长安大学过程控制工程课程设计.docx
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长安大学过程控制工程课程设计
课程设计报告
课程名称过程控制工程
课题某温度控制系统的MATLAB仿真
学院（部）电子与控制工程学院
专业建筑电气与智能化
班级2013320602
学生姓名
学号201332060205
6月13日至6月19日共1周
指导教师（签字）王俭
目录
一、引言1
二、设计任务及要求1
2.1系统概况：
1
2.2系统参数：
1
2.3要求：
2
三、设计分析2
3.1任务分析2
3.2仿真软件介绍2
四、验证性仿真3
4.1调节器为比例控制3
4.1.1δ=10%时的过度过程3
4.1.2δ=20%时的过度过程4
4.1.3δ=50%时的过度过程4
4.1.4δ=100%时的过度过程5
4.1.5δ=200%时的过度过程5
4.1.6比例控制分析5
4.2调节器为比例积分控制（PI控制）6
4.2.1TI=1min时的过渡过程6
4.2.2TI=3min时的过渡过程6
4.2.3TI=5min时的过渡过程7
4.2.4TI=10min时的过渡过程7
4.2.5比例积分控制分析8
4.3控制器为比例积分微分控制（PID）8
五、调节器参数整定9
六、设计总结13
参考文献：
13
一、引言
在过程控制工程的学习过程中，我们逐渐掌握了系统建模的方法，加深了对各种控制系统的理解，比如反馈控制系统、前馈控制系统、串级控制系统、比值控制系统等。
但是，如果要过程控制工程有更深层次和更加全面的了解，仅仅靠课堂的学习是不够的，因此，课程设计就显得非常必要了。
借助于课程设计，我们可以更加系统的理解过程控制工程系统的工作过程和工作原理。
本次课程设计是对一个温度控制系统进行MATLAB仿真，并分别对其调节器的比例（P）控制，比例积分（PI）控制和比例积分微分（PID）控制进行仿真，分析Kp，TI，TD参数变化会对调节器的控制作用带来何种影响，会使它的单位阶跃响应曲线发生何种变化，最后对调节器的比例积分（PI）控制和比例积分微分（PID）控制进行参数整定，使其有较好的系统静态和动态性能。
二、设计任务及要求
2.1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；电动温度变送器测量范围（量程）为50～100OC，调节器输出信号为4～20mA。
Gf（s）为干扰通道的传递函数。
2.2系统参数：
2.3要求：
1、验证性仿真：
（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。
2、调节器参数整定
分别针对PI、PID控制规律，采用稳定边界法，基于MATLAB仿真整定调节器参数。
3、撰写设计报告。
三、设计分析
3.1任务分析
本温度控制系统属于单回路定值控制系统，结构简单，易于调整和投运，能在外界干扰的情况下仍使温度稳定在给定值上。
根据任务书的给出的系统及系统参数，可以计算出各传递函数为：
；
；
；
本次设计主要对调节器的控制规律（P、PI或PID）进行仿真，即确定传递函数Gc（s），分析比例系数Kp、时间常数TI和微分时间TD对调节器控制规律的影响。
然后对调节器进行参数整定，使其具有较好的控制或性能。
3.2仿真软件介绍
对于本次温度控制系统的仿真，采用的是MATLAB软件中的Simulink工具。
Simulink是MATLAB下的面向结构图方式的仿真环境，是实现动态系统建模和仿真的集成环境，其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而可以在实际系统制作出来之前，预先对系统进行仿真和分析，并可以对系统做适当的实时修改或按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少设计系统过程中反复修改的时间，实现高效率的开发系统的目标。
