1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目 某溫度控制系統(tǒng)的MATLAB仿真 （題目C）過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目C：某溫度控制系統(tǒng)的MATLAB仿真一、 系統(tǒng)概況：設(shè)某溫度控制系統(tǒng)方塊圖如圖：圖中Gc(s)、Gv(s)、Go(s)、Gm(s)、分別為調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、過(guò)程對(duì)象及溫度變送器的傳遞函數(shù)；，且電動(dòng)溫度變送器測(cè)量范圍（量程）為50100OC、輸出信號(hào)為420mA。Gf(s)為干擾通道的傳遞函數(shù)。二、系統(tǒng)參數(shù)二、 要求：1、分別建立仿真結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)行以下仿真，并求出主要性能指標(biāo)：(1)控制器為比例控制，其比例度分別為10、20、50、100、200時(shí)，系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程；(2)控制器為比

2、例積分控制，其比例度20，積分時(shí)間分別為TI1min、3min、5min、10min時(shí)，z(t)的過(guò)渡過(guò)程；(3)控制器為比例積分微分控制，其比例度10，積分時(shí)間TI5min，微分時(shí)間TD = 0.2min時(shí)，z(t)的過(guò)渡過(guò)程。 2、對(duì)以上仿真結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，得出結(jié)論。3、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。注：調(diào)節(jié)器比例帶的說(shuō)明比例控制規(guī)律的輸出p(t)與輸入偏差信號(hào)e(t)之間的關(guān)系為式中，Kc叫作控制器的比例系數(shù)。 在過(guò)程控制儀表中，一般用比例度來(lái)表示比例控制作用的強(qiáng)弱。比例度定義為式中，(zmax-zmin)為控制器輸入信號(hào)的變化范圍，即量程；(pmax-pmin)為控制器輸出信號(hào)的變化范圍。 這時(shí) 與

3、Kc 便互成倒數(shù)關(guān)系，即： 但如果調(diào)節(jié)器的輸入、輸出不是相同性質(zhì)的信號(hào)，則系數(shù)K1，需要根據(jù)量程和輸出信號(hào)范圍進(jìn)行計(jì)算。例：某溫度系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器為電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器，配用的電動(dòng)變送器測(cè)量范圍為40150 OC，輸出為420mA，若選用比例度 =10%，問(wèn)該比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kc為多少？解：仿真過(guò)程一，控制器為比例控制P對(duì)于比例控制器：其傳遞關(guān)系為：控制器的傳遞函數(shù)為：純比例控制仿真結(jié)構(gòu)圖如下：（1）當(dāng)比例度為10 即仿真圖中Kc為3.2，給定值和階躍擾動(dòng)分別設(shè)置為80，10則有仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如圖：其主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間tr=2.4min; 峰值時(shí)間tp=3.2mi

4、n；最大超調(diào)量；過(guò)渡時(shí)間ts=10min;震蕩次數(shù)N=3； 穩(wěn)態(tài)誤差=10OC（2）比例度為20 ，將仿真圖中Kc參數(shù)改為1.6即可，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間tr=3min; 峰值時(shí)間tp=4min；最大超調(diào)量；過(guò)渡時(shí)間ts=10min;震蕩次數(shù)N=2； 穩(wěn)態(tài)誤差=5OC（3）比例度為50 ，將圖1中K參數(shù)改為0.64即可，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間tr=4.2min; 峰值時(shí)間tp=5min；最大超調(diào)量；過(guò)渡時(shí)間ts=10min;震蕩次數(shù)N=1； 穩(wěn)態(tài)誤差=-5OC（4）比例度為100 ，將圖1

5、中K參數(shù)改為0.32即可，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：由圖可知比例度度為100時(shí)，最大值小于80，達(dá)不到系統(tǒng)要求的穩(wěn)定范圍（5）比例度為200 ，將圖1中K參數(shù)改為0.16即可，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：由圖可知比例度度為200時(shí)，最大值同樣小于80，達(dá)不到系統(tǒng)要求的穩(wěn)定范圍。二，控制器為比例積分控制PI其傳遞關(guān)系為：控制器的傳遞函數(shù)為：建立比例積分仿真結(jié)構(gòu)圖如下：（1）比例度20，積分時(shí)間為TI1min由比例環(huán)節(jié)可知，比例系數(shù)為1.6，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：由于系統(tǒng)為發(fā)散型，所以不穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)沒(méi)有意義（2）比例度20，積分

