計算機控制課程設(shè)計溫控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 200710202074課程設(shè)計說明書題 目：溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)學(xué)生姓名：學(xué) 院：電力學(xué)院系 別：自動化專 業(yè)：自動化班 級：指導(dǎo)教師：二一年一月十四日內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書課程名稱：計算機控制系統(tǒng)課程設(shè)計 學(xué)院：電力學(xué)院 班級： 自動化07-3班 學(xué)生姓名： 石鑫 學(xué)號： 200710202074 指導(dǎo)教師： 劉磊 李志明 一、題目溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)二、目的與意義通過本設(shè)計，學(xué)生可以加深對溫度控制這一過程系統(tǒng)建模、仿真、分析、控制策略設(shè)計及實現(xiàn)的理解，熟悉過程對象的控制特性，較好地掌握計算機控制系統(tǒng)的典型分析方法、基本設(shè)計方法及實現(xiàn)方

2、法，提高觀察、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，獲得科學(xué)研究的初步技能。三、要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計要求、圖紙量、工作量要求等）技術(shù)參數(shù):數(shù)據(jù)采集卡 中泰PCI-8333固態(tài)繼電器 過零型；輸入DC 324V；輸出AC 24240V；最大工作電流25A測溫元件 熱電偶分度號：K ，熱電阻分度號：Pt100溫度變送器輸出信號 420 mA電水壺 材質(zhì)：不銹鋼 ；額定電壓：AC 220V ；額定功率：1500W；容積：6L； 周長：73cm，高：20cm 普通示波器 數(shù)字萬用表 內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)水沸點：=95。工作內(nèi)容及要求:1、利用計算機控制技術(shù)畫出單輸入單輸出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3、工作原理圖。熟練應(yīng)用計算機控制技術(shù)知識分析系統(tǒng)和設(shè)計控制器2、熟悉課設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成認(rèn)識熟悉課設(shè)各種裝置和相關(guān)軟件，尤其熟悉被控對象水壺。閱讀設(shè)計中用到的實驗裝置的使用說明書，沒有說明書的自己上網(wǎng)查找（推薦百度文庫）；熟悉力控軟件；3、根據(jù)上兩步畫出本課設(shè)中所涉及的單輸入單輸出溫度控制系統(tǒng)控制框圖 4、溫控對象的數(shù)學(xué)建模熟悉兩種建模理論（實際課程沒有講解，但課本中間接提到，具體理論推薦百度文庫查找），機理建模，測試建模。掌握測試建模的方法。確定被控對象水壺的數(shù)學(xué)模型傳函中的參數(shù)。5、根據(jù)控制要求（性能指標(biāo)）和控制對象模型確定控制方案和控制策略及仿真首先確定溫度控制系統(tǒng)的控制方案，利用自動控制原理確定

4、控制策略。利用MATLAB編程計算確定控制器具體傳函，同時利用MATLAB進行仿真研究，看是否達到控制要求，不滿足重復(fù)第五步。6、控制實現(xiàn)結(jié)合本課程設(shè)計，利用熱工測量儀表知識，熟悉傳感器的選型，利用微機原理和總線接口知識，熟悉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中A/D和D/A 以及接口芯片的選型，利用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)以及電路知識，熟悉輔助電路設(shè)計，例如一些濾波，放大電路。利用自動控制原理離散系統(tǒng)知識熟悉控制器算法的實現(xiàn)，利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言熟悉采集卡的驅(qū)動工作，利用電傳動理論（溫度課程設(shè)計中沒有涉及到）和PLC軟繼電器和硬繼電器相關(guān)知識熟悉執(zhí)行機構(gòu)的選型（溫度課設(shè)中使用）。7、系統(tǒng)的構(gòu)建和實際系統(tǒng)的調(diào)試

