控制原理应用实践报告电阻炉温度控制装置

1、上海电力学院课程设计报告课名：控制原理应用实践题目：电阻炉温度控制装置院系：自动化工程学院专业：班级：姓名：学号：时间：1、 具体控制问题的提炼2、 控制对象的特性研究三、控制规律的选择四、控制系统仿真实验及控制参数整定五、控制方法的改进六、控制效果的分析七、心得及体会参考文献1杨平等著.自动控制原理一实验与实践篇 M.北京：中国电力出版社，2011.10.2杨平等著.自动控制原理一理论篇M.北京：中国电力出版社， 2009.3杨平等著.自动控制原理一练习与测试篇 M.北京：中国电力出版社，2012.9附录、具体控制问题的提炼温度是工业控制中主要的被控参数之一， 特别是在冶金、化工、建材、 食

2、品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。电阻炉则是一种以电 热丝的电阻发热为要素的常见电加热设备， 多用于产生恒定的温度场。电 加热炉是典型工业过程控制对象，其温度控制具有升温单向性，大惯性， 纯滞后，时变性等特点，很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。而PID控制因其成熟，容易实现，并具有可消除稳态误差的优点，在大多数 情况下可以满足系统性能要求。将PID控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统， 利用模糊控制规则自适应在线修改 PID参数，构成模糊自整定：PID控制 系统，借此提高其控制效果。基于PID控制算法，以单片机为主体，构成 一个能处理较复杂数据和控制功能的智能控

3、制器，使其既可作为独立的单 片机控制系统，又可与微机配合构成两级控制系统。该控制器控制精度高， 具有较高的灵活性和可靠性。电阻炉的温度先由热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压 信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压放大后，由单片机内部A/D转换器将其转换成数字量。此数字量经数字滤波、误差校正、标 度变换、线性拟合、查表等处理后。一方面将炉窑温度经人机面板上的 LCD显示：另一方面将该温度值与被控制值（由键盘输入的设定温度值） 比较，根据其偏差值的大小，提供给控制算法进行运算，最后输出移相控 制脉冲，放大后触发可控硅导通（即控制电阻炉平均功率）。达到控制电炉温度的目的。如果实际测得的温

4、度值超过了该系统所要求的温度范围， 单片机就向报警装置发出指令，系统进行报警。、控制对象的特性研究一种典型的管式热电偶检定炉的数学模型为G(s) =® 肥(2s + l)(45s + 1)(2305 + 1)利用MATLA歆件对被控对象数学模型进行分析：1 .对被控系统的时域性能分析在MATLAB,绘制原系统的单位阶跃响应曲线如图 2-1所示。Step Response1.81.61.41.210.80.60.40.2010152025Time (sec)图2-1原系统的单位阶跃响应曲线由图可知，系统阶跃响应指标：(1) 动态性能指标：超调量 与鼬=66%,峰值时间 =，上升时间二=

5、。586凡 过渡过程时间力=14Js= 土Z峥)。(2) 稳态误差曰":当设定值为4001c时，稳态误差%=。.446可，当设定值为800c时，稳态误差忆=。由93匕2 .被控系统闭环零极点图绘制闭环系统的零极点图如图2-2所示。bxA aa E_-2-0.5-0.45-0.4-0.35-0.3-0.25Real Axis-0.15-0.1-0.05Root Locus E ditor for Open Loop 1 (OL1)图2-2闭环系统的零极点图由图可知，闭环系统的主导极点=-0.2S8± jL96 ,阻尼比5 = 0,131 o3 .被控系统的根轨迹图绘制被控系统

6、的根轨迹图如图2-3所示。5R oot Locus-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.3R eal Axis图2-3被控系统的根轨迹图4 .被控对象的频域分析(1) 被控系统的奈氏图分析绘制开环系统的奈氏图如图2-4所示。A a n a m4003002001000-100-200-300-400Nyquist Diagram-1000100200300400500600700800900Real Axis图2-4开环系统的奈氏图(2) 被控系统的BODEH分析绘制系统的BODIH如图2-5所示。ibht eauknsaMBode DiagramLyeflTesa

