MATLAB课程设计.docx

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MATLAB课程设计

东华理工大学高等职业技术学院

计算机辅助设计实习报告

姓名：

汪方操

专业：

电气自动化

班级：

1240803

学号：

201240080317

指导老师：

夏洪

2014年10月24日

摘要：

以喷雾式乳液干燥系统为例，简要的进行了系统的分析、设计过程，并利用simulink对不同的设计方案进行仿真及比较，根据工业生产实际选出了最佳的设计方案，根据“经验法”对PID控制参数进行了整定，得到了较为满意的控制品质。

关键词:

设计仿真PID控制器参数整定

1.前言

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

本文以工业中的喷雾式乳液干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。

2.课程设计要求

（1）查阅资料，在东华理工大学网查资料。

查询5篇科技期刊论文。

（2）画出生产奶粉的控制系统的框图。

（3）选定控制系统的三个参数：

Kp,Ki,Kd。

（4）选定系统的输入为单位阶跃输入：

用simulink画出系统的输出曲线。

（5）用MATLAB求出该系统的单位阶跃响应。

（6）用MATLAB画出系统的bode图。

（7）求出系统的性能指标：

超调量，稳态误差，调节时间，上升时间。

（8）进一步优化系统，改变Kp,Ki,Kd的数值，使超调量，稳态误差，调节时间，上升时间更加理想。

3.喷雾式乳液干燥系统生产过程及工艺要求概述

图2.1喷雾式乳液干燥过程示意图

图2.1喷雾式乳液干燥过程示意图，通过空气干燥器将浓缩的乳液干燥成乳粉。

已浓缩的乳液由高位储槽流下，经过滤器，然后从干燥器顶部喷嘴喷出。

干燥空气经热交换器加热、混合后，通过风管进入干燥器与乳液接触，将乳液中的水分蒸发形成乳粉。

要求乳粉质量高，含水量波动不能太大。

由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固话，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法，也就是槽中盛了鲜奶，再通过加热干燥使水分蒸发，使之成为奶粉。

由于需要蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起送出进行分离。

生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制。

试验证明，若温度波动在正负2度以内，则产品质量符合要求。

4控制方案设计

1

2

3

4.1被控参数选择

按照生产要求，产品的质量取决于乳粉水分的含量。

湿度传感器的精度低、滞后大，不易实现精确、快速的测量。

而乳粉水分的含量与干燥器出口温度密切相关，且容易找到单值对应关系。

因而可选择干燥器的出口温度作为被控参数（间接），从而实现对奶粉水分控制。

4.2控制变量选择

影响干燥器出口温度的变量有乳液流量[记为f1（t）]、旁路空气流量[记为f2（t）]、加热蒸汽量[记为f3（t）]三个因素，通过图2.1的调节阀1、调节阀2、调节阀3对这三个变量进行控制。

选择其中之一均可得到相应的控制方案。

以下我选择旁路空气流量f2（t）为控制变量

以旁通冷分流量f2（t）为控制变量，得到控制方案方框图：

图3.2.2方案2对应的方框图

5.通道分析：

1.

2.

3.

3.1.

3.2.

3.3.

5.1各环节的放大系数均为1；

5.2温度测量变送器：

假定温度测量变送元件的时间常数为5秒即,

；

5.3干燥器：

干燥温度对于乳化物流量，对于热风温度都看作是3个时间常数为8.5s，滞后时间为2秒的对象，即干燥器特性为

；

5.4风管：

只是一个流动通道，可近似的看作是一个滞后环节，对应于操作时的热风流速，滞后时间为3秒

5.5两个时间常数为100s的环节

5.6混合过程：

加热器热风与旁路冷风的混合过程，可以看作时间常数为100秒的环节

；

6仿真及分析：

Simulink仿真方案：

图3.4.3方案2simulink仿真图

图3.4.4方案2simulink仿真结果图

由于一阶惯性环节的时间常数T和纯滞后t，相对于方案1控制通道有一定的之后，控制变量对干燥器的反应不够灵敏干扰f1（t）影响较大，而干扰f2（t）引起的动差小而且平缓。

7.PID参数整定

7.1利用衰减曲线法进行的整定：

整定参数

调节规律

P

Ti

Td

P

P

I

1.2P

0.5TS

D

0.8P

0.3TS

0.1TS

表1衰减比4：

1时，衰减曲线法整定参数计算参考表

首先将P置较大的数值，Ti=

，Td=0.第一次置的值为10，发现系统已经发散，说明P

的值过大。

适度的减小，直至出现衰减震荡。

如果衰减的比例大于4：

1，说明P的值过小，需适

当的增大。

经过多次试探可确定最终的P值为4.