5、用萬用表和示波器一步一步檢查物理連接，看看每一步連接輸出信號是否正確可靠，理論控制器參數(shù)通過仿真是否整定合理，開始調(diào)試系統(tǒng)，根據(jù)實際控制效果，重新調(diào)整控制器參數(shù)，看是否能達到控制要求。8、若沒有結(jié)果或達不到控制要求認(rèn)真檢查系統(tǒng)構(gòu)建的物理連接改變控制策略，改進控制算法（實際都是力控中實現(xiàn)）修改模型。重復(fù)以上4-7步驟。技術(shù)要求：電水壺內(nèi)熱水溫度控制在60100之間的任一溫度。設(shè)計成果要求： 所設(shè)計控制策略的仿真程序； 實物控制：實現(xiàn)電水壺內(nèi)熱水溫度在60100之間的任一溫度的定值控制； 控制策略的組態(tài)軟件實現(xiàn)程序，要求利用組態(tài)軟件畫出工藝流程圖、趨勢曲線等； 按統(tǒng)一規(guī)范格式，撰寫課程設(shè)計說明書。

6、四、工作內(nèi)容、進度安排2011-1-42011-1-6上午熟悉系統(tǒng)構(gòu)成，查資料，閱讀整理資料（要求有讀書筆記）2011-1-7 控制對象的數(shù)學(xué)建模。2011-1-102011-1-11控制策略設(shè)計、實現(xiàn)、仿真。2011-1-12系統(tǒng)組成，調(diào)試。2011-1-132011-1-14分析總結(jié)本次課程設(shè)計，提出進一步改進建議。認(rèn)真詳細(xì)撰寫課程設(shè)計說明書。上交仿真程序、組態(tài)軟件實現(xiàn)程序、課程設(shè)計說明書，驗收實物控制效果，答辯。五、主要參考文獻1.呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，20052方康玲主編.過程控制系統(tǒng).武漢：武漢理工大學(xué)出版社20023金以慧.過程控制.北京：清華大學(xué)出版社19934胡壽松.自動控

7、制原理.第四版.北京：科學(xué)出版社2001審核意見系（教研室）主任（簽字）指導(dǎo)教師下達時間 2011 年 1月 4 日指導(dǎo)教師簽字：_摘 要溫度控制系統(tǒng)是一種典型的過程控制系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有極其廣泛的應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)的對象存在滯后，它對階躍信號的響應(yīng)會推遲一些時間，對自動控制產(chǎn)生不利的影響，因此對溫度準(zhǔn)確的測量和有效的控制是此類工業(yè)控制系統(tǒng)中的重要指標(biāo)。溫度是一個重要的物理量，也是工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要工藝參數(shù)之一，物體的許多性質(zhì)和特性都與溫度有關(guān)，很多重要的過程只有在一定溫度范圍內(nèi)才能有效的進行，因此，對溫度的精確測量和可靠控制，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中就具有很重要的意義。本文闡述了過程控制

8、系統(tǒng)的概念，介紹了一種溫度控制系統(tǒng)建模與控制，以電熱水壺為被控對象，通過實驗的方法建立溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用了PID算法進行系統(tǒng)的設(shè)計，達到了比較好的控制目的。關(guān)鍵詞：溫度控制；建模；自動控制；過程控制；PIDAbstractIn industrial production with extremely extensive application,temperature control system is a typical process control system.Temperature control system has the larger inertia. It is th

9、e response signal to step off some of time.And it producesthe adverse effect to the temperature measurement.The control system is the important industrial control index. Temperature is an important parameters in the process of industrial production.Also it is one of the main parameters of objects, m

10、any properties and characteristics oftemperature, many important process only under certain temperature range can efficiently work.Therefore, the precise measurement of temperature control, reliable industrial production and scientific research has very important significance.This paper discusses th

11、e concept of process control system and introduces a kind of temperature control system .The electric kettle is the controlled object, PID algorithm is used for system design,through experience method to get the model of temperature control system and we can get the controlied response well.Keywords

12、：Temperature control; Mathematical modeling; Automatic control;Process control; PID目錄第一章概述1題目背景及應(yīng)用意義11.2 本文內(nèi)容及工作安排1第二章系統(tǒng)組成及被控對象分析（被控對象數(shù)學(xué)建模）3系統(tǒng)組成3被控對象分析（被控對象數(shù)學(xué)建模）5第三章控制策略設(shè)計及仿真研究11控制策略設(shè)計11仿真研究15第四章控制策略實現(xiàn)184.1 組態(tài)環(huán)境下控制策略編程實現(xiàn)184.2 力控軟件184.3運行結(jié)果分析20第五章總結(jié)22參考文獻23第一章 概述 11 題目背景及應(yīng)用意義在近四十年的時間里，電子計算機的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管

