1、南京工程学院课程设计说明书(论文)题 目 温箱温度控制系统的设计 及实物调试 课 程 名 称 自动控制原理 院 系 电力工程学院 专 业 电力系统及其自动化 班 级 电力 083 学 生 姓 名 张乡农 学 号 206081245 同 组 成 员 周沫、朱建、张铃灵 设 计 地 点 工程实践中心 8 栋 317 指 导 教 师 朱建忠 设计起止时间： 11 年 5 月 30 日至 11 年 6 月 2 日- 2 -目 录课程设计任务书1.课程设计任务书 31.1 课程设计的目的4 1.2 课程设计的题目及要求41.3 课程设计的任务及要求51.4 主要参考文献51.5 学时分配61.6 成绩考
2、核办法6温箱温度控制系统的设计及实物调试 1.温箱温度控制系统的设计 71.1 软件仿真单元 71.1.1 温箱实验说明 71.1.2 MATLAB 仿真温箱实验设计 81.1.3 仿真分析 92.温箱温度控制系统的实物调试 122.1 硬件调试单元 122.1.1 实验设备及仪器 122.1.2 设计原理 122.1.3 设计内容及步骤 13PID 校正 13在 P 环节下温箱控制闭环 13在 I 环节下温箱控制闭环15在 PI 环节下温箱控制闭环 163.设计心得 184.参考文献 19- 3 -南京工程学院课 程 设 计 任 务 书课 程 名 称 自动控制原理 院（系、部、中心） 电力工
3、程学院 专 业 电力系统及其自动化 班 级 电力 083 姓 名 张乡农 学 号 206081245 起 止 日 期 2011.5.30 至 2011.6.2 指 导 教 师 朱建忠 - 4 -1课程设计应达到的目的1、通过温箱温度闭环仿真及实物调试熟悉课程设计的基本流程；2、掌握控制系统的数学建模；3、掌握控制系统性能的根轨迹分析或时域特性分析；4、掌握频率法校正或根轨迹法校正；5、能够根据性能指标，设计控制系统，并完成相应实验验证系统的设计和实验操作；6、学会用 MATLAB 进行基本仿真。2课程设计题目及要求设计要求1分析系统的工作原理，进行系统总体设计。2构成开环系统，并分析器动态响应
4、。3测出各环节的放大倍数及其时间常数。4对系统进行扰动分析。5比较开环时和闭环时的动态响应。6分析温度闭环无差系统的动态性能，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足 %10%， 0.1 秒，静态误差小于 2%。pt7. 采用某种校正方式实现系统的稳定控制。8对本课程设计提出新设想和新建议。- 5 -3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求课程设计任务（1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解温箱温度控制系统的工作原理。 （2）总体方案的构思 根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用已有 的各种理论
5、知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。 （3）总体方案的确定 可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。（4）系统实现搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据4主要参考文献- 6 -1、薛定宇.反馈控制系统设计与分析.北京:清华大学出版社 ,2000.2、飞思科技产品研发中心.MATLAB 7 辅助控制系统设计与仿真 .北京:电子工业出版社,2005.3、胡寿松.自动控制原理.4 版.北京:科学技术出版社 ,2001.4、白继平，徐德辉. 基于 MATL
6、AB 下的 PID 控制仿真 【J】.中国航海，2004（4）：77-80.5、徐亚飞，刘官敏，高国章等.温箱温度 PID 与预测控制J.武汉理工大学学报.2004.8(28):554-557.5课程设计进度安排起 止 日 期 工 作 内 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）认识系统构成和原理分析数学建模控制策略研究和仿真实物接线和调试撰写设计说明书、设计计算书及资料整理撰写设计说明书、设计计算书及资料整理答辩6成绩考核办法1、考核方法：平时表现，设计成果，答辩表现
