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1、课程设计报题 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501 OOoC、输出信号为420mA。Gs)为干 扰通道的传递函数。二、系统参数T =5min； T =2.5min； K =1.5(kg/min)/mA；0mvK =5.4oC/(kg/min)；K =0.8；0f给定值 x(t)= 80oC； 阶跃扰动f(t)= 10oC二、要求
2、：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6=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6=20%，积分时间分别为T/=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6=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6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
3、P(t)=K e(t)c 式中，Kc叫作控制器的比例系数。K(.s)在过程控制仪表中，一般用比例度d来表示比例控制作用的强弱。比例度6定义为xlOO%e (z - z ) maxminp (p-p )max min式中，(Zmaxmin丿为控制器输入信号的变化范围，即量程；(PmaxPmm)为控制器输出信号 的变化范围。现将比例度的数学表达式改写为JK5=K-X100%X100%在单元组合仪表中，控制器的输入和输出都是统一的标准信号, 则系数K I这时6与Kc便互成倒数关系，即：5 = X 100%Kc但如果调节器的输入、输出不是相同性质的信号，则系数KH1,需要根据量程和输出信 号范围进行计
4、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40150 oC,输出为420mA，若选用比例度（5=10%,问该比例调节器的比例系数K为多少?K = 1 P - P .解：/ K X maxmm c 5 z - z max min120-4K = x= 1.45c 0.1 150 - 40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：y(t)二Kpe(t)控制器的传递函数为：G(t)二K纯比例控制仿真结构图如下：(1) 当比例度为6=10%P- P maxminZzmaxmin20-4100-50=3.2即仿真图中Kc为3.2,给定值和阶跃扰动分别设置为
5、80, 10号 Block Parameters: Step则有仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如图:1201008060402051QTime offsetft B S其主要性能指标如下:上升时间tr=2.4min;峰值时间tp=3.2min；119-80最大超调量p48.75%过渡时间ts=10min;震荡次数N=3； 稳态误差ess=10OC(2) 比例度为6=20%K-丄 x 壬1.6C 2 100-50 ，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:25020015050508910Tin馆 off酣：Qp Q W主要性能指标如下上升时间
6、tr=3min;峰值时间tp=4min；=105-80 最大超调量 p -昉=31.25%过渡时间ts=10min;震荡次数N=2； 稳态误差ess=5OC(3) 比例度为6=50%二丄x皀丄二0.64，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) c 0.5 100-50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；_ 90-80 _12 5% 最大超调量P =古=过渡时间ts=10min;震荡次数N=1；稳态误差ess=-5OC(4) 比例度为6=100%U卜爲二0.32 ,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
7、(t)的过渡过程如下图:70T6040302010661018OIPIPPB a由图可知比例度度为6=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6 =200%K 二1 x 20-4 二0.16C 2 100-50 ，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:掘AGO由图可知比例度度为6=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PIK f,、，十,y() = K e(t) + pJ te(t)dt其传递关系为：(t)八片 J丿 控制器的传递函数为：G(s)= KP(1 +診 建立比例积分仿真
8、结构图如下：(1)比例度6=20%，积分时间为T=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:6004002000*200.160022016814亠12丄6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6=20%，积分时间为T=3min4.8S +1.6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:120TI11jljI8060402010268101214161820主要性能指标如下:上升时间tr=2.7min;峰值时间tp=4.2min；68.75%135-80r 亠最大超调量p过渡时间ts=10mi
9、n;震荡次数N=2； 稳态误差ess=20OC(3) 比例度6=20%，积分时间为Ti=5min把仿真图中PI控制器改为竺磐6，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图:5S主要性能指标如下:上升时间tr=2.7min;峰值时间tp=4.2min；_ 125-80最大超调量& p _ 旷_ 56.25%过渡时间ts=10min;震荡次数N=2； 稳态误差ess=10OC(4) 比例度6=20%，积分时间为T=10min把仿真图中PI控制器改为忖，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；115-8043.75
10、%最大超调量p过渡时间ts=10min;震荡次数N=2； 稳态误差ess=2OC三，控制器为比例积分微分控制PID其传递关系为：y(t) KPe(t T葺+ T-I te(t )dt i 0G (、 K (1 + TS + )控制器地传递函数为：p d TiS已知要求为比例度6=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b p=耳羿=43.75%;过渡时间 ts=10min;震荡次数 N=2；稳态误差ess=0OC
11、分析结论（1）比例控制：由比例控制过程的仿真可知，当6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）
12、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)