13、、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模集成電路這樣四個階段，尤其是隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的飛躍發(fā)展，七十年代初誕生了一代新型的電子計算機微型計算機，使得計算機應(yīng)用日益廣泛；目前，計算機應(yīng)用已滲透到各行各業(yè)，達到了前所未有的普及程度。一個由計算機技術(shù)為標(biāo)志，包括新材料、宇航、生物工程、海洋工程等多種學(xué)科在內(nèi)的新技術(shù)革命正在興起。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)有了更高的飛躍，我們現(xiàn)在完全可以運用計算機和溫度傳感器對某處進行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到實時溫度檢測和控制。溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用，因此,溫度控制系統(tǒng)是典型的控

14、制系統(tǒng)。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低 范圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，對溫度的測控方法多種多樣。不同的應(yīng)用部門對溫度控制系統(tǒng)品質(zhì)有不同的要求，并選用不同類型的調(diào)節(jié)器。如果精度要求不高，可采用兩位調(diào)節(jié)器，一般情況下多采用PID調(diào)節(jié)器。高精度溫度控制系統(tǒng)則常采用串級控制，串級控制系統(tǒng)由主回路和副回路兩個回路構(gòu)成，具有控制精度高、抗干擾性好、響應(yīng)快、動態(tài)偏差小等優(yōu)點，常用于干擾強且溫度要求精確的生產(chǎn)過程，如化工生產(chǎn)中反應(yīng)器的溫度控制。12 本文內(nèi)容及工作安排

15、1系統(tǒng)組成分析認(rèn)真閱讀設(shè)計中用到的實驗裝置的實用說明書，分析溫度控制系統(tǒng)的組成、工作原理、特性參數(shù)。2控制方案制定制定溫度控制系統(tǒng)的控制方案，包括采用何種控制策略控制、使用何種軟件環(huán)境實現(xiàn)、計劃達到何種控制效果。3溫控對象的數(shù)學(xué)建模建立電熱水壺的數(shù)學(xué)模型。4控制策略設(shè)計及仿真研究設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的控制策略，并在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真研究，得到較為滿意的結(jié)果。5控制策略實現(xiàn)將設(shè)計的控制策略在組態(tài)軟件下實現(xiàn)，同時實現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制、過程動畫組態(tài)等功能。課程說明書分五章對本次課設(shè)內(nèi)容進行系統(tǒng)闡述，第一章簡略描述了本次課設(shè)內(nèi)容“溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)”知識背景及應(yīng)用意義

16、，并對本次課設(shè)的工作內(nèi)容進行了詳細(xì)的介紹。第二章介紹了系統(tǒng)的基本組成以及被控對象的數(shù)學(xué)建模過程。第三章主要闡述設(shè)計控制策略或控制算法的全過程，闡述設(shè)計控制策略或控制算法設(shè)計好后，在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真模型建立、從仿真結(jié)果分析控制策略的性能、仿真中反映的一些問題及解決措施等主要內(nèi)容。第四章主要講述仿真驗證后的控制策略或控制算法在力控組態(tài)環(huán)境下的組態(tài)實現(xiàn)過程，對控制策略或控制算法在力控組態(tài)環(huán)境下的組態(tài)實現(xiàn)后，進行實物控制的結(jié)果分析。第五章對課設(shè)全過程進行總結(jié)和分析，進行梳理和整合。第二章 被控對象數(shù)學(xué)建模21 系統(tǒng)組成溫度控制系統(tǒng)的組成部件：電熱水壺-充當(dāng)被控對象；熱電偶-完成

17、壺內(nèi)溫度測試；固態(tài)繼電器-通過計算機輸出的控制信號使其通斷，進而使整個加熱系統(tǒng)工作或者停止；Pci8333板卡及計算機-整個控制系統(tǒng)的核心部分完成模數(shù)轉(zhuǎn)換及PID控制等。實驗實物圖如圖2-1所示。圖2-1 實驗實物圖1電熱水壺額定電壓：220V，額定功率：1500W，工作頻率：50Hz，直徑：24CM，容量：5L。2熱電偶熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)制成的一種測溫元件。它結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，使用方便，是應(yīng)用很廣泛的一種測溫元件。熱電偶由兩種不同成份的導(dǎo)體兩端經(jīng)焊接形成回路，直接測溫的一端叫工作端，另一端溫度保持一定叫冷端，亦稱參考端，因為兩種不同金屬的自由電子密度不同，當(dāng)兩種金屬接觸時在兩種金屬的交界

