某温度控制系统的MATLAB仿真.doc

某温度控制系统的MATLAB仿真

课 程 设 计 报 告

题 目 某温度控制系统的MATLAB仿真 （题目C)

过程控制课程设计任务书
题目C：某温度控制系统的MATLAB仿真

一、 系统概况：
设某温度控制系统方块图如图：

图中Gc（s)、Gv(s）、Go(s)、Gm(s)、分别为调节器、执行器、过程对象及温度变送器的传递函数；，且电动温度变送器测量范围（量程)为50~100OC、输出信号为4～20mA。Gf（s)为干扰通道的传递函数。
二、系统参数

二、 要求：
1、分别建立仿真结构图，进行以下仿真，并求出主要性能指标：
(1)控制器为比例控制，其比例度分别为δ＝10％、20％、50%、100％、200％时，系统广义对象输出z（t)的过渡过程；
(2）控制器为比例积分控制，其比例度δ＝20%，积分时间分别为TI＝1min、3min、5min、10min时，z(t)的过渡过程；
(3)控制器为比例积分微分控制，其比例度δ＝10％，积分时间TI＝5min,微分时间TD = 0.2min时,z(t)的过渡过程.
2、对以上仿真结果进行分析比对，得出结论。
3、撰写设计报告。
注：调节器比例带δ的说明
比例控制规律的输出p（t）与输入偏差信号e(t）之间的关系为
式中，Kc叫作控制器的比例系数.

在过程控制仪表中，一般用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。比例度δ定义为

式中,（zmax—zmin）为控制器输入信号的变化范围,即量程;(pmax—pmin)为控制器输出信号的变化范围。

这时δ 与Kc 便互成倒数关系，即：

但如果调节器的输入、输出不是相同性质的信号，则系数K≠1,需要根据量程和输出信号范围进行计算。

例：某温度系统中，调节器为电动比例调节器，配用的电动变送器测量范围为40～150 OC，输出为4~20mA，若选用比例度δ =10％，问该比例调节器的比例系数Kc为多少?

解：

仿真过程
一,控制器为比例控制P
对于比例控制器：
其传递关系为:
控制器的传递函数为：
纯比例控制仿真结构图如下：

(1）当比例度为δ＝10％

即仿真图中Kc为3.2，给定值和阶跃扰动分别设置为80，10

则有仿真得系统广义对象输出z(t）的过渡过程如图：

其主要性能指标如下：
上升时间tr=2。4min；

峰值时间tp=3.2min;
最大超调量；
过渡时间ts=10min；
震荡次数N=3;
稳态误差=10OC

(2)比例度为δ＝20%
,将仿真图中Kc参数改为1。6即可,仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：

主要性能指标如下：
上升时间tr=3min;
峰值时间tp=4min；
最大超调量；
过渡时间ts=10min；
震荡次数N=2；
稳态误差=5OC

(3)比例度为δ＝50％
,将图1中K参数改为0。64即可,仿真得系统广义对象输出z（t）的过渡过程如下图：

主要性能指标如下：
上升时间tr=4.2min；
峰值时间tp=5min；
最大超调量；
过渡时间ts=10min；
震荡次数N=1;
稳态误差=—5OC

(4）比例度为δ＝100％
，将图1中K参数改为0。32即可,仿真得系统广义对象输出z（t)的过渡过程如下图：

由图可知比例度度为δ＝100%时,最大值小于80,达不到系统要求的稳定范围

（5）比例度为δ＝200％
，将图1中K参数改为0。16即可，仿真得系统广义对象输出z(t）的过渡过程如下图：

由图可知比例度度为δ＝200％时，最大值同样小于80,达不到系统要求的稳定范围。

二，控制器为比例积分控制PI
其传递关系为：
控制器的传递函数为：
建立比例积分仿真结构图如下：

（1）比例度δ＝20%，积分时间为TI＝1min
由比例环节可知，比例系数为1。6，仿真得系统广义对象输出z（t)的过渡过程如下图:

由于系统为发散型，所以不稳定，各项指标没有意义
（2）比例度δ＝20％，积分时间为TI＝3min
把仿真图中PI控制器改为， 仿真得系统广义对象输出z（t）的过渡过程如下图：

主要性能指标如下：
上升时间tr=2。7min；
峰值时间tp=4.2min；
最大超调量
过渡时间ts=10min;
震荡次数N=2；
稳态误差=20OC

(3）比例度δ＝20％，积分时间为TI＝5min
把仿真图中PI控制器改为，仿真得系统广义对象输出z（t）的过渡过程如下图：
主要性能指标如下：
上升时间tr=2.7min;
峰值时间tp=4.2min;
最大超调量;
过渡时间ts=10min;
震荡次数N=2；
稳态误差=10OC

（4） 比例度δ＝20％，积分时间为TI＝10min
把仿真图中PI控制器改为,仿真得系统广义对象输出z（t)的过渡过程如下图：

主要性能指标如下：
上升时间tr2.7min;
峰值时间tp=4。2min；
最大超调量；
过渡时间ts=10min；
震荡次数N=2；
稳态误差=2OC

三，控制器为比例积分微分控制PID
其传递关系为：
控制器地传递函数为：
已知要求为比例度δ＝10%，积分时间TI＝5min，微分时间TD = 0。2min,所以建立仿真结构图如图：

仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图

主要性能指标如下：
上升时间tr=2。4min;
峰值时间tp=3.4min；
最大超调量；
过渡时间ts=10min;
震荡次数N=2；
稳态误差=0OC
分析结论
（1)比例控制：
由比例控制过程的仿真可知，当δ从10%，20%，50％，100%，200％变化过程中，Kc逐渐减小。随着Kc的逐渐减小，系统的响应速度，超调量都减小,但是当Kc少于0.32以后，系统响应变慢，且系统达不到调节要求。
由此可知，比例系数Kc越大，系统响应越快,但是过大时会导致系统不稳定.但是如果Kc过小,也不能达到调节要求,系统响应慢，静态特性差。
(2）比例积分控制：
从仿真的结果来看，随着积分时间的增加，积分的控制作用在减小，系统的稳定性在加强。积分控制主要是消除静差，积分作用的强弱同时取决于积分时间的长短.采用比例积分调节控制，可以实现误差调节。
（3）比例积分微分控制：
由仿真过程可以看出，运用PID调节，不仅可以消除误差，由于微分环节的加入，还能够提高系统的稳定性，是一种比较理想的调节方式。

收获与体会
通过本次课程设计，使我对比例控制，比例积分控制，以及比例积分微分控制（PID）三种系统控制手段有了一个更深的认识，从单它们一的控制作用，再到三者对比，使我基本理解了它们的控制规律,也认识到了它们各自的控制优势与不足。同时我也熟悉了MATLAB运行环境，掌握了Simulink的仿真过程。
这次课程设计也使我学到了很多书本之外的东西。在课设的过程中,通过查找资料及同学之间的探讨,使自己将理论知识上升到实践的高度。最后，感谢老师在我们学习过程中无私的指导。

附录:参考文献
[1] 邵裕森、戴先中:过程控制工程。机械工业，2000（5）.
[2] 鄢景华：自动控制原理.哈尔滨工业大学，2012（10）。
［3］ 张普格、陈丽兰：控制系统CAD—基于MATLAB语言.机械工业，2010（8）。

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