自动控制原理温箱控制系统的设计方案及实物调试

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 目录 课程设计任务书 1.课程设计任务书3 1.1 课程设计的目的 4 1.2 课程设计的题目及要求 4 1.3 课程设计的任务及要求 5 1.4 主要参考文献 5 1.5 学时分配 6 1.6 成绩考核办法 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7 1.1软件仿真单元 7 1.1.1

2、温箱实验说明7 1.1.2MATLAB仿真温箱实验设计 8 1.1.3仿真分析 9 2. 温箱温度控制系统的实物调试12 2.1硬件调试单元 12 2.1.1实验设备及仪器 12 2.1.2设计原理 12 2.1.3 设计内容及步骤 13 PID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16 3. 设计心得 18 4. 参考文献 19 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 2018.5.30至201862 指

3、导教师朱建忠 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。 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

4、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（T % 10% 0 0.1秒，静态误差小于2% 7. 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。 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

5、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 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MATLAB下的PID控制仿真【J】.中国航海，2004:554-557. 5 课程设计进度安排 起止日期 5月 30 日 5月30 日上午 5月

6、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） 工作内容 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。 2、成绩评定：平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30% 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

7、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、ACC 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 4、MATLAB件 设计任务： 1 复习相关资料，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。 3 总体方案的确定 可从频域法，根轨迹法分

8、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。弓I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、MATLA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t =20。 2. 系统响应要求：（T %15%,t135s。 利用MATLAB软件设计PID校正 早在1942年，Ziegle占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 1+sT 在实际

9、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 模型来表示，如果不能物理地建立起系统的模型，我们还可以由实验提出相应 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 Se w 畚由声於a抽圈国E 1.6结果图 、硬件仿真 2.1实验设备及仪器 1 . ACCC-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、力卩 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

10、 运算产生相应的控制量，使加温室里的温度稳定在给定值。 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0200r ,温度变送器的输出电压范围为 DC10V。 根据实际的设计要求，调节反馈系数一:，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 实验参数如下： R o=R=R=

11、100KQ ,R3=10KQ ， R5=1M G=1 卩 F， Rf/Ri=2。 (1) p功能测试 200K 2O0K 3 1P1 :j ACT-OT1 20K U17M1 -JLX 毗 OQOK 騰宽调制 + - KA17741 HA1T741 r-0 aiouta 温虏变送器 _ycc m Ifk Rf 比例环节模拟图 SAVE/REC 改变R3 R4的值R3=10K R4=1M口 R4=30K得到以下输出曲线: - -I rSTOfi _TL 什-亍-.I 11q USB SCHN CHI I 1 edge CHS 1U R4=30K寸的输出曲线 01-Jun,B9 省墨 * + +

12、+*+ * R-.：.-： EDGE USB :：0.000 S 兴 I CH2 1U scm CHI 1U R4=1M寸的输出曲线 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=1 M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: U泸定 R0200K E1200K HL17741 HAIT741 R3 HA17MI IN 1-0 ACT-OT1 2 OK 4 - 温度变堆器 (2) I功能测试 vcc IF vcc 积分环节模拟图 改变C的值，C=10uF。 C=1uF。得到以下输出曲线: C=

13、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: T=R0C 3) PI功能测试 比例积分环节模拟图 电压袁 Qlolo 軒变送需 + -F-.J WBS CH1 1 :20-00 雪 CH2 W 存储至 USB EDGE R/R3=100, C=10uF勺输出曲线 R/R3=100, C=1uF勺输出曲线 R/R3=3, C=1uF勺输出曲线 结论分析：发现取不

14、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=1uf 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,

15、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要 求 在硬件环节中，运用了比例环节和比例积分环节。