自動(dòng)控制原理--溫箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)物調(diào)試

1、南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)題 目 溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 及實(shí)物調(diào)試 課 程 名 稱(chēng) 自動(dòng)控制原理 院 系 電力工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化 班 級(jí) 電力083 學(xué) 生 姓 名 張鄉(xiāng)農(nóng) 學(xué) 號(hào) 206081245 同 組 成 員 周沫、朱建、張鈴靈 設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn) 工程實(shí)踐中心8棟317 指 導(dǎo) 教 師 朱建忠 設(shè)計(jì)起止時(shí)間： 11年5月30日至11年6月2日 目 錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 31.1 課程設(shè)計(jì)的目的4 1.2 課程設(shè)計(jì)的題目及要求41.3 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求51.4 主要參考文獻(xiàn)51.5 學(xué)時(shí)分配61.6 成績(jī)考核辦法6溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)物調(diào)

2、試 1.溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 1.1軟件仿真單元 7 1.1.1 溫箱實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 7 1.1.2 MATLAB仿真溫箱實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 8 1.1.3 仿真分析 92.溫箱溫度控制系統(tǒng)的實(shí)物調(diào)試 12 2.1硬件調(diào)試單元 12 2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器 12 2.1.2 設(shè)計(jì)原理 12 2.1.3 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)心得 184.參考文獻(xiàn) 19南京工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 課 程 名 稱(chēng) 自動(dòng)控制原理 院（系、部、中心） 電力工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化 班 級(jí) 電力083

3、 姓 名 張鄉(xiāng)農(nóng) 學(xué) 號(hào) 206081245 起 止 日 期 2011.5.30至2011.6.2 指 導(dǎo) 教 師 朱建忠 1課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的1、通過(guò)溫箱溫度閉環(huán)仿真及實(shí)物調(diào)試熟悉課程設(shè)計(jì)的基本流程；2、掌握控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模；3、掌握控制系統(tǒng)性能的根軌跡分析或時(shí)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(biāo)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，并完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作；6、學(xué)會(huì)用MATLAB進(jìn)行基本仿真。2課程設(shè)計(jì)題目及要求設(shè)計(jì)要求1分析系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。2構(gòu)成開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，并分析器動(dòng)態(tài)響應(yīng)。3測(cè)出各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)及其時(shí)間常數(shù)。4對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)分析。5比較開(kāi)環(huán)時(shí)和

4、閉環(huán)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。6分析溫度閉環(huán)無(wú)差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并測(cè)其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和提出改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的方法，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿(mǎn)足%10%，0.1秒，靜態(tài)誤差小于2%。7. 采用某種校正方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。8對(duì)本課程設(shè)計(jì)提出新設(shè)想和新建議。3課程設(shè)計(jì)任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)、圖紙、實(shí)物樣品等要求課程設(shè)計(jì)任務(wù) （1）復(fù)習(xí)有關(guān)教材、到圖書(shū)館查找有關(guān)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(shè)計(jì)的要求和條件進(jìn)行認(rèn)真分析與研究，找出關(guān)鍵問(wèn)題。廣開(kāi)思路，利用已有 的各種理論知識(shí)，提出盡可能多的方案，作出合理的選擇。畫(huà)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(shí)現(xiàn) 搭建系統(tǒng)上的硬件電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。引入閉環(huán)控制，將設(shè)計(jì)好的控制策略實(shí)現(xiàn)其中，根據(jù)實(shí)際響應(yīng)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(xiàn)1、薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析.北京:清華大學(xué)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(shè)計(jì)與仿真.北京:電子工業(yè)出版社,2005.3、胡壽松.自動(dòng)控制原理.4版.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,2001.4、白繼平，徐德輝. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中國(guó)航海，2004（4）：77-80.5、徐亞飛，劉官敏，高國(guó)章等.溫箱溫度PID與

