基于MATLAB的炉温控制系统的仿真.docx

1、基于MATLAB的炉温控制系统的仿真控制系统仿真课程大作业题目:基于MATLAB的炉温控制系统的仿真院系名称：电气工程学院专业班级：自动F0904学生姓名：学号：指导教师：教师职称：讲师评语:成 绩:任课教师: 时 间:摘要在数字 PID 算法中，为了避免传统 PID 控制器算法中积分累积所造成的系统 较大超调和不稳定， 甚至是积分饱和， 人们常常会使用积分分离 PID 算法加以改 进。本文又提出了变速积分 PID 算法，并以电锅炉温度控制系统为例， 基于 MATLAB 并运用仿真分析手段， 对两种不同算法的控制效果进行了比较， 得出了积分分离 算法的上升时间 tr 较短，而变速积分算法的调节

2、时间 ts 较短 ，最大超调量较 小，振荡次数较少，在温度控制系统中变速积分优于积分分离的结论。本文以加热炉控制系统为例提出了一种模糊控制方案 , 介绍了模糊控制器 的设计过程并很方便地利用 SIMULINK 进行了仿真研究 , 结果证明 , 这种模糊 控制系统具有良好的动态性能。关键词： PID 控制；积分分离；变速积分； MATLAB目次1 绪论 4.2 系统描述 4.2.1 系统过程 4.2.2 系统的组成和基本工作原理 5.2.3 对象模型的归纳 6.3 PID 控制及仿真 6.3.1分分离PID控制算法 7.3.2变速积分PID控制算法 7.4 基于两种控制算法的炉温控制系统仿真 8

3、.结论 1.0.致谢 1.0.参考文献 1.1.1 绪论控制系统计算机仿真是应用现代科学手段对控制系统进行科学研究的十分 重要的手段之一。进入 80年代以来 , 几乎所有控制系统的高品质控制均离不开 系统仿真研究。 通过仿真研究可以对照比较各种控制策略与方案 , 优化并确定相 关参数 , 特别是对于新控制决策与算法的研究 , 进行系统仿真更是必不可少的。 一般而言 , 对控制系统进行计算机仿真首先应建立系统模型 , 然后依据模型编 制仿真程序 , 充分利用计算机作为工具对其进行数值求解并将结果加以显示。 显 然 , 通常在仿真过程中 , 十分耗费时间与精力的是编制和修改仿真程序。 近年来 国外

4、在控制领域 中推出了一些功能强大的仿真语言 , 如 SABER、 MATLAB( SIMULINK等。这些语言的出现为系统仿真提供了强有力的支持 ，极大 地推动了仿真研究的发展。本文中主要介绍 PID 控制算法对炉温的控制。 2 系统描述 2.1 系统过程在工农业生产或科学实验中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之 一，为了保证生产过程正常安全地进行， 提高产品的质量和数量， 以及减轻工人 的劳动强度， 节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温， 不能 随电源电压波动或炉内物体而变化； 或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个 指定的升温或保温规律而变化等等 因此，在工农业生产或科

5、学试验中常常对温 度不仅要不断地测量， 而且还进行控制 电阻炉炉温的控制， 根据工艺的要求不 同而有所变化，但大体上可归纳为以下几个过程：(1)自由升温段，即根据电阻炉自身条件对升温速度没有控制的自然升温过程。(2)恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行(3)保温段，即要求在这一过程中炉温基本保持不变。(4)慢速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率进行(5)自由降温段 而每一段都有时间的要求，如图 1 所示：图1炉温控制要求2.2系统的组成和基本工作原理本电阻炉炉温自动控制系统方块图如图 2所示:图2电阻炉炉温自动控制系统控制过程：计算机定时（即采样周期）对炉温进行测量和控制一次，炉

6、内温度 是由一铂电阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片换算成相应的 数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数（增量值），经 过数模转换芯片转换成模拟量信号， 供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到 炉温变化曲线的要求。当设定某一温度的电炉在正常运行时，如果由于某种原因 （例如电源电压的波动，周围环境温度变化等）使炉温发生变化（如下降），铂电阻温度计所检测出 来的温度信号5将下跌，把Ui送入计算机内与设定值Uo比较，得到偏差信号e = Ui - Uo增加，于是经过放大后，使可控硅控制角前移，使输出电压Uo增加，温度增加，因而补偿了刚才的下降，电阻炉又重新在一个新的平

7、衡温度下运 行.另外，如果供给可控硅整流装置的电源电压升高， 则会使整流电压Ud升高, 电炉炉温升高，铂电阻温度计检测出的信号升高，使偏差信号 e下降来促使Ud 下降，补偿由于电源电压升高对炉温的影响。2.3对象模型的归纳尽管在生产过程中，有各种各样需要进行调节的对象表面上看来性能是何等 的不同，但是那些物理或化学性质绝无相似的对象，在归结成微分方程或传递函 数后却常常会发现它们互相之间有共同之处，往往方程形式完全相同，所差的仅 是参数和输入输出的信号。据此，可以将对象的模型作一归纳。设对象的输入信W(s)诜号为u(t)，输出信号为y(t).它们对应的传递函数为根据描述对象特性需用微分方程的阶