7、。2、成绩评定：平时表现 30%，设计成果 40%，答辩表现 30%。- 7 -教研室审查意见：教研室主任签字： 年 月 日院（系、部、中心）意见：主管领导签字： 年 月 日温箱模型说明设计题目：温箱控制系统设计及实物调试设计目的：1. 加强对随动控制系统的认识，掌握工程设计的方法。2. 通过对随动系统的单元,部件及系统的调试,提高实际技能,培养分析问题解决问题的能力。3. 掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。4. 培养编制技术总结报告的能力。设计设备：1、ACCC型自动控制理论及计算机控制技术实验装置2、数字式万用表3、示波器4、MATLAB 软件- 8 -设计任务：复习相关资料，到图书馆查
8、找有关资料，了解温箱温度控制系统的工作原理。总体方案的构思根据设计的要求和条件进行摁镇分析和研究，找出关键问题。广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。总体方案的确定可从频域法，根轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。系统实现搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据。一、MATLAB 仿真温箱实验设计注：1.给定温箱系统参数：放大系数 K=4.4；过程时间常数 T=340；纯滞后时间=20。2.系统响应要求：%15%,t s135s。利用
9、 MATLAB 软件设计 PID 校正早在 1942 年，Ziegler 与 Nichols 提出了一种使用的 PID 控制经验公式，这个经验公式是基于带有延迟的一阶传递函数提出的。这样的对象模型可以表示为在实际的过程控制系统中，有大量的对象模型可以近似地由这样的一阶- 9 -模型来表示，如果不能物理地建立起系统的模型，我们还可以由试验提出相应的参数，例如，如果可以通过实验测取对象模型的阶跃响应，则输出信号可以由图 2 中给出的草图形状来近似。这样我们可以通过这样的草图获取 ， 与（或 ）参数。由下图可以看出，我们还可以由 来求取 参数。如果获得了与 的参数，则可以通过表 1 中给出的经验公式
10、设计 PID 控制器。图 1.1 带有时间延迟的一阶过程模型响应图表 1 Ziegler-Nichols 整定公式( 第一种方法)由阶跃响应整定控制器类型PPIPID从表 1 中可以看出，除了可以通过它设计 PID 控制器之外，我们还可以由同样的模型参数设计出 P 控制器和 PI 控制器。PID 控制器公式：- 10 -对闭环系统只作用比例控制作用，如图 1.2 中系统开环控制框图，输出如图 1.3。图 1.2 开环控制框图图1.3 根据斜率，算出L=14.2 T=431.3=KL/T=0.145=6.813 =6.134 =8.145 - 11 -闭环系统框图出下图：图1.4 闭环系统框图P
11、I参数设定如下图：图1.5 PI参数设定结果如下图：- 12 -UfgPID脉 宽 调 制 温 度 变 送 器加 温 室 Uo图 2.1 温度控制系统框图1.6 结果图二、硬件仿真2.1 实验设备及仪器1ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置。2数字式万用表。3示波器。2.2 设计原理 温控制系统框图如图 2.1 所示，由给定、PI 调节器、脉宽调制电路、加温室、温度变送器和输出电压反馈等部分组成。在参数给定的情况下，经过 PI运算产生相应的控制量，使加温室里的温度稳定在给定值。- 13 -给定 Ug 由 ACCT-II 自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元 U1
12、提供，电压为 5V。PI 调节器的输出作为脉宽调制的输入信号，经脉宽调制电路产生占空比可调 0100的脉冲信号，作为对加温室里电热丝的加热信号。温度测量采用 Cu50 热敏电阻，经温度变送器转换成电压反馈量，温度输入范围为 0200,温度变送器的输出电压范围为 DC010V。根据实际的设计要求，调节反馈系数，从而调节输出电压。2.3 设计内容及步骤PID校正分别以比例环节、积分环节、比例积分环节校正温箱控制系统框图试验参数如下：R0=R1=R2=100K,R 3=10K，R 5=1M，C 1=1F，R f/Ri=2。（1）P功能测试- 14 -比例环节模拟图改变R3、R4的值R3=10K，R4