6、預(yù)測(cè)控制J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào).2004.8(28):554-557.5課程設(shè)計(jì)進(jìn)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(rèn)識(shí)系統(tǒng)構(gòu)成和原理分析數(shù)學(xué)建模控制策略研究和仿真實(shí)物接線和調(diào)試撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)及資料整理撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)及資料整理答辯6成績(jī)考核辦法1、考核方法：平時(shí)表現(xiàn)，設(shè)計(jì)成果，答辯表現(xiàn)。2、成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)表現(xiàn)30%，設(shè)計(jì)成果40%，答辯表現(xiàn)30%。教研室審查意見(jiàn)：教研室主任簽字： 年 月 日院（系、部、中心）意見(jiàn)：主管領(lǐng)導(dǎo)簽字： 年 月 日溫箱模型說(shuō)明設(shè)計(jì)題

7、目：溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)物調(diào)試設(shè)計(jì)目的：1. 加強(qiáng)對(duì)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，掌握工程設(shè)計(jì)的方法。2. 通過(guò)對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的單元,部件及系統(tǒng)的調(diào)試,提高實(shí)際技能,培養(yǎng)分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。3. 掌握應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方法。4. 培養(yǎng)編制技術(shù)總結(jié)報(bào)告的能力。設(shè)計(jì)設(shè)備：1、 ACCC型自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置2、 數(shù)字式萬(wàn)用表3、 示波器4、 MATLAB軟件設(shè)計(jì)任務(wù)：復(fù)習(xí)相關(guān)資料，到圖書(shū)館查找有關(guān)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(shè)計(jì)的要求和條件進(jìn)行摁鎮(zhèn)分析和研究，找出關(guān)鍵問(wèn)題。廣開(kāi)思路，利用已有的各種理論知識(shí)，提出盡可能多的方案，作出合理的選擇。畫(huà)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(shí)現(xiàn)搭建系統(tǒng)上的硬件電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。引入閉環(huán)控制，將設(shè)計(jì)好的控制策略實(shí)現(xiàn)其中，根據(jù)實(shí)際響應(yīng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)注：1.給定溫箱系統(tǒng)參數(shù)：放大系數(shù)K=4.4；過(guò)程時(shí)間常數(shù)T=340；純滯后時(shí)間=20。2.系統(tǒng)響應(yīng)要求：%<15%,ts<135s。 利用MATLAB軟件設(shè)計(jì)PID校正早在1942年，Ziegler與Nichols提出了一種使用的PID控制經(jīng)驗(yàn)公式，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式是基于帶有延遲的一階傳遞函數(shù)提出的。這樣的對(duì)象模型可以表示為在

9、實(shí)際的過(guò)程控制系統(tǒng)中，有大量的對(duì)象模型可以近似地由這樣的一階模型來(lái)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(yàn)提出相應(yīng)的參數(shù)，例如，如果可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)取對(duì)象模型的階躍響應(yīng)，則輸出信號(hào)可以由圖2中給出的草圖形狀來(lái)近似。這樣我們可以通過(guò)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(lái)求取參數(shù)。如果獲得了與的參數(shù)，則可以通過(guò)表1中給出的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)PID控制器。圖1.1帶有時(shí)間延遲的一階過(guò)程模型響應(yīng)圖表1 Ziegler-Nichols整定公式(第一種方法)控制器類(lèi)型由階躍響應(yīng)整定PPIPID從表1中可以看出，除了可以通過(guò)它設(shè)計(jì)PID控制器之外，我們還可以由同樣的模型參數(shù)設(shè)計(jì)出

10、P控制器和PI控制器。PID控制器公式：對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)只作用比例控制作用，如圖1.2中系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制框圖，輸出如圖1.3。圖1.2 開(kāi)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(shè)定如下圖：圖1.5 PI參數(shù)設(shè)定結(jié)果如下圖：1.6 結(jié)果圖二、硬件仿真2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器 1ACCC-I 型自動(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置。 2數(shù)字式萬(wàn)用表。 3示波器。圖2.1溫度控制系統(tǒng)框圖2.2 設(shè)計(jì)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(guò)PI運(yùn)算產(chǎn)生相應(yīng)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(dòng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)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(hào)，經(jīng)脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生占空比可調(diào)0100的脈沖信號(hào)，作為對(duì)加溫室里電熱絲的加熱信號(hào)。溫度測(cè)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(shí)際的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yàn)參數(shù)如下： R0=R1=R2=100K,R3=10K，R5=1M，C1=1F，Rf/Ri=2。（1） P功能測(cè)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(shí)的輸出曲線R4=1M時(shí)的輸出曲線結(jié)果分析：發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變Kp即R4的大小并不能使得最后的穩(wěn)定值到達(dá)給定的5V，而且隨著Kp的增大，誤差越來(lái)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(cè)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(shí)輸出曲線 C=1uf時(shí)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(dòng)態(tài)特性 緩慢，有延時(shí)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(qiáng)。并且C越大，積分容量越大，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。 I環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： T=R0C（3）PI功能測(cè)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(dá)到穩(wěn)定，并且達(dá)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(shè)計(jì)體會(huì)在這周的自動(dòng)控制原理的課程設(shè)計(jì)中，我們這一組所做的課題是溫箱控