18、處，就會因電子密度不同而產(chǎn)生電子擴散，擴散結(jié)果在兩金屬接觸面兩側(cè)形成靜電場即接觸電勢差。這種接觸電勢差僅與兩金屬的材料和接觸點的溫度有關(guān)，和熱電極的長度、直徑無關(guān)，溫度愈高，金屬中自由電子就越活躍，致使接觸處所產(chǎn)生的電場強度增加，接觸面電動勢也相應(yīng)增高，熱電偶的熱電動勢將隨著測量端溫升增大。熱電偶產(chǎn)生的溫差電勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢造成的。熱電偶原理圖如圖2-2所示。圖2-2 熱電偶原理圖本設(shè)計采用WRNK-191型號的熱電偶，分度號為K，其中各字母和數(shù)字分別代表：W代表溫度儀表，R代表熱電偶，N代表測溫元件材料，即鎳鉻-鎳硅，K代表鎧裝式，1代表安裝固定形式無固定裝置，9

19、代表自由端帶補償導(dǎo)線，1代表工作端形式為絕緣式。在本設(shè)計中由于采用TC001溫度控制單元作為變送器，因為溫度控制單元本身已經(jīng)集成了冷端補償器，所以無須再額外增加補償線路。3固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器(SolidStateRelays,縮寫SSR)是一種無觸點電子開關(guān)，由分立元器件、膜固定電阻網(wǎng)絡(luò)和芯片，采用混合工藝組裝來實現(xiàn)控制回路與負(fù)載回路的電隔離及信號耦合，由固態(tài)器件實現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能，內(nèi)部無任何可動部件。雖然固態(tài)繼電器型號規(guī)格很多，但它們的工作原理基本相似。主要由輸入電路，驅(qū)動電路和輸出電路三部分組成。4中泰PCI-8333PCI-8333 多功能模入模出接口卡適用于提供了PCI 總線插槽

20、的PC系列微機，具有即插即用（PnP）的功能。其操作系統(tǒng)可選用目前流行的 Windows 系列、高穩(wěn)定性的Unix等多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW 等軟件環(huán)境。在硬件的安裝上也非常簡單，使用時只需將接口卡插入機內(nèi)任何一個PCI總線插槽中并用螺絲固定，信號電纜從機箱外部直接接入。PCI-8333 多功能模入模出接口卡安裝使用方便，程序編制簡單。其模入模出及I/O信號均由卡上的37芯D型插頭與外部信號源及設(shè)備連接。對于模入部分，用戶可根據(jù)實際需要選擇單端或雙端輸入方式。對于模出部分，用戶可根據(jù)控制對象的需要選擇電壓或電流輸出方式以及不同的量程。本卡上的A/D、D/A 轉(zhuǎn)換均為1

21、2位，同時還備有16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出接口，三路16位字長的計數(shù)/定時器，以及1Mhz 的基準(zhǔn)時鐘。本卡的A/D轉(zhuǎn)換啟動方式可以選用程序觸發(fā)、定時器自動觸發(fā)、外同步觸發(fā)等方式，轉(zhuǎn)換狀態(tài)可以用程序查詢，也可以用中斷方式通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 被控對象分析（被控對象數(shù)學(xué)建模）1過程控制系統(tǒng)建模方法在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量（或變量）之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。在靜態(tài)條件下，描述變量之間關(guān)系的代數(shù)方程叫靜態(tài)數(shù)學(xué)模型；而描述變量各階導(dǎo)數(shù)之間關(guān)系的微分方程叫動態(tài)數(shù)學(xué)模型。建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的首要工作。建立控制

22、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法有機理建模法和測試建模法。（1）機理建模法：對系統(tǒng)各部分的運動機理進行分析，根據(jù)它們所依據(jù)的物理規(guī)律或化學(xué)規(guī)律分別列寫相應(yīng)的運動方程。例如：基爾霍夫定律、牛頓定律、熱力學(xué)定律等。（2）測試建模法：人為的給系統(tǒng)施加某種測試信號，記錄其輸出響應(yīng)，并用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型區(qū)逼近。2系統(tǒng)機理建模本系統(tǒng)的被控對象是電熱水壺，通過對其加熱過程中熱量這一物理量的變化和轉(zhuǎn)移過程，確定其模型。由熱力學(xué)第一定律得：（2-1）式中，電熱水壺吸收的熱量；電熱水壺散發(fā)的熱量；給電熱水壺加熱的總能量根據(jù)熱力學(xué)知識，有下列關(guān)系：（2-2）（2-3）（2-4）式中，水的比熱容；水的升溫；電源電壓；k水壺散熱系數(shù)；

