烤箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、蘇州市職業(yè)大學(xué)2014 2015學(xué)年第1學(xué)期試卷MATLAB：程應(yīng)用（分散 A卷開卷設(shè)計(jì)）出卷入 宋秦中 出卷入所在學(xué)院電子信息工程學(xué)院 使用班級12電子1,12電子2得分評卷人1.汽車運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；班級12應(yīng)用電子技術(shù)1 學(xué)號127303110姓名 施曉蓉題號一二三四五六七八九十總分得分一、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)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)

2、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: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)一個基于MA TLAB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

3、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 4 頁，共 21 頁第二章 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 MA TLAB 的使用方法進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和并熟練運(yùn)用MA TLAB 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

4、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20C-250C。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

5、表明:電加熱裝置是一個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：STK- seTS 1(2-1)式(2-1)中K-對象的靜態(tài)增益T-對象的時間常數(shù).對象的純滯后時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)8-9公式確定近似傳遞函數(shù)。給定輸入階躍信號250C,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

6、烤箱模型的溫度數(shù)據(jù)時間t(m)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5溫度T(C)20315278104126148168182198210225238250實(shí)驗(yàn)測得的烤箱溫度數(shù)據(jù)Cohn-Coon公式如下:K-AC/ MT =1.5(t0.632 一b.28)(2-2)1,、一 1.5(t0.28 一 t0.632 ) 3 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0.28/XC時的時間(分) t0.632-對象飛升曲線為 0.632A C時的時間(分) 從而求得 K=0.92, T=144s ,r =30s所以電烤箱模型為：G(

7、S)=0.92e,0s144s 12.2.2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10o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，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

8、統(tǒng)的參數(shù)的時候，便最適合用PID控制技術(shù)。比例、積分、微分1比例V0(t)Vi(t)R2R1V0（t）R2R1Vi(t)(2-3)第10頁，共21頁2積分器1/SCV0V0(t)SCVi(t)RiSCRCRiSV0(t)V0CR11ViVidt(2-4)(t)CR1V0(t)V0SC-CR2SV(t)dVi(2-5)V 0(t) - - CR2()dt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)系在時域中如公式（2-6）和（2-7）:u(t) = Kp(e +Td det +e(t)dt(2-6)dt TiKi cKd

9、U(s)=Fp+KdSE(s)(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Kp、KKd分別控制器的比例、積分、微分系數(shù)P、P 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)于時間的積分，隨時間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很 小，

10、積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大， 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，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

11、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 11 頁，共 21 頁第三章 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

12、下，過程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會隨時間和工作環(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Rel

13、ay feedback一樣網(wǎng)。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 feed

14、back、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。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)整法命令+圖 3-3 Relay feedback 調(diào)整法如上圖3-3所示，將PID控制器改成Relay,禾J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)時的震蕩周期及臨界增益（Tu及Ku）,在用下表3-1的Ziegler-Nicho

15、ls第一個調(diào)整法則建議PID調(diào)整值，即可算出 該系統(tǒng)之K p、下、Tv之值。表3-1 Ziegler-Nichols第一個調(diào)整法則建議PID調(diào)整值ControllerKpTiTdP0.5KuPI0.45Ku0.83TuPID0.6Ku0.5Tu0.125Tu3.2.2 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± 1做模擬），如下圖3-5所示。I >b.IFunction Bfock

16、Parameters: RelayFsiayCut put theor ： off' value br ccapar ins the input to thespecifiej thresholds.on.off state zf tht relar 三三 not affected brinput between the upper and icwer limits.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取彳4Tu及a,帶入公式3-1,計(jì)算出K u。以下為Relay feedback臨界震蕩 增益求法Ku4 d=x 二

17、a(3-1)a :振幅大小d :電壓值3.2.3 在線調(diào)整法命令+圖3 7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，這時的P值為臨 界震蕩增益K 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用接電流表，即可觀察所 調(diào)出的P值是否會震蕩，雖然比較上一個 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)

18、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所示第22頁，共21頁P(yáng)ID方塊圖內(nèi)為:圖3-8反饋方塊圖圖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，震蕩時的Kp即為

19、臨界增益Ku,震蕩周期即為Tv （使在線調(diào)整時，不用看a求Ku）,如下圖3-11所示：2Q 5101520253035404550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K 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-N

20、ichols第二個調(diào)整法求出PID值，如下表3-2所小。表3-2 Ziegler-Nichols第二個調(diào)整法則建議PID調(diào)整值controlle rKpTiTdp1 api0.9 0.6 *'a：( a )3.3LPID1.2 0.9 *()2LL2為本專題將經(jīng)驗(yàn)公式修正后之值上表3-2為延遲時間。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L _ aT" K aL aT"-L (K a)-aLaLf c、=a = K 父（3-2） T"-LKT&quo

21、t;-L用Ziegler-Nichols第一個調(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 MATLA歆件去做系統(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

22、PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在圖中的PID模塊中對三個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定， 在Transport Delay模塊中設(shè)定滯后 時間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, K=0.02, K=0 當(dāng)給定值為100和150時，得到仿真結(jié)果分別如下：3-15給定彳！為100時的響應(yīng)曲線3-16給定彳！為150時的響應(yīng)曲線圖3-15為給定值為100時的響應(yīng)曲線，圖3-16為給定值為150時的響應(yīng)曲線, 由這兩個圖可以計(jì)算出可見性能指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間ts =200s,超調(diào)量6%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+50的干擾（暫態(tài)干擾），如下圖所 示: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:16