基于PID的加热炉串级控制系统设计.doc

PAGE 第 PAGE 2页 五邑大学信息工程学院 控制系统综合设计 课程名称：基于PID的加热炉串级控制系统 专 业： 交通工程 姓 名： 范雪交 学 号： AP0904306 指导教师： 梁淑芬 二○一二年 十二月 第 PAGE \* MERGEFORMAT 15页 = 1 \* CHINESENUM3 一．摘要 简单控制系统由于其自身设备投资少，维护、投运简单，因此，成为了生产过程自动控制中最简单、最基本、应用最广的一种形式。但是，针对不同的生产过程为满足其生产过程的生产工艺、生产参数的不同要求，简单控制系统已不能满足生产要求，所以相继出现了各种复杂控制系统，而在这其中串级控制系统逐渐成为一种应用最广泛的控制系统。 串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，为双闭环或多闭环控制系统。串级控制系统可以有效改善和提高控制品质。而在串级控制系统应用最为广泛的调节器为比例、积分、微分控制器，即PID控制器，PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。 本设计是通过加热炉两种控制方案的对比并利用MATLAB中的Simulink进行系统仿真，采用衰减曲线法进行参数的整定，通过比较两种方案，最终说明加热炉串级控制系统的设计方案在实际控制中的优越性。 = 2 \* CHINESENUM3 二．设计内容： 加热炉单回路温度控制系统结构图 图1 图1加热炉单回路温度控制系统结构图 加热炉温度单回路控制系统结构框图 干扰干扰PID调节器 干扰 干扰 PID调节器 调节装置 夹套 加热炉 出口温度 温度反馈 + - + + + + + 图 图1 加热炉温度单回路控制系统结构框图 2.1. 加热炉温度串级控制系统结构图 图3 图3加热炉温度串级控制系统结构图 2.2. 加热炉温度串级控制系统结构框图 PID调节器PID调节器 PID调节器 PID调节器 调节装置 夹套 加热炉 出口温度 温度反馈 温度反馈 + - + + + - + + 干扰 干扰 图4 图4加热炉温度串级控制系统结构框图 3. 任务与设计要求 1、加热炉温度单回路反馈控制系统。 2、以加热炉温度为主变量，夹套温度为副变量，构成加热炉出口温度与夹套温度的串级控制系统。 3、利用simulink实现单回路系统仿真和串级系统仿真，得出系统输出响应曲线，根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点，验证串级系统是否能提高控制的精度。 4、要求系统稳定，快速性， 超调量δ≤10%。 5、规定各传递函数如下： 主控制对象加热炉温度传递函数: 副对象对象夹套温度传递函数: 主PID控制器的传递函数为： 副PID控制器的传递函数为： 衰减曲线法参数整定的相关资料 （1）衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间TI放在最大，微分时间TD放到最小，比例放大倍数KC设为1; （2）然后使KC由小往大逐步改变，并且每改变一次KC值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比小大于4：1，KC值继续增加，如果衰减比小于4：1，KC值继续减小，直到过程呈现4：1衰减如图为止; （3）通过上述试验可以找到4：1衰减振荡时的放大倍数为Ks以及振荡周期Ts。根据下表给出的经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值; 表 4：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式 控制器类型 控制器参数 P(KC) I(TI)/min D(TD)/min P Ks — — PI 0.83 Ks 0.5Ts — PID 1.25 Ks 0.3Ts 0.1Ts （4）按经验公式算出控制参数后按照先比例、后积分、最后微分的程序，一次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将KC放在一个比计算值稍小一些（一般小20%）的数值上，待积分、微分放好后再将KC放到计算值上,放好控制器参数之后再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡; （5）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到调节器上，做一些扰动试验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。 = 4 \* CHINESENUM3 四. Simulink仿真及参数整定 = 1 \* GB1 ⒈ 未加入PID调节之前系统的阶跃响应： 图 图5 未加入PID调节之前系统的阶跃响应 由图5可知：未加入PID调节之前系统系统是稳定的，但是系统的稳态误差过大，约为0.5左右。 = 2 \* Arabic 2 .串级控制系统仿真: 由主控制对象加热炉温度传递函数: ，和副控制对象夹套温度传递函数: ，在MATLAB中画出仿真框图，如图6所示： 图6 串级控制系