1、電氣工程與自動化學院控制基礎課程實踐報告（控制基礎課程實踐）題 目：基于PID的爐溫控制系統(tǒng)設計與仿真專業(yè)班級：自動化101班學 號：20101757學生姓名：艾文鵬指導老師：楊國亮老師2012年12月24日目錄摘 要0第一章 緒 論11.1 課題背景及意義11.2 MATLAB GUI在控制系統(tǒng)中的應用11.3 本文工作簡述2第二章 PID控制器的設計32.1 PID控制原理與程序流程32.1.1 模擬PID調(diào)節(jié)器32.1.2 數(shù)字PID控制器42.1.3 PID算法的程序流程42.2 微分先行PID控制器52.3 電阻爐系統(tǒng)數(shù)學模型的建立6第三章 GUI圖形用戶界面設計83.1 MATLA

2、B的GUI的界面設計83.2 GUI界面的建立8第四章 系統(tǒng)仿真性能的研究144.1 基于Sumilink的PID仿真144.2 微分先行和輸入濾波PID 控制算法144.3 系統(tǒng)性能測試15參考文獻18致謝1922摘 要PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強等特點，是迄今為止最穩(wěn)定的控制方法。它所涉及的參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整，并為工程界所熟悉，因而在工業(yè)過程控制中得到了廣

3、泛應用。從實際需要出發(fā)，一種好的PID控制器參數(shù)整定方法，不僅可以減少操作人員的負擔，還可以使系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)。因此，對PID控制器參數(shù)整定法的研究具有重要的實際意義。本文介紹了PID控制技術(shù)的發(fā)展歷史和研究進展。分析了傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字PID控制算法，并對傳統(tǒng)的PID控制算法進行微分項和積分項的改進，學習了幾種比較普遍運用的方法，如不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法等。利用MATLAB環(huán)境中圖形界面的設計技術(shù)構(gòu)建線性系統(tǒng)仿真教學軟件，其特點是可通過系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型對時域及頻域的響應進行系統(tǒng)分析，并且可以進行PID控制算法，在學習的基礎上，微分先行PID控制器，使得系統(tǒng)暫態(tài)性

4、能和穩(wěn)態(tài)性能較好，在調(diào)節(jié)時間、抑制超調(diào)量、穩(wěn)定性都要好。關(guān)鍵詞：PID控制；圖形界面；魯棒性；控制算法；微分先行第一章 緒 論1.1 課題背景及意義然而近年來隨著熱處理工藝廣泛應用于加工過程,熱處理中溫度的控制精度和控制規(guī)律的優(yōu)劣直接影響到熱處理工藝的好壞。電阻爐是熱處理工藝中應用最多的加熱設備,研究電阻爐溫度控制方法具有重要意義。工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用工業(yè)爐，如在冶金、化工等工礦企業(yè)以及賓館、學校、商場等公共場所。當前，電阻爐溫度控制的主要問題是：由于電阻爐是一個特性參數(shù)隨爐溫變化而變化的被控對象，爐溫控制具有單向性、大慣性、大滯后、時變性的特點。例如，其升溫單向性是由于電阻爐的升溫、保溫是依靠

5、電阻絲加熱，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻，當其溫度一旦超調(diào)就很難用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學方法建立精確的模型和確定參數(shù)。通過調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd來實現(xiàn)對電阻爐的溫度控制。當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，爐溫將穩(wěn)定在給定值上，從而實現(xiàn)了電阻爐的溫度控制。其目的是：利用現(xiàn)有的設備來實驗，去了解要實現(xiàn)一個控制系統(tǒng)，它所需的最基本的思想、過程以及解決問題的思維方法。制作一個MATLAB GUI界面來實時觀察，也可作為自控原理、過程控制系統(tǒng)輔助設計和分析的工具。可以幫助全面、深入、細致地掌握控制系統(tǒng)的分析、設計及控制器整定的基本步驟和方法。參與改變模型參數(shù), 進行仿真分析

6、, 觀察不同仿真結(jié)果, 當模型參數(shù)變化時,仿真曲線的變化能夠同時看到。本課題以目前國際上流行的MATLAB語言為開發(fā)工具，研究并實現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真軟件，充分利用了MATLAB提供的強大功能。1.2 MATLAB GUI在控制系統(tǒng)中的應用MATLAB是控制系統(tǒng)計算機輔助分析與設計的一個卓越平臺，具有開放的環(huán)境、功能極強的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、各種工具箱以及像“草稿紙”一樣的工作空間等許多優(yōu)點，為控制工程基礎的教學提供了一個連續(xù)的、有實用價值的工具。但命令繁多，分析起來過于零散，難于對控制系統(tǒng)的性質(zhì)有個整體的掌握，困此編制一個輔助教學工具箱是必要的。在MATLAB開發(fā)平臺中，有可視化編程能力