图4.1P=10系统响应曲线图4.2P=4系统响应曲线

7.2利用workspace的数据，可得第一个峰值为y1=1.2196，y2=0.9161，y（

）=0.8086；于是

满足条件。

此时TS=231.41-86.85=144.56S.

整定参数

调节规律

P

Ti

Td

P

4

I

4.8

72.28

D

3.2

43.368

14.456

表2根据P确定的PID整定参数计算表

7.3整定完成后系统仿真图

7.4PID控制结果

PID整定后系统性能指标

超调量=63.37%

稳态误差=0

Ts=100s

Tr=60.22

8.干扰仿真

F3（t）蒸汽流量扰动，延迟500秒仿真图

F1（t）乳液流量扰动，延迟500秒仿真图

F1（t）与F3（t）同时作用，延时500秒仿真图

没有扰动作用：

需要说明的是由于生产的实际，我们总是希望系统的生产能力处于最大的状态，也就是说乳液的流量f1（t）对应的阀门始终处于最大的开度状态，这样f1（t）的扰动基本上是为零的，这样PID调节器对于生产实际已经能满足要求。

综上所述，对于衰减法进行的PID参数整定，很重要的一点是如何确定P值，一旦P值确定后，便可根据经验的表格进行计算得出相应的结果。

需要说明的是上述表格得出的结果只是一个参考值，如果整定的效果仍旧不满意可以进行相应的微调，直至满意为止。

8.2.系统进行微调后的图形

系统性能指标：

超调量=7.05%

稳态误差=0

Ts=150s

Tr=76.5055s

9.MATLAB指令画图

9.1系统单位阶跃响应

指令代码

clear

clc

s=tf（'s'）

G=[（3.2*（1+1/（43.368*s）+14.456*s）*（5*s+1））-（（1/s）*（5*s+1）*（s+3）*（100*s+1））+（（5*s+1）/（100*s+1）/（100*s+1））]/[（3.2*（1+1/（43.368*s）+14.456*s））+（（100*s+1）*（s+3）*（5*s+1）*（8.5*s+1）*（8.5*s+1）*（8.5*s+1））]

%step（G）

bode（G）

9.2结果

加入两个扰动系统单位阶跃响应图

系统伯德图：

加入两个扰动

没有扰动伯德图：

没有扰动作用单位阶跃响应图：

F3（t）扰动单独作用单位阶跃响应图：

F3（t）扰动单独作用伯德图：

F1（t）扰动单独作用单位阶跃响应图：

F1（t）单独作用伯德图：

10.结束语及感悟

感谢夏老师的指导，使我明白了PID控制因其简单、易用而广泛应用于工业现场。

本次正是以工业生产实际为标准进行的设计。

其实不难发现，控制的最后对于干扰的预制并不是太好。

如果进行多级控制，在最后的输出再增加一个负反馈回路，形成反馈回路，达到的控制效果将会更好。

读完五篇参考文献，使我明白了科学的严谨。

PID控制的特点以及参数整定。

喷雾式乳液干燥器的特点及工作原理。

本次试验收获颇多。

11.参考文献

[1].　李华,范多旺,魏文军,等.计算机控制系统[M].北京:

机械工业出版社,2007.

[2].　王树青.工业过程控制工程[M].北京:

化学工业出版社,2004.

[3].　刘金琨.先进PID控制及其Matlab仿真[M].2版.北京:

电子工业出版社,2006.

[4].　朱麟章.过程控制系统及设计[M].北京:

机械工业出版社,1996.

[5].　李少远,王景成.智能控制[M].北京:

机械工业出版社,2005.