23、流過電熱水壺電流；總的導(dǎo)通時間聯(lián)立（2-1）、（2-2）、（2-3）和（2-4）得：（2-5）對（2-5）進行拉氏變換，得：（2-6）整理得傳遞函數(shù)：（2-7）假設(shè) ，整理（2-7）得：（2-8）考慮電熱水壺本身固有的延遲時間，得被控對象的傳遞函數(shù)：（2-9）3系統(tǒng)測試建模階躍響應(yīng)與脈沖響應(yīng)關(guān)系：（2-10）（2-11）y(t)為階躍響應(yīng)，g(t)為脈沖響應(yīng)。首先將y(t)轉(zhuǎn)化為無量綱形式y(tǒng)(t),即 y(t)=（2-12）其中y()是y(t)的穩(wěn)態(tài)值。此時有K=（2-13）其中，u為階躍輸入的幅值。 y(t)=（2-14）為了確定T和，選擇兩個時刻和和y(t)的坐標(biāo)值，其中 y()=（2-1

24、5） y()=（2-16）對上述兩式的兩端取自然對數(shù)，有（2-17）（2-18）聯(lián)立求解，可得 T=（2-19）（2-20）若選擇y()=0.39， y()=0.63，則可得 T=2() （2-21）=2（2-22）有上述兩式可以方便的求出時間常數(shù)T和被控對象的數(shù)學(xué)模型為： G(s)=（2-23）其中，是延遲時間為的純滯后環(huán)節(jié)。4數(shù)據(jù)采集 首先，在組態(tài)軟件力控5.0中，產(chǎn)生PWM脈沖波形克服水溫?zé)釕T性。將系統(tǒng)接成開環(huán)，即不在計算機中設(shè)定穩(wěn)態(tài)溫度。當(dāng)溫度升高到87度時，斷開電源。從初始溫度一直到最后溫度回落到初始值過程中每隔一度記錄一組數(shù)據(jù)，所得數(shù)據(jù)如表2-1所示：表2-1溫度（）時 間(S)溫

25、度（）時 間(S(溫度（）時 間(S)溫度（）時 間(S)溫度（）時 間(S)100372700325400278400231110014300363000315700278700231140018600363300316000269000221170022900353600306600269300211200026120035390030690025960021123003015003442002972002599002012600341800344500297500251020020129003821003348002878002410500201320037240032510028810

26、0241080020135005建立模型在力控組態(tài)環(huán)境下設(shè)定一個周期性的脈沖信號使固態(tài)繼電器周期性通斷，給電水壺加熱。如圖2-3所示。圖2-3 加入水壺的脈沖信號跟據(jù)測試建模原理，再輸入端施加周期性時鐘脈沖激勵，得到矩形脈沖響應(yīng)曲線，再根據(jù)階躍輸入與脈沖輸入的關(guān)系，即線性疊加定理，畫出階躍響應(yīng)曲線，從而求出對象的數(shù)學(xué)模型，階躍響應(yīng)曲線如圖2-4所示：圖2-4 階躍響應(yīng)曲線與脈沖響應(yīng)曲線由圖2-4和實驗數(shù)據(jù)可以得到：y()=95 y(0)=12PWM脈沖波形的占空比為0.8，可以得到脈沖輸入u ，即可以得到 K= =830首先將y(t)轉(zhuǎn)化為無量綱形式y(tǒng)(t),即y(t)=若選擇y()=0.39

27、， y()=0.63，則可得則有T=2()=4010；=2=35（2-24）（2-25）（2-26）（2-27）計算階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，并畫出其曲線，如圖2-3所示，求得數(shù)學(xué)模型： （2-28）第三章 控制策略設(shè)計及仿真研究3.1 控制策略設(shè)計前一章我們已經(jīng)對被控對象建立了數(shù)學(xué)模型，接下來則需對溫度對象進行控制算法的設(shè)計。在這里我們采用典型I型系統(tǒng)的設(shè)計法。1調(diào)節(jié)器設(shè)計基本思路作為工程設(shè)計方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，在選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)。這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、