13、=1M和R4=30K。得到以下输出曲线：R4=30K时的输出曲线- 15 -R4=1M时的输出曲线结果分析：发现通过改变 Kp 即 R4 的大小并不能使得最后的稳定值到达给定的5V，而且随着 Kp 的增大，误差越来越小，最后选定 R4=1M，并不能消除误差，这也是 P 环节的作用。P 环节的传递函数为： 3*)(RsIUo4iisG0（2）I功能测试积分环节模拟图改变C的值，C=10uF;C=1uF。得到以下输出曲线：- 16 -C=10uf时输出曲线C=1uf时输出曲线结论分析：积分环节的作用：可以改善系统的稳定精度（降低误差） 。动态特性 缓慢，有延时性，有记忆作用。积分环节电容C越大，积
14、分作用越弱，反之C越小积分作用越强。并且C越大，积分容量越大，响应时间越长，响应速度越慢。 I环节的传递函数为： tideTtu0)(1)(sEUi)(T=R0C- 17 -（3）PI功能测试比例积分环节模拟图R4/R3=100，C=10uF的输出曲线R4/R3=100，C=1uF的输出曲线- 18 -R4/R3=3，C=1uF的输出曲线结论分析：发现取不同的 R4 和 C1 后系统的最终都能达到稳定，并且达到了给定值，体现了积分的作用，即消除误差。最终取 R4=1M,C1=1uf3*)(sIUo)14SCRisG3三、 设计体会在这周的自动控制原理的课程设计中，我们这一组所做的课题是温箱控制
15、系统的设计及实物调试。开始，我们通过对 PID 电路的各个环节的各性能的测试，并参考相关文献，最终将控制器电路的设计选择了 PI 环节。因为当控制器为比例积分环节时要比控制器仅仅为比例环节要好得多，这些优势均能在其所测出的各性能指标上体现出来，响应更快速并且更稳定。所以，当要减小稳态误差是需要加入比例积分环节。比例环节是当系统出现误差时比例调节立即产生调节作用以减少偏差，这时会有一适当的 Kp，加入积分环节来调节积分时间是系统的响应迅速使系统无残差，能够抗干扰。这次的课程设计让我认识到，课程设计是需要自己去调试系统的各参数值，是系统性能更加优良。这不像做实验那样是给定数值的，所以不同的参数值所
16、达到的效果不一样，在很多情况下的比较，我们得出我们所认为的最佳情况。在软件环节，运用 MATLAB 仿真环境实现串联校正，我们使用 SISO 系统设计串联校正环节的参数，SISO 系统设计工具是用于单输入单输出反馈控制系统补偿器设计的图形设计环境。通过该工具，我们可以快速完成以下工作：利用根轨迹方法计算系统的闭环特性、针对开环系统 Bode 图的系统设计、添加补偿器的零极点、设计超前/滞后网络和滤波器、分析闭环系统响应、调整系统幅值或相位裕度等。在实验中，通过添加零极点、改变相频、幅频图来达到实验的- 19 -要求在硬件环节中，运用了比例环节和比例积分环节。 （1）是按比例反应系统的偏差，系统
17、一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定（2）在比例积分环节中，比例环节始终存在，积分环节在刚开始作用不明显，但随着时间的推移，其作用逐渐增大，呈现出主要控制作用，通过消除系统输出量的稳态误差，直至系统误差消失。增大积分作用会增大系统的超调量，如果积分作用过强，将会致使信号发散，系统崩溃。 （3）在 PID（比例积分微分）控制中，由于微分环节的加入，可以很大的减小系统的上升时间和稳定时间，消除系统的稳态误差。微分作用增强，会使系统的超调量变小，同时动态响应时间也减小，最易达到最优化控制。实
18、验中，我们也从很多细节中暴露出自己的问题，然后通过互相讨论与请教老师，对问题进行解决。比如，刚开始时我们把系统给定电压值设定很高，而得到的输出曲线结果不明显甚至不能完成实验。后来我们得知，在运放模块中，模块本身自带一个限幅作用，我们把给定值设定很高后，刚开始系统误差为最大值，通过比例环节放大系统误差。一旦超过模块限幅，无论如何调整参数，输出曲线都不会发生变化。一周的自控课程设计，我发现原来以前学的理论知识并不扎实，学的不灵活，要多动手实践。我了解了 P,I,PI,PD,PID 等 5 种控制方式对输出的影响和各种方式输出的波形图，并根据实际温箱的输入和输出特性，计算出了实物的传递函数。本次实习使我们实现了理论与实践的结合，掌握了闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响，加深了对课本理论知识的理解。总之，我认为这次的实习非常有意义，使我受益匪浅。四、参考资料1.杨志超 ，朱建忠，自动控制原理课程设计指导书2.王划一，自动控制原理.北京，国防工业出版社，2009.13.徐亚飞，刘官敏，高国章等.温箱温度 PID 与预测控制J.武汉理工大学报.2004.8(28):554-557.- 20 -
