自动控制原理课程设计 - 图文

目录

课程设计任务书.............................................................2 正文：温箱温度控制系统设计.....................................6

一、软件仿真单元...............................................................6 1、设计要求.........................................................................6 2、设计设备.........................................................................6 3、设计原理.........................................................................6 4、设计内容及步骤.............................................................7 1)运用MATLAB对温箱模型进行串联超前校正.............7 2)采用PID结构对温箱模型的建立..................................13 二、硬件设计单元..............................................................22 1、设计要求........................................................................22 2、设计设备........................................................................22 3、设计原理........................................................................22 4、设计内容及步骤............................................................22 5、设计所测数据................................................................23 6、设计分析........................................................................26 三、设计体会......................................................................27 四、参考文献 ....................................................................28

1．课程设计应达到的目的 1、通过温箱温度闭环仿真及实物调试熟悉课程设计的基本流程； 2、掌握控制系统的数学建模； 3、掌握控制系统性能的根轨迹分析或时域特性分析； 4、掌握频率法校正或根轨迹法校正； 5、能够根据性能指标，设计控制系统，并完成相应实验验证系统的设计和实验操作； 6、学会用MATLAB进行基本仿真。 2．课程设计题目及要求 设计要求 1．分析系统的工作原理，进行系统总体设计。 2．构成开环系统，并分析器动态响应。 3．测出各环节的放大倍数及其时间常数。 4．对系统进行扰动分析。 5．比较开环时和闭环时的动态响应。 6．分析温度闭环无差系统的动态性能，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足σ%≤15%，tp＜135秒，静态误差小于2%。 7. 采用某种校正方式实现系统的稳定控制。 8．对本课程设计提出新设想和新建议。

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3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕 课程设计任务 （1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解温箱温度控制系统的工作原理。 （2）总体方案的构思 根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。 （3）总体方案的确定 可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。 （4）系统实现 搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据 4．主要参考文献 1、薛定宇.反馈控制系统设计与分析.北京:清华大学出版社,2000. 2、飞思科技产品研发中心.MATLAB 7辅助控制系统设计与仿真.北京:电子工业出版社,2005. 3、胡寿松.自动控制原理.4版.北京:科学技术出版社,2001. 4、白继平，徐德辉. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中国航海，2004（4）：77-80. 5、徐亚飞，刘官敏，高国章等.温箱温度PID与预测控制[J].武汉理工大学学报.2004.8(28):554-557.

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5．课程设计进度安排 起 止 日 期 工 作 内 容 6月 5日 6月 6日 6月10日 6月11日 6月12日 认识系统构成和原理分析 数学建模 控制策略研究和仿真 实物接线和调试 撰写设计说明书、设计计算书及资料整理撰写设计说明书、设计计算书及资料整理 6．成绩考核办法 1、考核方法：平时表现，设计成果，答辩表现。 2、成绩评定：平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%。 教研室审查意见： 教研室主任签字： 年 月 日 院（系、部、中心）意见： 主管领导签字： 年 月 日

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温箱温度控制系统的设计

一、软件仿真单元

1、设计要求

1)分别利用频域法和Ziegler-Nichols法对系统调节器加以设计，并整定相关参数 2)对校正前后的系统性能指标以及频域性进行计算和对比，并分析校正结果。 3)要求整定后的系统性能指标满足：错误！未找到引用源。%≤15% ，静态误差小于2%。

≤135s，

2、设计设备

计算机-MATLAB软件 3、设计原理

图1是系统的结构框图，由于调节阀的传递函数可以等效成比例环节，测量变送环节也等效成比例环节，因此系统的传递函数大大简化。

Ug +调节器-调节阀温箱温度Uf测量变送图1 温度控制系统结构框图

由于系统的输入和输出的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃响应曲线相似，所以可以将系统的传递函数模型结构等效成

G(s)= 错误！未找到引用源。/Ts +1

式中：K为放大系数，T为过程时间常数，错误！未找到引用源。为纯滞后时间。

温度系统参数：（本实验取参数值1） 参数 参数意义 参数值1 参数值2 参数值3 参数值4 K 放大系数 4.4 3.5 4 5 T 过程时间常数（S） 340 280 300 360 t 纯滞后时间（S） 20 15 10 25 根据系统等效传递函数，可采用频域法实现，在求解PID参数时，先不考虑延时环节，在初步求的PID参数之后，在考虑延时环节的影响，重新调整PID参数，使得系统的阶跃响应满足错误！未找到引用源。%≤15% ，

≤135s 。

根据系统的开环单位阶跃响应可知系统等效成带有延迟的一阶系统，这个结

论正好与Ziegler－Nichols整定方法相吻合。因此可以采用这个方法实现PID参数的在整定。

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4、设计内容及步骤

1)运用MATLAB对温箱模型进行串联超前校正 在MATLAB命令窗口中输入代码如下： Num=4.4

Den=conv([1],[340,1]) G=tf(num,den)