28、快、抗干擾之間相互交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中在進一步滿足其他性能指標(biāo)。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，他的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已經(jīng)事先找到，具體選擇參數(shù)時只需按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了。2. 典型系統(tǒng)自動控制理論已證明，0型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的，而III型和III型以上系統(tǒng)很難穩(wěn)定的。因此，通常為了保證穩(wěn)定性和一定的穩(wěn)態(tài)精度，多用I型和II型系統(tǒng)。作為典型I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，而圖3-2 表示的它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。選擇它作為典型系統(tǒng)不僅是因為其結(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)

29、幅頻特性的中頻段為-20dB/dec的斜率穿越零分貝線，高頻段以-40dB/dec衰減，只要參數(shù)的選擇能夠保證足夠的中頻段寬度，系統(tǒng)就一定穩(wěn)定，且有足夠的穩(wěn)定余量。要做到這一點，應(yīng)該滿足：（3-1）（3-2）（3-3）相角裕度為：（3-4）圖3-1 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3-2 開環(huán)對數(shù)頻率特性由于被控對象模型的形式為： （3-5）與是可推得到： （3-6）所以控制算法為：（3-7）具體推導(dǎo)從圖3-3中也可看到 圖3-3 控制算法推導(dǎo)過程所以由上面推到可知： （3-8）PID控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)中對比例參數(shù),積分時間常數(shù)以及微分時間常數(shù)這三個參數(shù)的調(diào)整。PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計

30、的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類： 一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，在工程實際中被廣泛采用。PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。下面對本設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)的PID參數(shù)進行整定，在測試建模中得到

31、了被控對象的傳遞函數(shù)： 由于延遲時間相對于時間常數(shù)來說比較小，所以系統(tǒng)的延時時間可以忽略，故系統(tǒng)的的傳遞函數(shù)可以簡略為：由于被控對象的傳遞函數(shù)的極點十分靠近原點，使系統(tǒng)的阻尼增大，峰值時間滯后，超調(diào)量減小，由于極點過于小會增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，所以我們決定將其極點要控制器中的零點將其抵消，我們期望的系統(tǒng)的相角裕度為50度左右，超調(diào)量控制在15%左右，調(diào)節(jié)時間定為300秒左右，根據(jù)自控知識我們算出控制器的傳遞函數(shù)， 最終的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （3-9）最終的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如上圖3-4所示，最終的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖3-5所示。圖3-4 最終的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3-5 最終的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 仿真研究控制算法如

32、上節(jié)設(shè)計所示，根據(jù)設(shè)計好的控制算法在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立仿真模型。MATLAB是矩陣實驗室的簡稱，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和SIMULINK兩大部分。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。SIMULINK是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。SIMULI

33、NK可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。SIMULINK提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。所以我們采用這種方法實現(xiàn)控制系統(tǒng)的仿真。仿真模型建立的基本步驟如下：啟動MATLAB， 在MATLAB的命令窗口中輸入SIMULINK，即打開SIMULINK的模塊庫，再在模塊庫中選擇所需要的模塊，如信號源庫中的STEP模塊，傳遞函數(shù)模塊，示波器模塊等。根據(jù)上面所得到的數(shù)學(xué)模型按照要求把各個模塊組合起來，如圖3-6所示為建立好的仿真模型。其中Transport Delay模塊的延遲時

34、間設(shè)置為35秒。圖3-7所示為系統(tǒng)仿真結(jié)果。圖3-6 所示為建立好的仿真模型圖3-7 所示為系統(tǒng)仿真結(jié)果根據(jù)以上的內(nèi)容得到模塊。在matlab中的simulink中建立仿真模型如圖3-8所示。圖3-8 在matlab中的simulink中建立仿真模型從帶純滯后補償?shù)臄?shù)字PID控制仿真曲線可以看出，其大大抑制了超調(diào)，達到了很好的控制效果。利用文中所提的溫度控制算法，系統(tǒng)的輸出經(jīng)過短時的震蕩后趨于穩(wěn)定在設(shè)定溫度值，達到了溫度調(diào)節(jié)的目標(biāo)，而且通過調(diào)節(jié)控制器參數(shù)可使得溫度控制性能得到一定的改善。本文設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)只能提供較常規(guī)的開關(guān)量溫度控制系統(tǒng)的基本性能，如能采用可調(diào)參數(shù)自適應(yīng)控制方法，有望進一

