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1、 华中科技大学文华学院毕业设计（论文）华中科技大学文华学院毕业设计(论文)题目：温度控制系统的建模与综合设计学生姓名： 学号： 学部（系）： 专业年级： 指导教师： 职称或学位： 目录摘 要4Abstract51 绪论71.1课题的目的及研究意义71.2国内外研究及发展趋势71.3几种常见的控制方法81.3.1 PID控制81.3.2串级控制91.3.3智能控制101.3.4自适应控制101.4 本文的主要研究内容及预期目标112 被控对象的数学模型及控制策略122.1被控对象的数学模型122.2 PID控制的基本理论122.3 PID控制器的参数整定的方法132.3.1衰减曲线法142.3.
2、2临界比例带法142.3.3动态参数法152.3.4经验法172.3.5四种工程整定方法的比较172.4 串级控制系统的设计182.4.1 主、副回路的设计原则182.4.2主、副调节器的选型192.4.3主、副回路的匹配203 系统的仿真研究223.1仿真环境及工具箱223.2 MATLAB的主要功能223.3 Simulink仿真环境233.4 PID控制243.4.1单回路控制时系统仿真243.4.2串级控制时系统仿真263.4.3单回路与串级控制时系统仿真对比28结束语30主要参考文献31致谢32温度控制系统的建模与综合设计摘 要温度是工业控制的主要被控参数之一，如在冶金、机械、食品、
3、化工、印染、石油加工等工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等，可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。本文研究合适的控制方案对温度进行控制，技术要求是调节时间短，超调量为零且稳态误差在士1内。本文中主要以PID算法为主要研究对象。PID控制器的一个特别的优势是两个PID 控制器可以一同被使用以产生更好的动态特性。这被称作串联PID控制。在串级控制，有二个PID控制器控制另一个参数值。一个PID控制器担任外环控制器，例如易流动物体或者速度控制主要物质参数。另一控制器担任内环控制器，读取外环控制器的输出，通常控制改变更迅速的参数。
4、数学上可以证明，通过使用串联的PID 控制器，控制器的工作频率被增加，目标的时间常数被降低。最后针对已建立的温度控制系统利用不同的控制策略进行了实验研究。利用Matlab对不同的控制算法进行了仿真实验，通过对实验数据的研究和分析表明本文中所使用的串级控制系统的合理性和有效性。关键词: PID控制器 串级控制 Matlab仿真Temperature control system of modeling and integrated designAbstractTemperature is one of the main parameters controlled in the industria
5、l process control, for example in the metallurgy industry, machinery industry, food industry, chemical industry, print industry and the petroleum-processing industry etc., various kinds of heaters and reactors are extensively used. But it is very difficult to control temperature well because of some
6、 characteristics of the temperature itself. For example temperatures inertia is great, its time-lag is serious and it is difficult to establish accurate mathematical model of the object. This paper is to study an adapt control method to control the temperature of the electric oven, the technology de
7、mand of control method is: the regulating time must be short, the over shoot must be zero and steady-state error must be in 士1. The PID control arithmetic is the main research object in this thesis.One distinctive advantage of PID controllers is that two PID controllers can be used together to yield
8、 better dynamic performance. This is called cascaded PID control. In cascade control there are two PIDs arranged with one PID controlling the set point of another. A PID controller acts as outer loop controller, which controls the primary physical parameter, such as fluid level or velocity. The othe
9、r controller acts as inner loop controller, which reads the output of outer loop controller as set point, usually controlling a more rapid changing parameter, flow rate or acceleration. It can be mathematically proved that the working frequency of the controller is increased and the time constant of
10、 the object is reduced by using cascaded PID controller. Finally, according to the temperature control system has been established by using different control strategies of the experiment. Use of Matlab different control algorithm, the simulation experiment through experiment data research and analys
11、is show that the use of the cascade control system is reasonable and effective. Key words：PID controller Cascade control Matlab Stimulation1 绪论1.1课题的目的及研究意义温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。温
12、度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域。温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制1。 PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟
13、PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。1.2国内外研究及发展趋势 近年来，国内外对温度控制调节器进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得巨大的进展，形成了一批商品化的温度调节器，如：智能化 PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好，可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的改造。
14、国外温度控制系统的发展情况 自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2）能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3）能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。
15、4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。5）温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 国内温度控制系统的发展概况,温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这
