烤箱溫度控制系統(tǒng)設計

1、題號一二三四五六七八九十總分得分得分評卷人一、 設計題（滿分100分）請在以下題目中任選一項完成設計1. 汽車運動控制系統(tǒng)設計；2. 電烤箱溫度控制系統(tǒng)設計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)的設計與仿真7. 自選測控項目（給出你自選的題目）8. 本份試題選取項目為： 電烤箱溫度控制系統(tǒng)設計 附評分細則：評分標準本設計試題得分情況設計報告內(nèi)容清楚，格式正確（30%）程序設計合理（20%）結(jié)果調(diào)試正確（30%）態(tài)度與團隊合作情況（20%）MATLAB工程應用期末考試設計報告第一章 概述本次課題的主要內(nèi)容是

2、通過對理論知識的學習和理解的基礎上，自行設計一個基于MATLAB技術(shù)的PID控制器設計，并能最終將其應用于一項具體的控制過程中。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)部分的設計其中包含系統(tǒng)辨識、系統(tǒng)特性圖、系統(tǒng)辨識方法的設計和選擇。(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) 將此次設計過程中完成的PID控制器應用的相關(guān)的實例中，體現(xiàn)其控制功能（初步計劃為溫度控制器）第二章 調(diào)試測試2.1進度安排和采取的主要措施：前期：1、對于MATLAB的使用方法

3、進行系統(tǒng)的學習和并熟練運用MATLAB的運行環(huán)境，爭取能夠熟練運用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)，深入進行理論分析，并同步學習有關(guān)PID控制器設計的相關(guān)論文，對其使用的設計方法進行學習和研究。 3、查找相關(guān)PID控制器的應用實例，尤其是溫度控制器的實例，以便完成最終的實際應用環(huán)節(jié)。中期：1、開始對PID控制器進行實際的設計和開發(fā)，實現(xiàn)在MATLAB的環(huán)境下設計PID控制器的任務。 2、通過仿真實驗后，在剩余的時間內(nèi)完成其與實際工程應用問題的結(jié)合，將其應用到實際應用中（初步計劃為溫度控制器）。后期：1、完成設計定稿。 2、打印以及答辯工作地準備。2.2被

4、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 20-250。設計目的是要對它的溫度進行控制，達到調(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。理論分析和實驗結(jié)果表明: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)學模型。所以， 電烤箱模型的傳遞函數(shù)為： （2-1） 式（2-1）中 K-對象的靜態(tài)增益T-對象的時間常數(shù)-

5、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，然后由階躍響應曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫恩（Cohn-Coon）公式確定近似傳遞函數(shù)8-9。 給定輸入階躍信號 250，用溫度計測量電烤箱的溫度，每半分鐘采一次點，實驗數(shù)據(jù)如下表 2-1： 表 2-1 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()20315278104126148168182198210225238250 實驗測得的烤箱溫度數(shù)據(jù) Cohn-Coon公式如下： (2-2)M-系統(tǒng)階躍輸入；C-系統(tǒng)的輸

6、出響應 t0.28-對象飛升曲線為0.28C時的時間（分） t0.632-對象飛升曲線為 0.632C時的時間（分）從而求得K=0.92, T=144s , =30s 所以電烤箱模型為： 控制策略 將感測與轉(zhuǎn)換輸出的訊號與設定值做比較，用輸出信號源（2-10V或4-20mA）去控制最終控制組件。在過程實踐中，應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10。 當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其他設計技術(shù)難以使用，系統(tǒng)得到

7、控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID最為方便。即當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2-1 比例電路 （2-3） 2 積分器2-2 積分電路 （2-4） 3 微分器2-3 微分控制電路 （2-5） 實際中也有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）： （2-6） （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、分別控制器的比例、積分、微分

8、系數(shù)。P、I、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”。積分項對誤差取關(guān)于時間的積分，隨時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項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)進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差

9、。 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該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，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，甚至為負數(shù)，從而避免了被控制量的嚴重的沖過頭。