四、验证性仿真
调节器的传递函数为
，当TI=∞，即
且TD=0时，调节器控制规律为比例（P）控制；仅当TD=0时，调节器控制规律为比例积分（PI）控制；三个参数Kp、
、TD均不为0时，调节器即为比例积分微分（PID）控制
4.1调节器为比例控制
建立的仿真图如下：
为调节器传递函数的仿真结构图，只需要调节Kp、
、Td的值即可改变调节器的控制规律及控制参数，使其控制性能发生变化。
比例系数Kp的计算方法如下：
4.1.1δ=10%时的过度过程
此时
过渡过程如下图所示：
4.1.2δ=20%时的过度过程
此时
过渡过程如下图所示：
4.1.3δ=50%时的过度过程
此时
过渡过程如下图所示：
4.1.4δ=100%时的过度过程
此时
过渡过程如下图所示：
4.1.5δ=200%时的过度过程
此时
过渡过程如下图所示：
4.1.6比例控制分析
通过对比不同δ值时的响应曲线，可以发现以下规律：
（1）随着δ的增大，过渡过程的峰值在减小；
（2）随着δ的增大，系统稳态过渡时间在减小，响应速度变快；
（3）随着δ的增大，过渡过程曲线趋于平缓，但稳态终值减小；
因此，控制器的控制作用为纯比例（P）控制的时候，系统始终无法到达给定值，总是存在余差，故仅使用比例控制是达不到系统要求的。
4.2调节器为比例积分控制（PI控制）
建立的仿真图如下：
其中，比例系数
，
积分环节参数为1/TI。
4.2.1TI=1min时的过渡过程
此时1/TI=1，过渡过程如下图所示：
4.2.2TI=3min时的过渡过程
此时1/TI=0.3333，过渡过程如下图所示：
4.2.3TI=5min时的过渡过程
此时1/TI=0.2，过渡过程如下图所示：
4.2.4TI=10min时的过渡过程
此时1/TI=0.1，过渡过程如下图所示：
4.2.5比例积分控制分析
此控制作用仿真时，保持参数Kp不变，改变积分时间参数TI，可以发现以下规律：
（1）随着TI增大，过渡过程的峰值减小；稳态过渡时间减小，系统响应速度变快。
（2）本系统的系统稳态终值为80，所以给定值应设为80.
（3）加入积分作用后，消除了余差。
4.3控制器为比例积分微分控制（PID）
建立的仿真结构图如下：
其中，比例系数
，积分环节参数为
，微分环节参数为TD=0.2，其过渡过程曲线如下图所示：
为了分析微分环节在控制器中所起的作用，在Simulink中，在Kp和TI固定的情况下，分别对TD为0和0.2时仿真，得到如下过渡过程曲线：
1Td=0：
2Td=0.2：
比较两条曲线，可知：
（1）微分环节的加入，使过渡过程峰值减小，最大超调量也相应减小；
（2）微分环节的加入，使稳态过渡时间减小，系统响应速度变快，系统控制性能变优。
五、调节器参数整定
过程控制采用的控制器（调节器）通常都有一个或多个需要调整的参数和调整这些参数的相应机构（如旋钮、开关等）或相应设备（如计算机控制系统中的组态软件、可编程控制器中的编程器）。
通过调整这些参数使控制器特性与被控过程特性配合好，获得满意的系统静态与动态特性的过程称为控制器参数整定。
由于人们在参数调整中，总是力图达到最佳的控制效果，所以常称为“最佳整定”，相应的控制器参数称为“最佳整定参数”。
本次设计采用的整定方法是阻尼振荡法（衰减曲线法），具体整定步骤如下：
（1）在闭合系统中，置调节器积分时间为最大（TI=∞），微分时间TD置零（TD=0），比例度δ取较大数值反复做给定值扰动试验，并逐渐减小比例度，直至记录曲线出现4:
1的衰减为止。
这时的比例度称为4:
1衰减比例度δS，两个相邻波峰间的距离称为4:
1衰减周期TS。
（2）根据δS和TS值按上表中的经验公式，计算出调节器各个参数δ、TI和TD的数值。
调节器参数
控制规律
δ
TI
TD
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