7、很強的圖形用戶界面GUI，設計相應的控制系統(tǒng)輔助課程教學工具箱是完全可行的。借助 MATLAB語言有中具有可視化編程能力很強的圖形用戶界面GUI，構(gòu)建控制系統(tǒng) CAI課程教學應用軟件的使用環(huán)境，開發(fā)出操作簡捷，形式靈活，界面友好，實用性強的人機對話窗口，提供一個方便的軟件操作平臺，計算機輔助分析與設計得到簡化，同時也能提高學生動手分析與設計系統(tǒng)的主動性和創(chuàng)造性。 使用本軟件教學系統(tǒng)，除了控制系統(tǒng)模型的參數(shù)設置通過鍵盤輸入以外，其他的全部工作都只需用鼠標選擇菜單的操作來完成，且無需任何編程操作。1.3 本文工作簡述第一章 介紹 MATLAB 語言在自動控制系統(tǒng)仿真中應用的意義以及它的發(fā)展和應用。

8、第二章 介紹控制系統(tǒng)的基本理論，PID控制器的設計（包括PID控制）。第三章 對MATLAB GUI進行介紹，了解它的特點、功能及應用。詳細論述控制系統(tǒng)仿真軟件的設計原理、思路、步驟、方法。第四章 通過控制系統(tǒng)仿真軟件對具體實例進行仿真，系統(tǒng)仿真性能的研究，完善其功能，使之符合要求。第二章 PID控制器的設計2.1 PID控制原理與程序流程2.1.1 模擬PID調(diào)節(jié)器一、模擬PID控制系統(tǒng)組成，如圖2.1.1 圖2.1.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖二、模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(

9、D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。 1、PID調(diào)節(jié)器的微分方程 （2-1） 式中 2、PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù) （2-2）三、PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1、比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。3、微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。2.1.2 數(shù)字PID控制器一、模擬PID控制

10、規(guī)律的離散化，如表2.1.2所示模擬形式離散化形式表2.1.2 模擬PID控制規(guī)律的離散化二、數(shù)字PID控制器的差分方程 （2-3）式中 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項三、常用的控制方式1、P控制 2、PI控制 3、PD控制 4、PID控制 四、PID算法的兩種類型 1、位置型控制 （2-4） 2、增量型控制 （2-5）2.1.3 PID算法的程序流程一、 增量型PID算法的程序流程1、增量型PID算法的算式 （2-6）式中， （2-7）2、增量型和位置型PID算法的程序流程，如圖2.1.3所示 圖2.1.3 增量型和位置型PID算法的程序流程二、位置型PID算法的程序流程 1、位置型的遞

11、推形式 （2-8） 2、位置型PID算法的程序流程只需在增量型PID算法的程序流程基礎上增加一次加運算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。三、對控制量的限制1、控制算法總是受到一定運算字長的限制2、執(zhí)行機構(gòu)的實際位置不允許超過上(或下)極限 2.2 微分先行PID控制器一、微分先行PID控制算法的基本原理微分先行是把對偏差的微分改為對被控量的微分，這樣，在給定值變化時，不會產(chǎn)生輸出的大幅度變化。而且由于被控量一般不會突變，即使給定值已發(fā)生改變，被控量也是緩慢變化的，從而不致引起微分項的突變。微分項的輸出增量為 （2-9）相對于普通PID控制算法來說微分先行PID算法的實質(zhì)是

12、將微分運算提前進行。微分運算有兩種結(jié)構(gòu)一種是對輸出量的微分如圖2.2.1(a)所示另一種是對偏差的微分如圖2.2.1(b)所示。2.2.1(a)對輸出量先行微分PID算 2.2.1（b）對偏差量先行微分PID算法如圖2.2.1 (a)所示只對輸出量進行微分它適用于給定量頻繁升降的場合可以避免升降給定值時所引起的超調(diào)量過大輸出動作過分劇烈振蕩。圖2.2.1 (b)展示的結(jié)構(gòu)是對偏差值先行微分它對給定值和偏差值都有微分作用適用于串級控制的副控制回路。因為副控制回路的給定值是由主控回路給定也應對其作微分處理因此應該在副控制回路中采用偏差PID控制。而通常所說的“微分先行”PID主要是指第一種方式即對

13、輸出量進行微分。2.3 電阻爐系統(tǒng)數(shù)學模型的建立通常電阻爐的溫度控制可用以下模型定性描述 （2-10）式中： X-電阻爐內(nèi)溫升(指爐內(nèi)溫度與室溫溫差)；K-放大系數(shù)；-純滯后時間；t-加熱時間；T-時間系數(shù)；V-控制電壓理論分析和實驗結(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，電阻爐溫度模型的傳遞函數(shù)為 （2-11）其中，K，T，分別為對象模型的靜態(tài)增益、純滯后時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)，s為復變量。l)靜態(tài)增益K放大系數(shù)K又稱為放大系數(shù)，是被控對象