6、時(shí)間為TI3min把仿真圖中PI控制器改為， 仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間tr=2.7min; 峰值時(shí)間tp=4.2min；最大超調(diào)量；過(guò)渡時(shí)間ts=10min;震蕩次數(shù)N=2； 穩(wěn)態(tài)誤差=20OC（3）比例度20，積分時(shí)間為TI5min 把仿真圖中PI控制器改為，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間tr=2.7min; 峰值時(shí)間tp=4.2min；最大超調(diào)量；過(guò)渡時(shí)間ts=10min;震蕩次數(shù)N=2； 穩(wěn)態(tài)誤差=10OC（4） 比例度20，積分時(shí)間為TI10min 把仿真圖中PI控制器改為，仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象

7、輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖：主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間tr=2.7min; 峰值時(shí)間tp=4.2min；最大超調(diào)量；過(guò)渡時(shí)間ts=10min;震蕩次數(shù)N=2； 穩(wěn)態(tài)誤差=2OC三，控制器為比例積分微分控制PID其傳遞關(guān)系為：控制器地傳遞函數(shù)為：已知要求為比例度10，積分時(shí)間TI5min，微分時(shí)間TD = 0.2min，所以建立仿真結(jié)構(gòu)圖如圖：仿真得系統(tǒng)廣義對(duì)象輸出z(t)的過(guò)渡過(guò)程如下圖主要性能指標(biāo)如下：上升時(shí)間tr=2.4min; 峰值時(shí)間tp=3.4min；最大超調(diào)量；過(guò)渡時(shí)間ts=10min;震蕩次數(shù)N=2； 穩(wěn)態(tài)誤差=0OC分析結(jié)論（1）比例控制：由比例控制過(guò)程的仿真可知，當(dāng)從10%

8、，20%，50%，100%，200%變化過(guò)程中，Kc逐漸減小。隨著Kc的逐漸減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度，超調(diào)量都減小，但是當(dāng)Kc少于0.32以后，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，且系統(tǒng)達(dá)不到調(diào)節(jié)要求。由此可知，比例系數(shù)Kc越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但是過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。但是如果Kc過(guò)小，也不能達(dá)到調(diào)節(jié)要求，系統(tǒng)響應(yīng)慢，靜態(tài)特性差。（2）比例積分控制：從仿真的結(jié)果來(lái)看，隨著積分時(shí)間的增加，積分的控制作用在減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性在加強(qiáng)。積分控制主要是消除靜差，積分作用的強(qiáng)弱同時(shí)取決于積分時(shí)間的長(zhǎng)短。采用比例積分調(diào)節(jié)控制，可以實(shí)現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)。（3）比例積分微分控制：由仿真過(guò)程可以看出，運(yùn)用PID調(diào)節(jié)，不僅可以消除誤差，由于微分環(huán)節(jié)的加入，還能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是一種比較理想的調(diào)節(jié)方式。收獲與體會(huì) 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)比例控制，比例積分控制，以及比例積分微分控制（PID）三種系統(tǒng)控制手段有了一個(gè)更深的認(rèn)識(shí)，從單它們一的控制作用，再到三者對(duì)比，使我基本理解了它們的控制規(guī)律，也認(rèn)識(shí)到了它們各自的控制優(yōu)勢(shì)與不足。同時(shí)我也熟悉了MATLAB運(yùn)行環(huán)境，掌握了Simulink的仿真過(guò)程。這次課程設(shè)計(jì)也使我學(xué)到了很多書本之外的東西。在課設(shè)的過(guò)程中，通過(guò)查找資料及同學(xué)之間的探討，使自己將理論知識(shí)上升到實(shí)踐