《自动控制原理》课程设计

苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计《自动控制原理》课程设计姓名：胡文千学号：1345733203班级：13电气2班专业：电气工程及其自动化学院：电气与信息工程学院2015年6月苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计1目录一、设计目的............................................................................................................2二、设计任务............................................................................................................2三、设计内容及步骤..............................................................................................23.1使用实验箱搭建系统模拟实现电路，测量温度与电压的关系...................23.1.1实验目的................................................................................................23.1.2实验设备................................................................................................23.1.3实验原理及内容....................................................................................23.1.4实验步骤................................................................................................33.1.5实验参考................................................................................................43.1.6实验数据及分析.....................................................................................53.1.7实验箱实验总结...................................................................................163.2使用Simulink进行PID控制器设计和仿真，并给出仿真结果..............163.2.1实验目的和任务...................................................................................163.2.2实验原理和方法...................................................................................163.2.3实验使用仪器设备（名称、型号、技术参数等）...........................173.2.4实验内容(步骤）..................................................................................173.2.5实验程序及实验运行结果...................................................................203.2.6SimulinkPID控制器设计和仿真实验总结.........................................32四．设计结论..........................................................................................................32总结PID调节的基本特点...................................................................................32五、参考文献........................................................................................................33苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计2模拟PID闭环温度控制系统的设计与实现一、设计目的（1）掌握PID控制规律及控制器的实现；（2）了解模拟PID闭环控制系统的各部分构成；（3）掌握模拟PID调节器的设计和参数调整的方法；（4）掌握使用Simulink建立PID控制器及构建系统模型与仿真方法。二、设计任务（1）使用实验箱搭建系统模拟实现电路，测量温度与电压的关系；（2）使用Simulink进行PID控制器设计和仿真，并给出仿真结果。三、设计内容及步骤3.1使用实验箱搭建系统模拟实现电路，测量温度与电压的关系3.1.1实验目的1.了解模拟PID闭环控制系统的各部分构成。2.掌握模拟PID调节器的设计和参数调整的方法。3.1.2实验设备PC机一台，TD-ACC+(或TD-ACS)教学实验系统一套。3.1.3实验原理及内容1.