8、数不同，对象可分一阶或二阶至于阶数高于二阶的由于实际计算，分析参数有困难而用纯滞后的一、二阶方程来近似代替，因此实用上对象模型的基本形式对于炉温控制系统应该是纯一阶滞后系 统。则它的传递函数应该是：W(s)二KeTs 13 PID控制及仿真PID控制器由于具有结构简单，容易实现，控制精度高等优点，广泛应用于 工业控制过程中。而工业控制过程本身由于机理复杂，时变，时滞等原因，其精 确地数学模型很难得到，一些高阶对象通过降阶，一般用一阶或二阶惯性环节加 纯延迟来近似。但是在一个具有纯滞后的系统中， 采用常规的PID控制时，存在 的主要缺点是动态响应指标较差。 系统承受扰动后，往往会出现明显的超调，

9、且 调节时间也较长，然而在有些场合，大的超调是不允许的，因此在PID控制的基 础上，提出了积分分离PID控制算法与变速积分PID控制算法。3.1分分离PID控制算法在传统PID控制算法中，弓I入积分环节的主要目的是为了消除系统的静态误 差，提高控制精度，但随着积分积累，在系统的启动，结束或大幅度增减设定时， 短时间系统会产生较大的偏差，可能引起系统较大的超调，甚至引起振荡，同时 也增大了调节时间。在复杂控制系统中，随着偏差的累积，调节器也可能进入深 度饱和状态，这在生产过程中是不允许的。为此，可采取积分分离措施。我们设定一个积分分离阀值 B，当偏差|e(k)| B，即偏差较大时，取消积分作用，

10、采用PDI控制，当偏差|e(k)| A+ B式中，以A, B为积分区间。变速积分PID算法为:u(k)二 kpe(k) kiui(k)T kde(k) - e(k - 1)】/Tk-15(k)八 e(j) fe(k)e(k)j=0fb(k) 1的值在区间01内变化，当偏差e(k)大于所给分离区间 A B后,f &k)】=0，不再对当前偏差e(k)进行继续累加；当偏差e(k)小于b时，加k入当前值e(k)，即积分项变为：口厂ke(i)T与一般PID积分项相同，积分达到最高速；而当偏差在B到A B之间时,则累积记入的是部分当前值，其值在 o和e(k)之间，随|e(k)|的大小而变化，k k其速度在

11、 切 e(i)T 到 K 迟 e(i)T 之间。实际中，A,B的值可做一次性整定,i=0 i =0当A,B的值选得越大，变速积分对积分饱和抑制作用就越弱 ，反之则越强般来说,最好取A = 30% , B - 20%为宜4基于两种控制算法的炉温控制系统仿真本文研究的是一种电加热式电锅炉， 这是一种具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述，而二阶系统通过参数辨识可降为一阶模型， 因而一般采用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型得到电锅炉温度系统的传递函数为:61200s 1T20s利用Simuli nk仿真，建立积分分离控制模型如图3所示图3积分分离控制模型 下图4是在MATLAB境

12、下积分分离和变速 积分控制的仿真比较曲线图，如图4所示。图4积分分离电炉温度控制系统下图图5是变速积分控制系统的仿真曲线图5变速积分电炉温度控制系统仿真曲线结论通过对MATLAB勺学习，让我对控制系统的仿真软件有了一个很好的理解，同时 也控制通过MATLAB寸控制系统的仿真更好的理解争得控制原理和现代控制理论 等一些理论课程的知识，虽然已经学习了 MATLAB件，也能够通过此软件进行 一些基本的控制系统的仿真，但我深深的认识到 MATLAB件的强大功能，除了可以对控制系统仿真之外，还可以解决很多的数学问题，不仅仅是一款仿真软件， 还是一个强大的数学解题器，很多的数学问题都可以通过其解决， 所以

13、，MATLAB 软件是以后学习和工作比不可少的解决难题的工具。致谢非常高兴我选择了控制系统仿真这门课程，我真的学习到了很多的知识，同时, 也感谢老师对我们孜孜不倦的教导，才让我学习到了很多的知识。参考文献1常存，仁爱锋等. 基于FPGA的嵌入式系统设计MD，西安：西安 电子科技大学出版社，20042王建校，危建国. 技大学出版社，2006SOPC设计基础与实践MD.西安：西安电子科3 罗健强，陈向东.4 微电子学与计算机,基于Nios II软核的嵌入式信息处理系统的实现2007，24( 1) : 193 1965基于MATLAB(SLMULIN语言的炉温模糊控制系统仿真-邢台职业技术学院学报-2002,19 (2)