7、np90-18010-410-310-210-1100101Frequency (rad/sec)System: g0Phase Margin (deg): 14.9Delay Margin (sec): 0.134 At frequency (rad/sec): 1.94 Closed Loop Stable? Yes图2-5被控系统的BODE®由图可知，系统的频域性能指标：剪切频率 5=,相位裕量Y = 14.9°,增益裕量GM# = InfdB。可见系统是稳定的。控制规律的选择采用PID控制器控制系统仿真实验及控制参数整定1. 了解P、PI、PD三种基本控制器对控制系

8、统性能的影响(1) P控制器P控制器即为比例控制器，传递函数为Ge %。令左鲁=0.2 0.5 0.8 1.1时，分析P控制器对系统性能的影响：对控制系统时域指标的影响：当/变化时绘制系统阶跃响应曲线如图4-1所示Step Response0.2图4-1对时域性能指标的影响见表1015Time (sec)2025调节*口绘制出的系统阶跃响应曲线4-1 00.20.50.81.137.955.162.767.33.66s2.24s1.78s1.52st/A = +2Hb)15.7s14.4s15.3s14.8s0.0060.0020.0010.001心的变化对时域性能指标的影响表4-1分析：由上

9、图、表可知，Kp增大时，会使闭环系统稳态误差变小，响应震荡加剧, 响应速度变快，Kp过大时，比例作用过大会使系统不稳定。对控制系统频域指标的影响：当。变化时绘制系统的BODEH如图4-2所示XIROCeaMLnoa MBode DiagramO20 -o O 4 6 - -)-45e d e-90hp-135-18010-310-210-1io0101102Frequency (rad/sec)图4-2 P控制器对系统频域指标的影响对频域性能指标的影响见表4-2表4-2 %的变化对频域性能指标的影响0.20.50.81.1yC°)4930.323.915.5空(rad/s)1.141

10、.912.442.84分析：由上图、表可知，随着kp变大，会使系统相位裕量变小，剪切频率变大(2) PI控制器PI控制器即为比例积分控制器，传递函数为 Ge=f (喳+ o令kp=1, Ti=3 5 7 9 11, 分析PI控制器对系统性能的影响：对控制系统时域指标的影响：系数A变化时系统的单位阶跃响应如图 4-3所示。Step Response图4-3调节TL时系统的单位阶跃响应对时域性能指标的影响见表4-3。表4-3K的变化对时域性能指标的影响=霁35791188.7807673.872.3%1.61.61.61.61.6t/+2%)43.524.421.118.118甘00000分析：由

11、上图、表可知，随着A变大，会使系统超调量减小，过渡过程时间减小, 系统达到无差，但积分系数太大或者太小，系统变得不稳定。闭环零极点分布当”变化时绘制闭环系统的零极点图如图4-4所示firstsecond1thirdfour-five1j-rr_ j E_t _ rf 4ilPole-Zero Map21.510.50-0.5-1-1.5-2-0.3-0.25-0.2-0.15-0.1-0.050Real Axis-0.35图4-4改变7；时的系统闭环零极点对主导极点的影响见表4-4。表4-4鼻的改变对主导极点的影响%357911P±r2-0.0888 ± 1.96i-0.1

12、56 ±1.95i-0.183 ±1.95i-0.202 ± 1.95i-0.212 ±1.95iI0.04530.07980.0960.1030.108分析：由上图、表可知，随着变大，阻尼比增大 对频域性能指标的影响当改变时绘制系统的BODIS如图4-5所示LHaceaMLnaa MO 5 5-1-16Bode Diagram0 5 0-5LugMTesanp1L1 firstsecondthirdfourTfivet.rrf-175Frequency (rad/sec)0.2100.5100.4100.3100.1100.61070图4-5当工变化时

