过程控制系统课程设计报告

1、过程控制系统课程设计报告题目：温度控制系统设计姓名：学号：班级：指导教师：温度控制系统设计一、设计任务设计电热水壶度控制系统方案，使系统满足85 度至 95 度热饮需要。二、预期实现目标通过按键设定温度， 使系统水温最终稳定在设定温度，达到控制目标。三、设计方案（一）系统数学模型的建立要分析一个系统的动态特性，首要的工作就是建立合理、适用的数学模型，这也是控制系统分析过程中最为重要的内容。数学模型时所研究系统的动态特性的数学表达式，或者更具体的说，是系统输入作用与输出作用之间的数学关系。在本系统中，被控量是温度。被控对象是由不锈钢水壶、2Kw 电加热丝组成的电热壶。在实验室，给水壶注入一定量的

2、水，将温度传感器放入水中，以最大功率加热水壶，每隔30s 采样一次系统温度，记录温度值。在整个实验过程中，水量是不变的。经过试验，得到下表所示的时间-温度表：表 1 采样时间和对应的温度值采样时间 t1234567温度值19212836435057采样时间 t8910111213温度值647279869398以采样时间和对应的温度值在坐标轴上绘制时间-温度曲线，得到图 1所示的曲线：图 1 时间 -温度曲线采用实验法阶跃响应曲线法对温箱系统进行建模。 将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，称为阶跃响应曲线。从上图可以看出输出温度值的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的

3、阶跃曲线相似。因此我们选用kesG ( s)1Ts（式中： k 为放大系数； T 为过程时间常数；为纯滞后时间）作为内胆温度系统的数学模型结构。（1）k的求法： k可以用下式求得：y()y(0)kx （x：输入的阶跃信号幅值）（2）过程时间常数 T和滞后时间可用两点法求得：T= ln1t 2t1y* (t1 )ln 1y*(t 2 )= t2 ln1y* (t1 )t1 ln1y*y* (t 2 )ln1y* (t1 )ln1(t 2 )选取系统终值100，t1=90s，对应 y* (t1 ) =0.36，t2=300s，对应 y * (t2 ) =0.86得到K=0.8，T=138.1,=2

4、8.3系统开环传递函数：0.8K=138S1（二）基于 MATLAB 的 PID 仿真(1)PID 控制算法目前大部分温度控制器还是采用PID 控制算法， PID 控制是比例 积分微分控制， PID 控制是最早发展起来的、应用领域至今仍然广泛的控制策略之一。它是基于对象数学模型的方法，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的，一般都得到比较满意的控制效果。其调节品质取决于PID控制器各个参数的整定，但是对不同的温度控制对象要用不同的PID参数，而且参数整定比较麻烦。比例系数P 对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差

5、减小；P 偏大，振荡次数加多，调节时间加长；P 太大时，系统会趋于不稳定；P 太小，又会使系统的动作缓慢。P 可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果 P 的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远， 如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。积分控制 I 对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，I 小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。微分控制 D 对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，D 偏大时，超调量较大，调节时间较短；D 偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有D 合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

6、(2)仿真系统搭建和PID 整定通过 MATLAB 的 SIMULINK 功能搭建系统仿真模型如图2 所示：图 2 系统仿真模型PID 整定后的系统响应波形如图3 所示：图 3 系统响应波形（三）系统硬件设计系统的硬件设计采用直接交流调压方式。通过双向可控硅，对正弦电压采用移向触发控制。这种方式可以方便的调节电热壶的输入功率，减少控制主电路的发热损耗，提高系统电压利用率和整体效率。系统主电路的电路图如图4 所示：图 4 系统主电路电路图系统控制电路采用 AVRmega16 单片机控制。通过采样正弦电压过零点，结合单片机的 PWM 输出，对正弦电压进行调制。系统控制电路的电路图如图5 所示：图 5 系统控制电路的电路图控制电路将实际温度和设定温度显示在4 位数码管上。分阶段比较设定温度和实际温度的偏差，实现对温度的精确控制。一旦达到设定温度，系统自动停止加热，一旦温度低于设定温度，系统自动施加电压，始终保持设定温度。（四）系统软件设计系统软件控制流程图如图6 所示：开始系统初始化显示温度和设定值是否中断YN执行中断函数图 6 系统软件控制流程图四、实验结果表二设定值和实际值的关系设定值8586878889909192939495实际值8586878889909192939495试