某温度控制系统的MATLAB仿真

课程设计报告题目某温度控制系统的MATLAB仿真（题目C）1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50～100OC、输出信号为4～20mA。Gf(s)为干扰通道的传递函数。二、系统参数二、要求：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δ＝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δ＝20％，积分时间分别为TI＝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δ＝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。0mvo0foo=5min=2.5min=1.5(kg/min)/mA=5.4C/(kg/min)=0.8CCTTKKKx(t)=80f(t)=10；；；；；给定值；阶跃扰动2注：调节器比例带δ的说明比例控制规律的输出p(t)与输入偏差信号e(t)之间的关系为式中，Kc叫作控制器的比例系数。在过程控制仪表中，一般用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。比例度δ定义为式中，(zmax-zmin)为控制器输入信号的变化范围，即量程；(pmax-pmin)为控制器输出信号的变化范围。这时δ与Kc便互成倒数关系，即：但如果调节器的输入、输出不是相同性质的信号，则系数K≠1，需要根据量程和输出信号范围进行计算。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40～150OC，=cp(t)Ke(t)maxmin()=100%)maxminezzp(p-p=100%c1K3输出为4～20mA，若选用比例度δ=10%，问该比例调节器的比例系数Kc为多少？解：maxminmaxmin=204=1.450.115040ccpp1Kzz1K4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：(t))(eKypt控制器的传递函数为：ptKG）（纯比例控制仿真结构图如下：（1）当比例度为δ＝10％2.350-1004-201.01--1minmaxminmaxccKZZPPK即仿真图中Kc为3.2，给定值和阶跃扰动分别设置为80，105则有仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如图：6其主要性能指标如下：上升时间tr=2.4min;峰值时间tp=3.2min；最大超调量48.75%8080-119p；过渡时间ts=10min;震荡次数N=3；稳态误差sse=10OC（2）比例度为δ＝20％1.650-1004-202.01cK，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：7主要性能指标如下：上升时间tr=3min;峰值时间tp=4min；最大超调量31.25%8080-105p；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差sse=5OC（3）比例度为δ＝50％0.6450-1004-205.01cK，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)的过渡过程如下图：8主要性能指标如下：上升时间tr=4.2min;峰值时间tp=5min；最大超调量12.5%8080-90p；过渡时间ts=10min;震荡次数N=1；稳态误差sse=-5OC（4）比例度为δ＝100％0.3250-1004-2011cK，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(t)的过渡过程如下图：9由图可知比例度度为δ＝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δ＝200％0.1650-1004-2021cK，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：10由图可知比例度度为δ＝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PI其传递关系为：tptdtteeKy0Ip)()(TK(t)控制器的传递函数为：)11(STKGIps）（建立比例积分仿真结构图如下：11（1）比例度δ＝20％，积分时间为TI＝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：由于系统为发散型，所以不稳定，各项指标没有意义12（2）比例度δ＝20％，积分时间为TI＝3min把仿真图中PI控制器改为SS36.18.4，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；最大超调量68.75%8080-135p；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差sse=20OC（3）比例度δ＝20％，积分时间为TI＝5min把仿真图中PI控制器改为SS56.18，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：13主要性能指标如下：上升时间tr=2.7min;峰值时间tp=4.2min；最大超调量56.25%8080-125p；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差sse=10OC（4）比例度δ＝20％，积分时间为TI＝10min把仿真图中PI控制器改为SS106.116，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：14主要性能指标如下：上升时间tr=2.7min;峰值时间tp=4.2min；最大超调量43.75%8080-115p；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差sse=2OC三，控制器为比例积分微分控制PID其传递关系为：])(1)()([0)(tIdptdtteTdttdeTteKy控制器地传递函数为：)11(STSTKGIdps）（已知要求为比例度δ＝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：15仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图16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43.75%8080-115p；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差sse=0OC分析结论（1）比例控制：由比例控制过程的仿真可知，当δ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）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17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）.