模拟PID闭环温度控制系统框图如图3-1所示：图3-1模拟PID闭环温度控制系统框图苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计3本实验采用模拟PID调节器、PWM发生环节、驱动电路、测温元件、转换电路等构成闭环温控系统。首先由给定电压与反馈值相减形成偏差，对偏差再进行PID调节，PID调节器的输出经PWM发生器转换成脉宽调制的脉冲输出，经驱动加至电热箱的控制端，控制电热箱的加热功率；而另一方面，电热箱中的测温元件热敏电阻将温度变化转变成电阻值的变化，再由分压电路将电阻信号转换成电压信号形成反馈值。这里给定电压和温度之间是有一一对应关系的，PID调节器的参数调整的目标是使电热箱的温度以最快的速度、最小的超调达到给定电压所对应的温度。温度和电压的对应关系可参见表3-1。2．控制系统的模拟电路图见图3-2。图3-2控制系统的模拟电路图3.1.4实验步骤1．实验接线(1)将信号源单元的“ST”端插针与“+5V”端插针用“短路块”短接。(2)按图3-2接线，参照表3-1中的温度和电压关系选好给定的电压。仔细检查接线确定无误后开启设备电源。注意电热箱上的固态继电器和设备连接时的极性。注意：当选择温度单元作为实验对象时，给定电压一般不高于0.8V(PID调节器的比例系数为1时)，对应温度值大约为70℃左右。否则温度单元过热，可能会导致元件损坏。这里当PWM发生单元的输入电压为1.2V～3.4V时将产生PWM脉冲输出，且输入电压和脉冲的宽度成正比。当输入小于1.2V时PWM输出为零电平，当输入大于3.4V时PWM输出为高电平。苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计42.观察控制的效果(1)用示波器的“CH1”和“CH2”路表笔分别测给定电压和电压输出端，运行示波器可观察给定电压和反馈电压的关系，应符合PID控制器的规律。当反馈远小于给定时，PWM脉冲的电平宽度较大，加热的时间长；当反馈接近给定时，PWM脉冲的电平宽度减小，加热的时间也在减小；当反馈超出给定，PWM脉冲的电平宽度较小，加热的时间将变的很短，直到PWM脉冲的电平宽度为零，停止加热。(2)烤箱温度值可由温度计读出。系统上电运行后，可通过对温度上升情况的观察，再根据PID调节器的控制规律，适当调整P、I、D三项参数，即通过修改阻容值来达到修改比例、积分、微分值的作用，使系统能达到一个较好的效果。PID调节器的模拟电路图见图3-2。PID调节器的输出响应为：tTKtTtUipd1)()(0其中δ(t)为单位脉冲函数：022110101;;RCRRTCRTRRKdp此次实验取R0=R1=100K；R2=R3=10K；C1=C2=1uF3.1.5实验参考以上实验均在室温16℃条件进行的，下表列出实验前所测电热箱温度与电压的对应关系，仅供参考。表3-1苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计53.1.6实验数据及分析：1．按图3-2接线测得数据及分析：注：Ui为给定电压，U1为PID环节输入电压，U2为PID环节输出电压,U3为PWM环节输出电压，U4为温度单元输出电压（见图3-2）。（1）当给定电压Ui=0.1V时U1波形如3-3图所示：图3-3给定电压Ui=0.1VU3波形如图3-5所示：图3-5给定电压Ui=0.1VU2波形如3-4图所示：图3-4给定电压Ui=0.1VU4波形如图3-6所示：图3-6给定电压Ui=0.1V分析：输出信号均为一恒值。PID输出端对输入端有放大的作用。PWM输出一直是很小的电压。电压输出为一个较小的恒定电压。苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计6（2）当给定电压Ui=0.2V时U1波形如3-7图所示：图3-7给定电压Ui=0.2VU2波形如图3-8所示：图3-8给定电压Ui=0.2VU3波形如图3-9所示：图3-9给定电压Ui=0.2VU4波形如图3-10所示：图3-10给定电压Ui=0.2V分析：输出电压比Ui=0.1V时有所增大，但并没有发生震荡。PWM输出一直是很小的电压。电压输出为一个较小的恒定电压。苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计7（3）当给定电压Ui=0.3V时U1波形如图3-11所示：图3-11给定电压Ui=0.3VU2波形如图3-12所示：图3-12给定电压Ui=0.3VU3波形如图3-13所示：图3-13给定电压Ui=0.3VU4波形如图3-14所示：图3-14给定电压Ui=0.3V分析：PID输出开始震荡但幅度并不大。PID两端输出信号比输入信号大。PWM输出一直是很小的电压。电压输出为一个较小的恒定电压。苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计8（4）当给定电压Ui=0.4V时U1波形如图3-15所示：图3-15给定电压Ui=0.4VU2波形如图3-16所示：图3-16给定电压Ui=0.4VU3波形如图3-17所示：图3-17给定电压Ui=0.4VU4波形如图3-18所示：图3-18给定电压Ui=0.4V分析：PID输出震荡幅度变大但依旧发散。PWM输出开始出现脉冲波形。电压输出开始增大且依旧为恒定电压。苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计9（5）当给定电压Ui=0.5V时U1波形如图3-19所示：图3-19给定电压Ui=0.5VU2波形如图3-20所示：图3-20给定电压Ui=0.5VU3波形如图3-21所示：图3-21给定电压Ui=0.5VU4波形如图3-22所示：图3-22给定电压Ui=0.5V分析：PID输出震荡幅度变大但依旧发散。PWM输出开始出现脉冲波形，且脉冲波形占空比逐渐只能增大但变化速度较慢。电压输出开始增大且依旧为恒定电压。苏州理工学院2013级电气工程及其自动化专业《自动控制原理》课程设计10（6）当给定电压Ui=0.6V时U1波形如图3-23所示：图3-23给定电压Ui=0