回车，然后键入sisotool命令，再回车即可打开一个空的SISO Design Tool，如图2所示。

图2 (a)

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图2 (b)

图2(c)

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点击图2(b)中System Data按钮,打开如图3所示对话框，选择模型G。

图3

点击Browse按钮，打开如图4所示对话框。

图4

点击Import ，关闭对话框，确定模型G载入，再通过Analysis命令，得到如图5所示。

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图5(a)

图5(b)

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加入超前校正网络，在开环Bode图中点击鼠标右键，选择“Add Pole\\Zero”下的“lead”菜单，该命令将在控制器中添加一个超前校正网络，这时鼠标的光标将变成“X”形状，将鼠标移到Bode图幅频曲线上接近最右端极点的位置按下鼠标，得到如图6所示。

图6 (a)

图6 (b)

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调整超前网络的零极点：将超前网络的零点移动到靠近原来最左边的极点位置，接下来将超前网络的极点向右移动，直到满足设计要求，如图7所示。

图7（a）

图7(b)

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得到传递函数如图8所示。

图8

2)采用PID结构对温箱数学模型的建立

在MATLAB命令窗口的键入simulink命令，回车后即可启动simulink程序。 启动后软件自动打开simulink模型库窗口，如图9所示。

图9

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选择工具栏上New Model按钮，打开一个空白的模型编辑器窗口，画出所需模块，并连线，如图10所示。

（1）一阶惯性环节系统的单位阶跃响应：

图10

设定阶跃输入参数：

图11

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设定惯性环节参数：

图12

一阶惯性环节的单位阶跃响应波形图：

图13

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（2）一阶惯性环节系统的单位负反馈阶跃响应：

图14

设定加法器参数：

图15

14

一阶惯性环节系统的单位负反馈阶跃响应波形图：

图16

(3)带PID的惯性环节系统的单位负反馈阶跃响应：

图17

设定PID参数：

当没有修改PID参数，即PID为原始数据（图18 (a)）时，得到如图18(b)所

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示波形：

图18(a)初始数据

图18(b)初始波形

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修改PID参数，如图19(a)所示，得到如图19(b)所示波形：

图19(a)

图19(b)

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(4)带PID、延时环节的惯性环节系统的单位负反馈阶跃响应：

图20

设定延时参数：

图21

调节PID的参数，得到满足要求的波形图：

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图21

带PID、延时环节的惯性环节系统的单位负反馈阶跃响应波形图：

图22

二、硬件设计单元

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1、设计要求

1）参考《课程设计硬件操作指南》指南完成实物接线。

2）将阶跃信号作用于系统，调节信号的占空比、频率和幅值。 3）测出系统在不同电阻和电容取值情况下的阶跃响应输出。

4）分析系统的元件取值对输出影响，分别从有扰动、无扰动，有积分、无积分等角度分析。

5）根据实际温箱输入和输出特性，计算出实物的传递函数。

2、设计设备

1)ACCC-1型自动控制理论及计算机控制技术实验装置； 2)数字式万用表 3)示波器

3、设计原理

图19

温控系统框图如图19所示，有给定、PI调节器、脉宽调制电路、加温室、温度变送器和输出电压反馈等部分组成。在参数给定的情况下，经过PI运算产生相应的控制量，使加温室里的温度稳定在给定值。

给定Ug由ACCC-2自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元U1提供，电压变化范围为1.3V~15V。

PI调节器的输出作为脉宽调制的输入信号，经脉宽调制电路产生占空比可调0~100%的脉冲信号，作为对加温室里电热丝的加热信号。

温度测量采用Cu50热敏电阻，经温度变送器转换成电压反馈量，稳定输入范围为0~200℃，温度变送器的输出电压范围为DC0~10V。

根据实际的设计要求，调节反馈系数β，从而调节输出电压。

4、设计内容及步骤

设计的接线图如图20所示，除了实际的模拟对象、电压表和转速计表外，其中的模拟电路由ACCC-2自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。参考的实验参数如下：

R0=R1=R2=100K，R3=10K，R4=2M，R5=510K，C1=1uF，Rf/Ri=2。

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图20

具体的设计步骤如下：

1)先将ACCC-3自动控制理论及计算机控制技术和ACCC-2自动控制理论及计算机控制技术面板上的电源船形开关放在“OFF”状态。

2)利用ACCC-2实验板上的单元电路U9、U15和U11，设计并连接如图所示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到-15V。 (1)将ACCC-2面板上U1单元的可调电压接到Ug；

