒng)響應、調(diào)整系統(tǒng)幅值或相位裕度等。在實驗中，通過添加零極點、改變相頻、幅頻圖來達到實驗的要求在硬件環(huán)節(jié)中，運用了比例環(huán)節(jié)和比例積分環(huán)節(jié)。（1）是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)

16、節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定（2）在比例積分環(huán)節(jié)中，比例環(huán)節(jié)始終存在，積分環(huán)節(jié)在剛開始作用不明顯，但隨著時間的推移，其作用逐漸增大，呈現(xiàn)出主要控制作用，通過消除系統(tǒng)輸出量的穩(wěn)態(tài)誤差，直至系統(tǒng)誤差消失。增大積分作用會增大系統(tǒng)的超調(diào)量，如果積分作用過強，將會致使信號發(fā)散，系統(tǒng)崩潰。（3）在PID（比例積分微分）控制中，由于微分環(huán)節(jié)的加入，可以很大的減小系統(tǒng)的上升時間和穩(wěn)定時間，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。微分作用增強，會使系統(tǒng)的超調(diào)量變小，同時動態(tài)響應時間也減小，最易達到最優(yōu)化控制。 實驗中，我們也從很多細節(jié)中暴露出自己的問題，然后通過互相討論與請教老師，對問題進行解決。比如，剛開始時我們把系統(tǒng)給定電壓值設定很高，而得到的輸出曲線結(jié)果不明顯甚至不能完成實驗。后來我們得知，在運放模塊中，模塊本身自帶一個限幅作用，我們把給定值設定很高后，剛開始系統(tǒng)誤差為最大值，通過比例環(huán)節(jié)放大系統(tǒng)誤差。一旦超過模塊限幅，無論如何調(diào)整參數(shù)，輸出曲線都不會發(fā)生變化。 一周的自控課程設計，我發(fā)現(xiàn)原來以前學的理論知識并不扎實，學的不靈活，要多動手實踐。我了解了P,I,PI,PD,PID等5種控制方式