14、重新達到平衡狀態(tài)時的輸出變化量和輸入變化量之比，它是不隨時間變化的量。在相同的輸入變化作用下，被控對象的K越大，輸出變化量就越大，即輸入對輸出的影響越大，被控對象的自身穩(wěn)定性越差;反之，K越小，被控對象的穩(wěn)定性就越好。2)滯后時間T在過程控制中，很多被控對象在受到輸入變量的作用以后，其被控量并不立即發(fā)生改變，而是經(jīng)過一定時間才發(fā)生變化，這就是滯后現(xiàn)象，滯后時間下是描述這種現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)。3)時間常數(shù)時間常數(shù)反映了被控對象受到輸入作用以后，輸出變量達到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個動態(tài)過程的長短，是被控對象的動態(tài)特性參數(shù)。第三章 GUI圖形用戶界面設計3.1 MATLAB的GUI的界面設計MATL

15、AB可以創(chuàng)建圖形用戶界面GUI（GraphicalUserInterface），它是用戶和計算機之間交流的工具。MATLAB將所有GUI支持的用戶控件都集成在這個環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為響應方式的設置方法，隨著版本的提高，這種能力還會不斷加強。由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象(Ob2ject)構(gòu)成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法(如鼠標或鍵盤)選擇、激活這些圖形對象,使計算機產(chǎn)生某種動作或變化,比如實現(xiàn)計算、繪圖等。假如科技工作者僅僅執(zhí)行數(shù)據(jù)分析、解方程等工作,一般不會考慮GUI的制作。但是如果想向客戶提供應用程序,想進行某種技術(shù)、方法的演示,想制作一個供反復使用且操作簡單的

16、專用工具,那么圖形用戶界面是最好的選擇之一。Matlab為表現(xiàn)其基本功能而設計的演示程序demo是使用圖形界面的最好范例。Matlab的用戶在指令窗口中運行demo打開圖形界面后,只要用鼠標進行選擇和點擊,就可瀏覽豐富多彩的內(nèi)容。開發(fā)實際的應用程序時應該盡量保持程序的界面友好,因為程序界面是應用程序和用戶進行交互的環(huán)境。在當前情況下,使用圖形用戶界面是最常用的方法。提供圖形用戶界面可使用戶更方便地使用應用程序,不需要了解應用程序怎樣執(zhí)行各種命令,只需要了解圖形界面組件的使用方法;同時,不需要了解各種命令是如何執(zhí)行的,只要通過用戶界面進行交互操作就可以正確執(zhí)行程序3.2 GUI界面的建立1、打開

17、GUI或在MATLAB指令窗中運行g(shù)uide得到如圖3-1所示：圖3-12、選則 Blank GUI 空白GUI設計工作臺，如下圖所示，包含以下4個功能區(qū)：（1） 菜單條（2） 編輯工具條（3） 控件模板區(qū)（4） 設計工作區(qū)：圖形用戶界面設計在該區(qū)域進行， 引出圖所示的界面設計工具。如圖3.2所示圖3.2用鼠標拖動“工作區(qū)”右下角的“小黑塊”，使工作區(qū)的大小與圖與圖大小相當點擊“軸Axes”控件圖標，然后在工作區(qū)中的適當位置，拉出適當大小的繪圖區(qū)。類似上步操作，通過點擊相應的“靜態(tài)文本Static Text”、可編輯文本“Edit Text”、按鍵“Push Button”用鼠標拖拉出相應的控

18、件。3、圖形窗口和控件的某些參數(shù)進行設置雙擊工作區(qū)或控件可引出圖形和相應控件的“屬性編輯框Property Inspector”。圖顯示的是軸屬性的編輯框。如圖3.3圖3.3一、在圖形的屬性編輯框中，設置如下屬性值：Name Myguil %圖形窗口的名稱Resize on %圖形可以縮放Tag figure1 %生成handles.figurel域存放圖形窗句柄二、在軸屬性編輯框中，設置如下屬性值：Box off %軸不封閉Uint normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例Tag axes1 %生成handles. axes1域存放圖形窗句柄Xlim 0,30 %X軸范圍Yl

19、im 0,50 %Y軸范圍三、在圖形上方的靜態(tài)文本的屬性編輯框中，作如下屬性設置：FontSize 0.7 %字體大小FontUints normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例HorizontalAlignment Center %文字中心對齊Sting 液位PID控制仿真曲線 %顯示在界面上得的字符Tag title_text %生成handles. title_text域存放圖形窗句柄Uint normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例四、在可編輯文本上方的靜態(tài)文本的屬性編輯框中，作如下屬性設置：FontSize 0.6 %字體大小FontUints nor