（3）根据上述计算结果设置调节器的参数值，观察系统的响应过程。
如果不够理想，再适当调整整定参数值，直到控制质量符合要求为止。
建立的仿真图如下：
逐渐减小比例度直至出现4:
1衰减曲线，如下图所示：
此时，
，而Ks=32,Ts=5.282,由此计算出δS=0.32/Ks=0.01.根据衰减曲线法整定计算公式，可得：
（1）控制规律为PI控制时：
；
；
。
将三个参数设入仿真结构图后，得到调节器控制规律为PI控制时的响应曲线如下图所示：
从图中可以看出，其主要参数如下：
上升时间tr=0.3017s；峰值时间tp=1.6824s；最大超调量σp=243.34%；
过渡过程时间ts=41.5383s（Δ=5%）；振荡次数N=9,由此得出：
其过渡过程时间比较长，振荡次数也比较多，效果不是非常理想。
（2）控制规律为PID控制时：
；
；
将三个参数设入仿真结构图后，得到调节器控制规律为PID控制时的响应曲线如下图所示：
从图中可以看出，过渡过程参数如下：
上升时间tr=0.2286s；峰值时间tp=1.2455s；最大超调量σp=216.375%；过渡过程时间ts=7.9612s（Δ=5%）；振荡次数N=2.与PI调节相比，效果明显变好。
总结上述调节结果，得到以下规律：
比例积分控制（PI）时：
（1）Kp的减小能减小系统过渡过程的最大超调量，减少稳态前振荡次数，减少过渡过程时间，但会使系统上升时间增大，系统曲线趋于平缓，控制性能增强；Kp的增大则会使系统最大超调量增大，增加稳态前振荡次数，延长过渡过程时间，不利于系统控制性能的改善。
（2）TI的增大能减小系统过渡过程的最大超调量，减少稳态前振荡次数，减少过渡过程时间，使系统控制性能变优；而TI的减小则会使系统的最大超调量增大，增加稳态前振荡次数。
比例积分微分（PID）控制时：
（1）Kp的减小能减小系统过渡过程的最大超调量，但会使系统上升时间增大，稳态前振荡次数变多，过渡过程时间增长，不利于系统快速稳定；Kp的增大则能减小过渡过程上升时间，减少稳态前振荡次数，减小系统过渡过程时间，使系统快速稳定，但也会使系统最大超调量增大。
（2）TI的增大能减小系统过渡过程的最大超调量，减少稳态前振荡次数，减小过渡过程时间，并能消除过渡过程中出现的负值；TI的减小则会使系统过渡过程的最大超调量增大，稳态前振荡次数增多，过渡过程时间变长，所以，TI应适当增大。
TD的减小会使系统过渡过程的最大超调量增大，稳态前振荡次数增多，过渡过程时间变长；TD的增大则能减小最大超调量，减少稳态前振荡次数，使过渡过程时间减少，但不应过大。
根据上述规律，进行进一步修正，得到如下结果：
①比例积分控制（PI）：
调整参数更改为Kp=2；TI=2.5min（
）；TD=0，得到如下响应曲线：
②比例积分微分控制（PID）：
按照阻尼振荡法得到的结果已经比较好了，因此，不需要再进行相关参数的修正。
六、设计总结
本次课程设计让我对过程控制工程有了更深的理解，特别是对调节器参数的整定，有了更好的掌握。
对各种控制规律已经有了比较直观的印象，了解了各种控制规律的特点后，掌握了各种控制规律的适用场合，并且对简单的系统能够调整一定的控制参数。
其次，本次课程设计也让我重新复习了一遍Simulink的仿真知识。
在开始的时候，我发现对Simulink仿真软件的使用已经比较陌生了，复习了一点时间后，再加上课程设计过程中的不断重复使用，现在已经能够再次熟练使用该软件了。
最后，本次课程设计让我收获最大的就是在设计过程中能够发现一些简单的问题并且能够独立的解决它，让自己有了一定的机会去锻炼解决问题的能力。
参考文献：
《过程控制工程》邵裕森戴先中主编
《控制系统CAD—基于MATLAB语言》张晋阁陈丽兰主编
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