水温计算机控制系统设计+Matlab仿真

《MATLAB与控制系统仿真》实验报告一、实验目的本实验旨在通过MATLAB软件进行控制系统的仿真，并通过仿真结果分析控制系统的性能。

二、实验器材1.计算机2.MATLAB软件三、实验内容1.搭建控制系统模型在MATLAB软件中，通过使用控制系统工具箱，我们可以搭建不同类型的控制系统模型。

本实验中我们选择了一个简单的比例控制系统模型。

2.设定输入信号我们需要为控制系统提供输入信号进行仿真。

在MATLAB中，我们可以使用信号工具箱来产生不同类型的信号。

本实验中，我们选择了一个阶跃信号作为输入信号。

3.运行仿真通过设置模型参数、输入信号以及仿真时间等相关参数后，我们可以运行仿真。

MATLAB会根据系统模型和输入信号产生输出信号，并显示在仿真界面上。

4.分析控制系统性能根据仿真结果，我们可以对控制系统的性能进行分析。

常见的性能指标包括系统的稳态误差、超调量、响应时间等。

四、实验步骤1. 打开MATLAB软件，并在命令窗口中输入“controlSystemDesigner”命令，打开控制系统工具箱。

2.在控制系统工具箱中选择比例控制器模型，并设置相应的增益参数。

3.在信号工具箱中选择阶跃信号，并设置相应的幅值和起始时间。

4.在仿真界面中设置仿真时间，并点击运行按钮，开始仿真。

5.根据仿真结果，分析控制系统的性能指标，并记录下相应的数值，并根据数值进行分析和讨论。

五、实验结果与分析根据运行仿真获得的结果，我们可以得到控制系统的输出信号曲线。

通过观察输出信号的稳态值、超调量、响应时间等性能指标，我们可以对控制系统的性能进行分析和评价。

六、实验总结通过本次实验，我们学习了如何使用MATLAB软件进行控制系统仿真，并提取控制系统的性能指标。

通过实验，我们可以更加直观地理解控制系统的工作原理，为控制系统设计和分析提供了重要的工具和思路。

七、实验心得通过本次实验，我深刻理解了控制系统仿真的重要性和必要性。

MATLAB软件提供了强大的仿真工具和功能，能够帮助我们更好地理解和分析控制系统的性能。

基于Matlab的PID温控系统的设计与仿真摘要在Matlab6.5环境下,通过Matlab/Simulink提供的模块,对温度控制系统的PID控制器进行设计和仿真。

结果表明,基于Matlab的仿真研究,能够直观、简便、快捷地设计出性能优良的交流电弧炉温度系统控制器。

关键词温度系统数学模型;参数整定;传递函数在钢铁冶炼过程中,越来越多地使用交流电弧炉设备,温控系统的控制性能直接影响到钢铁的质量,所以炉温控制占据重要的位置。

PID控制是温控系统中一种典型的控制方式,是在温度控制中应用最广泛、最基本的一种控制方式。

随着科学发展,各行各业对温控精度要求越来越高,经典PID控制在某些场合已不能满足要求,因而智能PID控制的引入是精密温控系统的发展趋势。

为了改善电弧炉系统恒温控制质量差的现状,研制具有快速相应的、经济性好的、适合国情的恒温控制装置具有十分重要的意义。

1温控系统模型的建立在Matlab6.5环境下,通过Simulink提供的模块,对电弧炉温控系统的PID控制器进行设计和仿真。

由于常规PID控制器结构简单、鲁棒性强,被广泛应用于过程控制中。

开展数字PID控制的电弧炉控制系统模型使应用于生产实际的系统稳定性和安全性得到迅速改善。

1.1温控系统阶越响应曲线的获得在高校微机控制技术实验仪器上按以下步骤测得温度系统阶越响应曲线:1)给温度控制系统75%的控制量,即每个控制周期通过X0=255×75%=191个周波数,温度系统处于开环状态。