20、malized %采用相對度量單位，縮放時保持比例HorizontalAlignment Center %文字中心對齊Sting 控制水位： %顯示在界面上得的字符Tag edit_text %生成handles. edit_text域存放圖形窗句柄Uint normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例五、在可編輯文本的屬性編輯框中，作如下屬性設置：FontSize 0.6 %字體大小FontUints normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例HorizontalAlignment Center %文字中心對齊Sting %顯示在界面上得的字符Tag zeta_ed

21、it %生成handles. zeta_edit_text域存放圖形窗句柄Uint normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例六、在上按鍵的屬性編輯框中，作如下屬性設置：FontSize 0.6 %字體大小FontUints normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例HorizontalAlignment Center %文字中心對齊Sting Grid on %顯示在界 面上得的字符Tag GridOn_push %生成handles. GridOn_push域存放圖形窗句柄Uint normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例七、在上按鍵的屬性編輯框

22、中，作如下屬性設置：FontSize 0.6 %字體大小FontUints normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例HorizontalAlignment Center %文字中心對齊Sting Grid off %顯示在界面上得的字符Tag GridOff_push %生成handles. GridOff_push域存放圖形窗句柄Uint normalized %采用相對度量單位，縮放時保持比例精細調(diào)整控件的大小以及他們相對位置，根據(jù)顯示在控件上的文字等，通過鼠標拖拉，或更精細地通過設置決定控件大小的屬性值，使控件大小更加合適、協(xié)調(diào)。用鼠標選擇要進行相對位置調(diào)整的有關(guān)控件；然

23、后點擊位置工具圖標，引出排列對話窗；在此窗上選定適當?shù)呐帕蟹绞胶螅冱c擊【Apply】，就可實現(xiàn)幾何位置的調(diào)整；參見圖3.4所示圖3.4八、創(chuàng)建菜單1、點擊“菜單編輯器”圖標，引出空白菜單編輯對話窗2、點擊“菜單編輯對話窗”最左上方的“新菜單New Menu”圖標，在左側(cè)空白窗口中，出現(xiàn)“Untitled1”圖標；再點擊此圖標，就在右側(cè)引出類似于圖右側(cè)的填寫欄；在“Lable”中填寫Options；在“Tag”中填寫optios；于是左側(cè)的“Untiled1”圖標變成“Options”圖標。3、先點亮左側(cè)的“Options”圖標，再點擊菜單編輯對話窗上的“心菜單項New Menu Iterm”

24、圖標,就引出待定義的菜單項；在左側(cè)的“Lable”填寫B(tài)ox on,在“Tag”填寫box_on。重復該小步的操作，建立另一個菜單項Box off,如圖3.5圖3.5九、界面的激活和回調(diào)函數(shù)生成 經(jīng)以上操作后，工作臺上所制作的界面外形及所含構(gòu)件已經(jīng)符合設計要求，但這個界面各構(gòu)件之間的通訊還沒有建立，為此必須激活處理。點擊工作臺上“激活Activate Figure”工具圖標，就引出2個界面：名為Myguil的圖形用戶界面；展示名為myguil的M函數(shù)文件的文件編輯器界面。在此同時，在當前目錄上，由MATLAB自動生成2個文件，即Myguil.fig和目myguil.m。第四章 系統(tǒng)仿真性能的研

25、究4.1 基于Sumilink的PID仿真一、Sumilink的連接圖，見圖4.1圖4.1連接圖分析：此模型中包含一個慣性環(huán)節(jié)和一個滯后環(huán)節(jié)。由于計算機不能識別連續(xù)系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)前面加一個零階保持器，進行離散化。經(jīng)過調(diào)解得到合理的圖形，和合理的PID參數(shù)。二、PID調(diào)節(jié)的結(jié)果仿真圖分析：合理的PID參數(shù)應該是不允許太大的超調(diào)，在最短的時間達到穩(wěn)定值。4.2 微分先行和輸入濾波PID 控制算法微分先行PID控制算法的特點是只對輸出量進行微分，而對給定值不進行微分。這樣，在改變給定值時，輸出不會改變，而且由于被控量一般不會突變，即使給定值已發(fā)生改變，被控量也是緩慢變化的，從而不致引起微分項的突變。微分先行PID控制算式為: （4-1）輸入濾波,輸入濾波就是在計算微分項時，不是直接應用當前時刻的誤差e(n)，而是采用濾波值e(n)，即用過去和當前四個采樣時刻的誤差的平均值，再通過加權(quán)求和形式近似構(gòu)成微分項 （4-2） （4-3）仿真分析:設被控對象的傳遞函數(shù)為: G(s) = e-60t400s+14.3 系統(tǒng)性