基于Simulink加热炉传递函数的PID仿真课程设计报告

课程设计报告

西安电子科技大学

题目：_加热炉的PID控制系统仿真 _ 专业：__ 电气工程及其自动化 _ 姓名：_____ 林培焕、王武刚 学号：__ 04114053、04114025

2014年11月18号

加热炉的PID控制系统仿真

摘要：加热炉的加热系统是一个具有大惯性的反馈控制系统。基于MATLAB/SIMULINK动态仿真环境，对加热炉传递函数的PID进行整定，让系统函数的作用更加直观，可视，实用。在对工厂中如何尽快的整定PID参数具有一定借鉴意义，具有较高的实用价值，能有效地提高生产效率。

关键词：PID控制；仿真；整定；simulink； 一、课程设计内容与分析 1.1 课程设计内容

基于MATLAB的SIMULINK环境下，设计加热炉传递函数，对加热炉传递函数的PID参数进行整定。通过设定不同PID参数，仿真验证加热炉加热系统的传递函数，并对仿真结果进行分析。 1.2课程设计分析

由于加热炉受到环境影响因素较多，很难建立精确的数学模型，在此设计一个具备较强自适应能力的PID控制器。

PID控制器参数的调节方法,大体分为两类:一是理论计算法,依据系统的数学模型,根据理论公式计算得出;二是工程方法,依据工程经验,直接在现场进行试验,采用现场拼凑的方法得出控制器的各个参数。

PID控制器的参数会分别对系统的性能产生不同的影响,是PID调节的成败的关键所在。为了详细说明各个参数的具体作用,使用

MATLAB中SIMULINK环境来进行仿真, PID控制器的参数按照稳定边界法进行整定。对PID控制参数调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤。具体步骤为:先给比例较大的值,使之运行,其余的参数为零;逐渐增大比例系数,直到系统出现震荡,记录临界震荡周期Ｔ;按照经验公式进行校正,进行仿真实验。对PID的各个参数进行微调,确定系数。

钢铁厂车间加热炉传递函数和温度传感器及其变送器的传递函数模型分别为:

??01=??02=

9.9120??+10.10710??+1

???80?? (1)

(2) 式(1)、(2)是工厂常用的一个传递函数,在SIMULINK环境下,应用稳定边界法对PID参数进行整定是非常方便的,具有较好的实际借鉴意义。

1.2.1搭建系统框图：

图1 加热炉传递函数框图 1.2.2 仿真环境参数设计

将相应的参数填写入模块中,将仿真环境中的“STOPTIME”设置为1000,算法为变步长ode45,设置滞后环节的延迟时间为80s。这是

一个系统过程仿真,仿真时间建立相对长久一些。

1.2.3 仿真试验

（1）比例控制 Kp=1; Ki=0; Kd=0 传递函数的仿真结果如下：

图2比例控制

分析：由于该控制系统是一个大惯性的延时系统，所以仅在比例控制环下温度会出现超调现象。到达稳定的时间也比较长。

（2）比例控制 Kp=2.71; Ki=0; Kd=0 传递函数的仿真结果如下：

图3比例控制

分析：由于该控制系统是比例控制参数决定系统震荡情况， Kp=2.71刚好是收敛和发散震荡的临界点。

（3）比例积分微分控制 Kp=; Ki=0.011; Kd=58.9 传递函数的仿真结果如下：

图4 PID控制

分析：由于该控制系统是比例积分微分控制参数决定工作状态，从整个仿真试验过程可以看出,在系统中加入了PID控制器,可以明显的改善系统性能特性,提高产品的控制品质。虽然也会有震荡现象，但是震荡时间短，系统可以更快速进入稳定。

二、课程设计结论

基于MATLAB的SIMULINK仿真环境下的PID参数整定法,在simulink仿真环境下进行PID仿真试验,可以随时修改PID的参数,对系统的运行情况进行同步仿真,减少了在现实中的试验时间,节省了财力和人力的投入,并且极大地缩短了试验周期,对提高产品的过程质量具有相当实际的意义。

课程设计过程中的收获：更加了解了仿真的重要性与实用性。也更加深入了解了控制理论的重要性，让我们更好了解PID控制器的3个参数的大小直接影响控制效果的好坏,要取得好的控制效果,必须选择合适的控制参数。简单的说,这3个参数就是调节系统的“准”、“快”、“稳”,使系统更好的工作。比例负责调节系统的“稳”,积分 负责调节系统的“准”,微分负责调节系统的“快”。 三、参考文献

《基于MATLAB/SIMULINK下加热炉传递函数的PID仿真试验》 赵春锋,孙兴朋,王东兴(烟台大学机电汽车工程学院,山东烟台264005)

分析：由于该控制系统是比例积分微分控制参数决定工作状态，从整个仿真试验过程可以看出,在系统中加入了PID控制器,可以明显的改善系统性能特性,提高产品的控制品质。虽然也会有震荡现象，但是震荡时间短，系统可以更快速进入稳定。

二、课程设计结论

基于MATLAB的SIMULINK仿真环境下的PID参数整定法,在simulink仿真环境下进行PID仿真试验,可以随时修改PID的参数,对系统的运行情况进行同步仿真,减少了在现实中的试验时间,节省了财力和人力的投入,并且极大地缩短了试验周期,对提高产品的过程质量具有相当实际的意义。

课程设计过程中的收获：更加了解了仿真的重要性与实用性。也更加深入了解了控制理论的重要性，让我们更好了解PID控制器的3个参数的大小直接影响控制效果的好坏,要取得好的控制效果,必须选择合适的控制参数。简单的说,这3个参数就是调节系统的“准”、“快”、“稳”,使系统更好的工作。比例负责调节系统的“稳”,积分 负责调节系统的“准”,微分负责调节系统的“快”。 三、参考文献

《基于MATLAB/SIMULINK下加热炉传递函数的PID仿真试验》 赵春锋,孙兴朋,王东兴(烟台大学机电汽车工程学院,山东烟台264005)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gyfd.html