(2)给定输出接PI调节器的输入，这里参数电路中Kd=0,R4的作用是提高PI调节器的动态特性。

(3)经PI运算后给电机驱动电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输出接到ACCC-3面板上的低压直流电动机调速中的功率转换电路的正极输入端（IN+），负极端（IN-）接地；

(4)功率转换的输出接到直流电机的电枢两端；

(5)转速测量的输出同时接到电压反馈输入端和20V电压表头的输入端，由于转速测量输出的电压为正值，所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数β=Rf/Ri，从而调节输出的电压U0。

3)连接好上述线路，全面检查线路后，先合上ACCC-3实验面板上的电源船形开关，再合上ACCC-2面板上的船形开关，调整PI参数，使系统稳定，同时观测输出电压变化情况。

4)在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统达到无静差。如达不到，则根据PI参数对系统性能的影响重新调节PI参数。 5)改变给定信号，观察系统动态特性。

5、设计所测数据

1)系统控制环节的初始状态

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图21 初始状态的输出响应

2)P环节（无积分）下温控系统

P环节的传递函数：Uo(s)=I(s)*R3 -Ui(s)= I(s)*R4 G(s) =- R3/ R4 当R4=1M时系统的输出响应

图22的上升过程和稳定过程

当R4=2.0M 时的输出响应

图23上升过程 图24稳定过程

3)PI环节下的温控系统

当C=1μ R5=510k时的输出响应

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图25上升过成和稳定过程

当C=1μ R5=330k时的输出响应

图 26 上升过程和稳定过程

当C=10μ R5=510k时的输出响应

图27 上升过程 图28 稳定过程

当C=10μ R5=330k时的输出响应

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图29上升过升和稳定过程

6、实验分析

分析：发现取不同的R5和C1后系统最终都能达到稳定，并且达到了给定值6V贴现了积分的作用，即消除了误差。

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三、设计体会

本次课程设计包括MATLAB软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调整控制器参数，分析控制器各参数对系统稳定性的影响；硬件调试的目的是为了实现理论和实践的结合，将仿真得到的心得体会在硬件平台上加以验证，以便得到更加形象具体的认识。并巩固学生所学自控原理课程知识，培养学生运用所学知识分析解决问题的能力。

在软件仿真单元中，分别利用了串联超前验证和PID校验。在进行串联超前校正时，要利用“MATLAB”可以方便地画出Bode图主要是为了对系统进行校正，使其满足设计所要求的性能指标,得到最佳的校正装置。要想满足性能指标，就要对添加的零点和极点的位置进行不断调整，来改变控制器的参数，使得满足性能指标。在进行PID校验时，要用到“MATLAB”软件中的“Siumlink”环节，在运用时，要先打开一个空白的模型编辑窗口，再画出系统的各个模块，并给出参数，连接好线路，建立一个控制系统结构框图，然后再进行仿真参数设置并启动仿真，再观察波形是否满足系统性能指标，若不满足，再对PID参数进行设置修改。通过仿真发现：加入积分环节后，通过改变零极点的位置，能提高系统的动态性能，能够减小超调量，积分环节可以减小系统的稳态误差，但是不能消除误差，而且会使系统的动态性能变差。

在硬件实物调试的阶段，目的是为了在实验中去验证仿真时的结论。在进行实验时，运用了比例环节和积分环节。在选用P控制器的时候，通过改变比例系数，发现:比例环节可以增强系统的动态性能，对改善系统的上升时间有显著作用，但是不能消除误差。由于加热系统输入为脉宽调节后的输出、输入电压最大为10V，所以在加热时间Kp大小对系统的输出影响不大I环节可以调节系统的超调量，同是它也会使系统的稳定性变差上升时间延长，减小Tp。减小电容C可以使积分作用增强，是超调量减小。单独使用P,I时，系统会出现矛盾的情况，如使用I环节会使得T减小，超调量减小但调节时间，上升时间增加，系统的性能不能同步调节，所以要采用积分环节仪器来实现。D环节反映误差的变换快慢，将误差的变化趋势很好的反映出来，Td变大微分作用增强。在系统刚启动时作用强，温箱系统的延时性很强，所以微分作用不大，这就决定了我们用PI控制器来实现设计要求。

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四、参考文献

1、薛定宇.反馈控制系统设计与分析.北京:清华大学出版社,2000.

2、飞思科技产品研发中心.MATLAB 7辅助控制系统设计与仿真.北京:电子工业出版社,2005.

3、胡寿松.自动控制原理.4版.北京:科学技术出版社,2001.

4、白继平，徐德辉. 基于MATLAB下的PID控制仿真【J】.中国航海，2004（4）：77-80.

5、徐亚飞，刘官敏，高国章等.温箱温度PID与预测控制[J].武汉理工大学学报.2004.8(28):554-557.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lgc6.html