35、步提高系統(tǒng)性能。 第四章 控制策略實現(xiàn)41 組態(tài)簡介在工業(yè)控制等領(lǐng)域中，特別是在集控室內(nèi)，經(jīng)常可以看到電腦屏幕中各種各樣的動態(tài)圖形界面，我們通過這些動態(tài)界面，利用計算機來實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)狀態(tài)變化，及時調(diào)整設(shè)備參數(shù)，使其能夠運行在合理的范圍之內(nèi)。這大大簡化了工作過程中的復(fù)雜性，也方便工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。而這些內(nèi)容就需要依靠組態(tài)軟件的功能來予以實現(xiàn)。下面將就組態(tài)軟件的常規(guī)特點、功能、任務(wù)，以及本課題將要使用的力控組態(tài)軟件為基礎(chǔ)來詳細(xì)闡述力控組態(tài)軟件在溫控系統(tǒng)開發(fā)過程中的應(yīng)用。力控軟件包括：工程管理器、人機界面VIEW、實時數(shù)據(jù)庫DB、IO驅(qū)動程序、控制策略生成器以及各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件等。在溫

36、控系統(tǒng)中，組態(tài)軟件的主要任務(wù)包括：（1）設(shè)計一個動態(tài)界面，這里會包括各種圖案，比如控制對象、加熱裝置、熱電阻、開關(guān)等等，從而達到一個直觀的效果。（2）利用組態(tài)軟件中的實時數(shù)據(jù)庫定義溫控系統(tǒng)中的各個參數(shù)變量，比如下載電壓的控制量、溫度采集值、以及各種在程序腳本中要應(yīng)用到的變量等等。這些數(shù)據(jù)參數(shù)將會通過組態(tài)軟件的FO接口和加熱裝置進行連接，并進行數(shù)據(jù)傳送。（3）組態(tài)軟件還可以提供溫度、電壓采集所需要的模塊，模塊將控制對象的溫度參數(shù)采集，并通過IO接口傳送到計算機中；對于下載電壓控制量來說，正好相反，是將手動或者自動操作計算出來的控制量通過相應(yīng)模塊傳遞到被控對象，進行有效地溫度控制。（4）組態(tài)軟件還

37、需要負(fù)責(zé)對控制器的參數(shù)整定，以便于提高溫度控制的效率。這就需要對組態(tài)軟件的控制算法進行編程設(shè)計，以實現(xiàn)符合實際意義的控制效果。（5）在監(jiān)控溫度變化的過程中，還需要時刻觀察實時溫控曲線、歷史曲線以及數(shù)據(jù)歷史報表。而力控組態(tài)軟件的一個重要任務(wù)就是通過建立一系列的曲線圖來獲取大量的實驗數(shù)據(jù)，有助于了解控制過程、掌握控制規(guī)律。42 力控軟件在力控組志軟件中進行設(shè)計與開發(fā)一個系統(tǒng)的基本步驟：首先是建立數(shù)據(jù)庫點參數(shù)，對點參數(shù)進行數(shù)據(jù)連接；其次建立窗口監(jiān)控面面，對監(jiān)控畫面里的各種圖元對象建立動畫連接；然后編制腳本程序進行分析曲線、報警、報表制作便完成了一個簡單的組態(tài)開發(fā)過程。系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計如圖：溫控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)主控制界面歷史報表歷史曲線實時曲線轉(zhuǎn)換鍵設(shè)置歷史數(shù)據(jù)報表電壓歷史曲線溫度歷史曲線溫度實時曲線電壓實時曲線開關(guān)設(shè)置溫度表設(shè)置圖4-1 系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖根據(jù)上圖的設(shè)計原理，利用力控軟件開發(fā)平臺構(gòu)建溫度控制平臺。首先打開力控軟件，新建一個應(yīng)用，如圖4-2所示。圖4-2 新建應(yīng)用 進入開發(fā)系統(tǒng)后，新建一個窗口，構(gòu)建一個溫控平臺實時