14、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)物調(diào)試。開(kāi)始，我們通過(guò)對(duì)PID電路的各個(gè)環(huán)節(jié)的各性能的測(cè)試，并參考相關(guān)文獻(xiàn)，最終將控制器電路的設(shè)計(jì)選擇了PI環(huán)節(jié)。因?yàn)楫?dāng)控制器為比例積分環(huán)節(jié)時(shí)要比控制器僅僅為比例環(huán)節(jié)要好得多，這些優(yōu)勢(shì)均能在其所測(cè)出的各性能指標(biāo)上體現(xiàn)出來(lái)，響應(yīng)更快速并且更穩(wěn)定。所以，當(dāng)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(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)誤差時(shí)比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差，這時(shí)會(huì)有一適當(dāng)?shù)腒p，加入積分環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)積分時(shí)間是系統(tǒng)的響應(yīng)迅速使系統(tǒng)無(wú)殘差，能夠抗干擾。這次的課程設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識(shí)到，課程設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)?zāi)菢邮墙o定數(shù)值的，所以不同的參數(shù)值所達(dá)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(rèn)為的最佳情況。 在軟件環(huán)節(jié)，運(yùn)用MATLAB仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正，我們使用SISO系統(tǒng)設(shè)計(jì)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的參數(shù)，SISO系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具是用于單輸入單輸出反饋控制系統(tǒng)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的圖形設(shè)計(jì)環(huán)境。通過(guò)該工具，我們可以快速完成以下工作：利用根軌跡方法計(jì)算系統(tǒng)的閉環(huán)特性、針對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)Bode圖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、添加補(bǔ)償器的零極點(diǎn)、設(shè)計(jì)超前/滯后網(wǎng)絡(luò)和濾波器、分析閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)、調(diào)整系統(tǒng)幅值或相位裕度等。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)添加零極點(diǎn)、改變相頻、幅頻圖來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求在硬件環(huán)節(jié)中，運(yùn)用了比例環(huán)節(jié)和比例積分環(huán)節(jié)。（1）是按比例反應(yīng)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(guò)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(kāi)始作用不明顯，但隨著時(shí)間的推移，其作用逐漸增大，呈現(xiàn)出主要控制作用，通過(guò)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(huì)增大系統(tǒng)的超調(diào)量，如果積分作用過(guò)強(qiáng)，將會(huì)致使信號(hào)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(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。微分作用增強(qiáng)，會(huì)使系統(tǒng)的超調(diào)量變小，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間也減小，最易達(dá)到最優(yōu)化控制。 實(shí)驗(yàn)中，我們也從很多細(xì)節(jié)中暴露出自己的問(wèn)題，然后通過(guò)互相討論與請(qǐng)教老師，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決。比如，剛開(kāi)始時(shí)我們把系統(tǒng)給定電壓值設(shè)定很高，而得到的輸出曲線結(jié)果不明顯甚至不能完成實(shí)驗(yàn)。后來(lái)我們得知，在運(yùn)放模塊中，模塊本身自帶一個(gè)限幅作用，我們把給定值設(shè)定很高后，剛開(kāi)始系統(tǒng)誤差為最大值，通過(guò)比例環(huán)節(jié)放大系統(tǒng)誤差。一旦超過(guò)模塊限幅，無(wú)論如何調(diào)整參數(shù)，輸出曲線都不會(huì)發(fā)生變化。 一周的自控課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)原來(lái)以前學(xué)的理論知識(shí)并不扎實(shí)，學(xué)的不靈活，要多動(dòng)手實(shí)踐。我了解了P