13、开环系统的BODE0对频域性能指标的影响见表4-5。窘3579111.961.951.941.941.94r5.12910.711.612.2Ti的改变对频域性能指标的影响表4-5分析：由上图、表可知，随着变大，会使系统相位裕量增大PD控制器对控制系统的影响PDS制器即为比例微分控制器，其传递函数为 色=k式，+，令/=0.5 ,调节系数匕=0-3 0.7 U 1.5 1,9的时候，分析其对控制系统性能的影响。对时域性能指标的影响当心改变时系统的单位阶跃响应如图4-6所示Step Response0.40.212345678910Time (sec)4 286 o O eaMTPmA图4-6当

14、Q改变时系统的单位阶跃响应(% = 1)对时域性能指标的影响见表4-6。0.30.71.11.51.928.712.75.541.950.09562.11.961.861.842.09t/+2%)5.743.583.31.021.020.0020.0020.0020.0020.002rd的改变对系统时域性能指标的影响表4-6分析：由上图、表可知，随着心变大，会使系统超调量减小，过渡过程时间减小, 当td过大时，微分作用增大会增加系统的不稳定性。闭环零极点分布当改变Q时闭环系统的零极点图如图4-7所示Pole-Zero Map5 15 0 5 100-.6. XA y OOOWTfirstsec

15、ondthirdfourfive-1-1.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.5Real Axis图4-7改变心闭环系统的零极点图对主导极点的影响见表4-7。0.30.71.11.51.9P±r2-0.55 ±1.29i-0.939 ±1.041.33 士0.436i-2.71 , 0-3.68 , 00.3930.620.9511表4-7K的改变的对主导极点的影响分析：由上图、表可知，随着心变大，会使系统阻尼比增大 对频域性能指标的影响当心改变时绘制系统的BODIS如图4-8所示XIROCeaMLnoa M6040200-20Bode Diagram

16、-40-60Frequency (rad/sec)图4-8 当丁亡改变时开环系统的 BOD招对频域性能指标的影响见表4-8表4-8为改变对系统频域指标的影响rA0.30.71.11.51.9%1.411.72.252.953.63r43.166.980.987.690分析：由上图、表可知，随着心变大，会使系统相位裕量增大，剪切频率增大2.利用衰减振荡法对PID控制器参数进行初步整定。对PID控制器参数进行整定的方法主要有两种，分别是 Z-N法和衰减 震荡法。本次采用的是衰减振荡法。参数整定步骤如下：(1) PID控制器控制模型如下：已知原系统传递函数为:6(s)=895(9+ 1)(2s +

17、l)(45s + 1)(2305 + 1)(2)先将积分环节和微分环节的不工作，调试比例环节，使图像的衰减比为4： 1 （图中也 4:1）；记录此时的比例系数Ki,振荡周期丁经过 y2调试，当与三也368时图像的衰减比为4:1 ,此时振荡周期几=138。如图4-2-1所示。Step Response1.510.5System: sysPeak amplitude: 1.49Overshoot (%): 49.7At time (sec): 2.65d u p mSystem: sys Time (sec): 8.03 Amplitude: 1.121015Time (sec)2025图4-9

18、衰减比为4:1的单位阶跃响应计算此时的比例度必，4 根据表1计算出P、PI、PID控制器的初步整定参数控制器比例度积分时间微分时间丁衽POO0衰减震荡法PID参数整定表表1PI1.2以0.5蛋0PID0.8以0.3建0.1立运行程序得到三种控制器的初步整定参数如下:P控制器k1 =0.368PI控制器k2 =0.307Ti2 =2.69PID控制器k3 =0.46Ti3 =1.6140Td3 =0.5380编写三种控制器的传递函数，绘制在初步整定参数下的三种控制系 统的单位阶跃响应，如图4-10所示d up m AStep ResponseTime (sec)图4-10初步整定参数下的三种控制

19、系统的单位阶跃响应曲线在PID控制器初步整定参数的基础上进行调节，使PID控制效果至最佳；经过调节，当 PID控制器的参数为fcp = 0.5 ,5=2.13 ,心=1.38,如图4-11所示为调整参数后的PID控制系统的单位阶跃响应，其BODIH如图4-12所示，闭环零极点图如图4-13所示，根 轨迹图如图4-14所示。Step Response1.41.210.80.60.40.202468101214Time (sec)图 4-11衰减震荡法调节参数后的阶跃响应曲线Bode DiagramXIROCeawknoa MLugMTesanp-2o19-110010110210System:

20、Gc3Phase Margin (deg): 120Delay Margin (sec): 9.14At frequency (rad/sec): 0.229Closed Loop Stable? YesFrequency (rad/sec)图 4-12衰减震荡法调节参数后的BODEHPole-Zero MapPXA wyanoa E-36 8 o o - -2.5-2-1.5-1-0.5Real Axis图4-13衰减震荡法调节参数后的闭环零极点图-0.8-5Root Locus-0.4-0.6-4-3-2Real Axis-1018 6 40002 0 2 O,O.- .6. XA y 0

21、30010 甲图4-14衰减震荡法调节参数后的根轨迹图结论：采用PID控制器校正后，各项指标良好，系统达到无差。三、控制方法的改进采用超前控制器1.选择超前控制器对控制方法进行改进采用频域法设计超前控制器使输入信号为r(t) = RX 1仕)阶跃响应时的 稳态误差日四<0.01%,相位裕量¥ > 5。设计步骤：典型串联控制器的模型为：G+ 1已知被控对象的传递函数为：讣 _995(905 + 1%")一 (2s -F 1)(45j + 1)(2305 + 1) 计算满足稳态误差条件的K值; 由于输入型号为阶跃型号故：稳态误差系数- L-则输入信号阶跃响应稳态误差

22、 %< 0.01% ,故& > 11.17,取9=13获取原系统的频域指标；绘制加入凡二13后的原系统BODIS如图5-1所示10-310-210-1100101102Frequency (rad/sec)Bode DiagramJR-oreauFndaMl9eaces3np图5-1 Kc=13后的原系统BODIH记录原系统的频域性能指标如下。Gm1 =InfPm1 = 14.90006Wcg1 = InfWcp1 =1.9411经程序运行新得到的参数如下Gm =InfPm =50.3960Wcg =InfWcp =2.8340经过超前控制器校正后的系统阶跃响应图如下:St

23、ep Response1.41.20.80.60.40.20.5System: sysSettling Time (sec): 2.021.522.5System: sysPeak amplitude: 1.23Overshoot (%): 22.8Time (sec)图5-2加入超前控制器调节后的系统单位阶跃响应曲线XIROCeawknoa Mr F F F F IF F fF F P f f F r fFf F F F F IT FF F1' F r F IF r PfFfF 9S1 f fiffIf f F I1 r p f pBode DiagramGm = Inf dB (a

24、t Inf rad/sec) , P m = 50.4 deg (at 2.83 rad/sec)6040o o O 2-240)-45e d e -90ap-135-18010-410-310-210-1100101102Frequency (rad/sec)图5-3加入超前控制器调节后的系统单位阶跃响应曲线结论：采用超前校正后，系统各项指标达到预期，但没有达到无差校正。四、控制效果的分析PID控制器：P、PI、PID三种控制器中PID对系统时域指标的控制效果最好，有效 地减小了超调量，缩短了过渡过程时间，可以实现无差调节，从而使得系 统的稳定性提高。三种控制器中PID对系统频域指标的控制效

25、果最好，系 统的剪切频率最大，相位裕量最大，则系统的相对稳定性最好。调节后的 系统各项指标良好，达到期望。P、I、D三种调节各有特点：比例控制作 用的特点是能使过程较快的稳定，积分控制作用的特点是能使控制过程为 无差控制，微分控制作用的特点是能克服受控对象的延迟和惯性，减小过程打的动态偏差。由此可见，只有 P、I、D三种控制作用相互配合的PID 控制器是最优选择。超前控制器：增大了相位裕量，增大了剪切频率，响应速度变快，但不能实现无差 调节。调节后的系统各项指标良好，也可以达到期望。五、心得及体会通过这次对实际系统进行分析建模，进行控制系统PID控制器参数整定设计。我了解了 PID控制器的优点

