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1、控制系统综合设计报告题 目: 加热炉温度控制系统设计第2页报告题目：加热炉温度控制系统设计一、 课程的要求和意义（一 ）课程设计的具体要求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。被加热物料流过排列炉膛四周的夹套后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的装有一个调节阀，用以控制夹套温度控制，以达到控制出口温度的目的。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。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
2、控制系统的优缺点，验证串级系统是否能提高控制的精度。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。4、要求设计的系统满足快速、准确、稳定，且超调量8%10%。5、给定各传递函数如下：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： 二、 加热温度控制系统设计（一） 加热炉单回路温度控制系统结构图图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调节器调
3、节装置夹套加热炉温度反馈+-+图2 加热炉温度单回路控制系统结构框图（二） 加热炉温度串级控制系统结构图图3加热炉温度串级控制系统结构图加热炉温度串级控制系统结构框图PID调节器PID调节器调节装置夹套加热炉温度反馈温度反馈+-+-+干扰干扰 图4加热炉温度串级控制系统结构框图（三） 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
4、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)/minD(TD)/minPKsPI0.83 Ks0.5TsPID1.25 Ks0.3Ts0.1Ts（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
5、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。(四) Simulink仿真及参数整定 未加入PID调节之前系统的阶跃响应：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 .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 串级控制系统总仿真图.
6、 副回路的整定将主环路断开，副环路为比例作用的条件下，由小到大逐渐降低副调节器的比例度。整定副回路的仿真图如图7所示。图7 整定副回路的仿真图 =2 （系统的超调很小） =4（开始出现超调量）=6 =8=10 =12 =16（系统开始震荡） = 20（系统震荡严重）图8 不同的比例度对应的整定副回路的单位阶跃响应曲线由上图的对比可知：整定副回路此时的控制器为纯比例作用，当比例度逐渐增大时系统超调量逐渐增加，随着比例度P的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定出现振荡。比例度P取值过小时，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使
7、系统的动静态性能变坏。当=10时，系统的衰减比趋向于4:1. 主回路的整定将主环路断开，连接好主回路，副回路的比例度保持为10不变，对主回路进行整定，仿真图如图9所示。图9 主回路仿真图a.先调比例环节逐渐增加主回路的比例度,用临界比例度法对主回路进行整定，衰减比基本可达到4:1的比例度值为13，主回路整定仿真波形如图10所示。图 10 系统P控制时的单位阶跃响应曲线b加入积分环节，进一步调节。当=13时，在=10时出现第一峰值1.56；在=28时出现第二峰值1.15，曲线稳定值为1，可计算出衰减度为（1.56-1）：（1.14-1）=4：1。所以=-=18,根据上表控制器参数经验公式可计算得
8、到，为了更精确调节，取不同的观察波形。当=13, =0，从大到小取值对应的阶跃响应曲线分别如图所示。 =0.5时 =0.3=0.2 =0.1 =0.05 =0.01 =0.005 =0.001 图 11 不同的值对应的系统PI控制时的单位阶跃响应曲线由上面的比较可以看出：当逐渐减小时，振荡减小，调节时间减短，但不能过小，否则系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。当=0.2系统稳定较好，超调量较小满足设计要求，因此取=0.2.c加入微分调节环节，进一步调节，减小系统的超调量。当=13，=0.2，=15时输出波形如下图所示，超调量基本满足要求而且稳态误差几乎为零。此时系统整定已经完成：主回
9、路的=13，=0.2，=15，副回路的=10. 加入扰动后的系统仿真加入扰动后，系统会出现稳态误差，动态性能和静态性能都会变差，PID的各参数需要重新进行调整。加入扰动的主回路仿真图如图12所示。图12 加入扰动后系统的仿真图加入扰动后系统仿真波形如图13所示，可以看出稳定值趋向于1。系统基本不存在稳态误差，所以PID调节的参数调节合理，无需进一步调整。图13加入扰动后系统仿真波形3. 单回路系统仿真：（1）单回路按照4：1衰减曲线整定。a.断开积分部分的情况下如图14所示：其中=4,，T1=34.8s时，如图15所示，可以看出：第一峰值：1.123, T2=92.8s，第二峰值0.85，稳定
10、值0.8。图14 单回路控制结构图 （未加入积分部分）图15 单回路阶跃响应曲线（未加入积分部分）b. 加入积分进一步调节设定值=4，=0.025时，系统超调较小，按照图16仿真，得到阶跃响应曲线曲线，如图17：图16 单回路控制控制结构图（加入积分部分）图17 单回路阶跃响应曲线（加入积分部分）（2）加入加入扰动后的系统仿真图18 单回路加入扰动后系统的仿真图图19 单回路加入扰动后系统的仿真波形（五）串级控制系统与单回路系统性能比较串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应输出曲线比较可知，串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。
11、串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。串级控制副干扰的影响调节很迅速，从而极大的减少副回路干扰对主被控参数的影响；抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有明显提高，使控制控制效果更好，提高了控制的精度。（六） 结论本系统主控制器为PI控制。由于P的作用是加快系统的响应速度，I的主要作用是消除系统的稳态误差，这样系统的响应速度比较快，而且稳态误差较小，而副控制器直接采用了P控制，主要为了避免引入积分I控制可能反而会降低副回路的快速性，降低控制效果。没有引入D控制，系统的超调还是比较大的。D控制能明显的减小系统的超调量。串级系统的主副
12、回路相互协调工作，使主被控变量能够准确地控制在误差允许的范围之内。串级控制系统，首先可以根据主回路的变化，调节系统，消除外界的干扰对主回路的影响；然后再根据副回路与目标值的差距，进一步调节系统，以保持系统输出恒定。与单回路控制系统相比，串级控制系统能改善被控过程的动态特性，抗干扰能力增强。三、 课程设计体会此次课程设计，使用到了过程控制系统很多方面的知识，包括串级控制系统分析、建模与仿真，串级控制系统整定方法，PID调节器的参数工程整定，串级控制系统的性能分析等。经过这次的课程设计，在此次课程设计的过程中，进一步熟悉了simulink的使用方法。更为深入的理解串级控制，单回路控制，比例积分控制，比例控制的区别。让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻的认识，提高了理论知识的学习，从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，我也清楚的认识到我们学的知识与现实之间的联系，使得我对知识有了更加深刻的理解。与此同时，这也是一次学习的机会，在不断的查阅书籍以及资料的同时我也学到了很多知识为今后的学习和工作积累了经验，学习到了很多控制系统的知识。四、 参考文献1 高国燊. 自动控制原理M.广州：华南理工大学出版社，20062 王正林. MATLAB/Simulink与控制系统仿真M.北京：电子工业出版社，20083 施仁. 过程控制系统与装置M. 北京：机械出版社, 2003第27页