10、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、易于實現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點，在本設計中對于電烤箱的溫控系統(tǒng)我們選擇PID進行控制。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)的設定。在實際應用中，許多被控過程機理復雜，具有高度非線性、時變不確定性和純滯后等特點。在噪聲、負載擾動等因素的影響下，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)學模型，并且PID參數(shù)能夠在線調(diào)整，以滿足實時控制要求。3.1 PID參數(shù)整定

11、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：實際系統(tǒng)中在PID控制器輸出電流信號裝設電流表，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Relay feedback一樣9。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PID調(diào)整方式有轉(zhuǎn)移函數(shù)

12、無轉(zhuǎn)移函數(shù)系統(tǒng)辨識法波德圖根軌跡Relay feedback在線調(diào)整圖3-1 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)因為不知轉(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 feedback、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。圖3-2

13、由系統(tǒng)辨識法辨識出轉(zhuǎn)移函數(shù)3.2針對無轉(zhuǎn)移函數(shù)的PID調(diào)整法 在一般實際系統(tǒng)中，往往因為過程系統(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。 Relay feedback調(diào)整法圖3-3 Relay feedback調(diào)整法 如上圖3-3所示，將PID控制器改成Relay，利用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u），在用下表3-1的Ziegler-Nichols第一個調(diào)整法則建議PID調(diào)整值，即可算出該系統(tǒng)之p、Ti、Tv之值。表3-1 Ziegler-Nichols第一

14、個調(diào)整法則建議PID調(diào)整值ControllerP0.5PI0.450.83PID0.60.50.125 Relay feedback 在計算機做仿真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 ±做模擬），如下圖3-5所示。圖3-5 參數(shù)設置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:取得Tu及a，帶入公式3-1，計算出u。以下為Relay feedback臨界震蕩增益求法

15、（3-1）：振幅大?。弘妷褐翟诰€調(diào)整法圖37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v，之后震蕩周期也可算出來，只不過在線調(diào)整實務上與系統(tǒng)仿真差別在于在實務上處理比較麻煩，要在PID控制器輸出信號端在串接電流表，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)驗而言在實務上線上調(diào)整法效果會較Relay feedback 差，在線調(diào)整法也可在計算機做出仿真調(diào)出PID值，可是前提之下如果在計算機使用在

16、線調(diào)整法還需把系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)辨識出來，但是實務上與在計算機仿真相同之處是PID值求法還是需要用到調(diào)整法則Ziegler-Nichols經(jīng)驗法則去調(diào)整，與Relay feedback的經(jīng)驗法則一樣，調(diào)出PID值。在線調(diào)整法在計算機做仿真 Step 1:以MATLAB里的Simulink繪出反饋方塊，如下圖3-8所示圖3-8反饋方塊圖PID方塊圖內(nèi)為：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-

17、11所示：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p、Ti，Td之值。3.3 針對有轉(zhuǎn)移函數(shù)的PID調(diào)整方法系統(tǒng)辨識法圖3-12由系統(tǒng)辨識法辨識出轉(zhuǎn)移函數(shù) 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)在計算機仿真求出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，之后應用系統(tǒng)辨識的經(jīng)驗公式Ziegler-Nichols第二個調(diào)整法求出PID值， 如下表3-2所示。表3-2 Ziegler-Nichols

18、第二個調(diào)整法則建議PID調(diào)整值controllerPPI()*3.3LPID()*2L 為本專題將經(jīng)驗公式修正后之值 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求得圖3-13利用三角比例法求出a值 （3-2） 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。波德圖法及根軌跡法利用系統(tǒng)辨識出來的

19、轉(zhuǎn)移函數(shù)，使用MATLAB軟件去做系統(tǒng)仿真。由于本設計中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)進行設定，在Transport Delay模塊中設定滯后時間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，KI=0.02，KD=0 當給定值為100和150時，得到仿真結(jié)果分別如下： 3-15 給定值為100時的響應曲線3-16 給定值為150時的響應曲線圖3-15為給定值為100時的響應曲線，圖3-16為給定值為150時的響應曲線，由這兩個圖可以計算出可見性能指標為: 調(diào)節(jié)時間ts =200s，超調(diào)量%約為10%，穩(wěn)態(tài)誤差 ess = 0。 在本設計中， 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：3-17 干擾曲線圖3-18是在Simulink中創(chuàng)建的帶干擾的