26、。掌握了设计 PID控制器的要领。 为今后的学习打下了良好的基础。同时我复习了超前控制器的设计，并且 能进行灵活运用。在实践过程中，我们善于发现和分析问题并积极寻求解 决方案。PID调节为工程上很多问题提供了很好的解决问题的方法。设计过程中我通过翻阅相关书籍和查阅相关资料，加上老师耐心的指导，同学们热心的的帮助，我顺利完成了这次实践的设计内容。在设计过程中我自己充分的认识到了自己对于自动控制原理的学习还任重而道远，仍有相当多的东西需要去学习与摸索。 此次课程设计并不 仅仅是一次理论的实践，在实践过程中，我把以前不是很清楚的问题弄懂 了 将掌握了的知识加深了印象，对一些常用控制器的使用也更加的了

27、解 了 另外对于控制系统必不可少的软件 matlab也有了更深的了解 特别 是对于各类语句的使用更加的熟练了。这些都提高了我对于自动控制这门 课程的爱好与兴趣。相信这次实践将是大学四年中众多实践中，印象最深 刻，影响最深远的一次。参考文献1杨平等著.自动控制原理一实验与实践篇M.北京：中国电力出版社，2011.10.2杨平等著.自动控制原理一理论篇M.北京：中国电力出版社， 2009.3杨平等著.自动控制原理一练习与测试篇M.北京：中国电力出版社，2012.9附录1 .绘制系统的单位阶跃响应曲线：clcclear allg0=zpk(-1/90,-1/2,-1/45,-1/230,895/23

28、0);sys=feedback(g0,1);step(sys);2 .绘制闭环系统的零极点图：clcclear allg0=zpk(-1/90,-1/2,-1/45,-1/230,895/230);rltool(g0);3 .绘制被控系统的根轨迹图：clcclear allg0=zpk(-1/90,-1/2,-1/45,-1/230,895/230);sys=feedback(g0,1);rlocus(sys);4 .绘制开环系统的奈氏图clcclear allg0=zpk(-1/90,-1/2,-1/45,-1/230,895/230);nyquist (g0);5 .绘制系统的BODE3

29、clcclear allg0=zpk(-1/90,-1/2,-1/45,-1/230,895/230);bode (g0);6 .P控制器对系统性能的影响clcclear allg0=zpk(-1/90,-1/2,-1/45,-1/230,895/230);kp=0.2:0.3:1.1;for i=1:length(kp)gc=kp(i);sys=feedback(gc*g0,1);% step(sys);% pzmap(sys);bode(sys);legend('first','second','third','four');

30、 hold onend7 .PI控制器对系统的影响clcclearg0=tf(895/230*1 1/90,conv(conv(1 1/2,1 1/45),1 1/230); sys0=feedback(g0,1);kp=1;Ti=3:2:11;figure(1);for i=1:length(Ti)gc=tf(kp*1 1/Ti(i),1 0);sys=feedback(gc*g0,1);step(sys);legend('first','second','third','four','five');hold o

31、nendaxis(0 50 0 2);figure(2);for i=1:length(Ti)gc=tf(kp*1 1/Ti(i),1 0);bode(gc*g0);legend('first','second','third','four','five');hold onendfigure(3);for i=1:length(Ti)gc=tf(kp*1 1/Ti(i),1 0);sys=feedback(gc*g0,1);pzmap(sys);legend('first','second&

32、#39;,'third','four','five');hold onend8 .PD控制器对系统的影响clcclearg0=tf(895/230*1 1/90,conv(conv(1 1/2,1 1/45),1 1/230);kp=0.5;Td=0.3:0.4:1.9;figure(1);for i=1:length(Td)gc=tf(kp*Td(i) 1,1);sys=feedback(g0*gc,1);step(sys);legend('first','second','third','four','five');hold onendfigure(2);for i=1:length(Td)gc=tf(kp*Td(i) 1,1);bode(gc*g0);legend('first','second','third','four','five');ho