2)ATMEGA32L内部A/D每隔0.8s采样一次温度传感器输出的电压值,换算成实际温度值,再通过串口通讯将温度值送到电脑上保存。

使用通用串口调试助手“大傻串口调试软件-3.0AD”作为上位机接收数据并保存到文件“S曲线采集.txt”中。

3)在采集数据过程中,不时的将已经得到的数据通过“MicrosoftExcel”文档画图,查看温度曲线是否已经进入了稳态区;根据若曲线在一个较长时间里基本稳定在一个小范围值内即表明进入稳态区了,此时关闭系统。

基于MATLAB的控制系统设计与仿真实践控制系统设计是现代工程领域中至关重要的一部分，它涉及到对系统动态特性的分析、建模、控制器设计以及性能评估等方面。

MATLAB作为一种强大的工程计算软件，在控制系统设计与仿真方面有着广泛的应用。

本文将介绍基于MATLAB的控制系统设计与仿真实践，包括系统建模、控制器设计、性能评估等内容。

1. 控制系统设计概述控制系统是通过对被控对象施加某种影响，使其按照既定要求或规律运动的系统。

在控制系统设计中，首先需要对被控对象进行建模，以便进行后续的分析和设计。

MATLAB提供了丰富的工具和函数，可以帮助工程师快速准确地建立系统模型。

2. 系统建模与仿真在MATLAB中，可以利用Simulink工具进行系统建模和仿真。

Simulink是MATLAB中用于多域仿真和建模的工具，用户可以通过拖拽图形化组件来搭建整个系统模型。

同时，Simulink还提供了各种信号源、传感器、执行器等组件，方便用户快速搭建复杂的控制系统模型。

3. 控制器设计控制器是控制系统中至关重要的一部分，它根据系统反馈信息对输出信号进行调节，以使系统输出达到期望值。

在MATLAB中，可以利用Control System Toolbox进行各种类型的控制器设计，包括PID控制器、根轨迹设计、频域设计等。

工程师可以根据系统需求选择合适的控制器类型，并通过MATLAB进行参数调节和性能优化。

4. 性能评估与优化在控制系统设计过程中，性能评估是必不可少的一环。

MATLAB提供了丰富的工具和函数，可以帮助工程师对系统进行性能评估，并进行优化改进。

通过仿真实验和数据分析，工程师可以评估系统的稳定性、鲁棒性、响应速度等指标，并针对性地进行调整和改进。

5. 实例演示为了更好地说明基于MATLAB的控制系统设计与仿真实践，我们将以一个简单的直流电机速度控制系统为例进行演示。

首先我们将建立电机数学模型，并设计PID速度控制器；然后利用Simulink搭建整个闭环控制系统，并进行仿真实验；最后通过MATLAB对系统性能进行评估和优化。

某温度控制系统的MATLAB仿真1. 简介温度控制是很多工业过程中的一个重要环节，能够保证工业生产过程的稳定性和产品质量。

本文将介绍一个基于MATLAB的温度控制系统的仿真，包括系统的建模和控制算法的实现。

2. 温度控制系统建模温度控制系统一般由一个加热元件和一个温度传感器组成。

加热元件通过对电流或电压的控制来控制温度，温度传感器用于测量当前温度的值。

本文以一个简化的一维加热系统为例进行仿真。

2.1 系统参数设置首先，我们需要设置温度控制系统的一些参数，包括加热元件的功率、温度传感器的灵敏度和环境温度等。

这些参数可以在MATLAB中定义，如下所示：P = 100; % 加热元件功率K = 0.5; % 温度传感器灵敏度T_ambient = 25; % 环境温度2.2 系统动力学建模接下来，我们需要建立温度控制系统的动力学模型。

假设加热元件和温度传感器之间存在一定的传热延迟，我们可以使用一阶惯性模型进行建模。

系统的状态方程可以表示为：T_dot = (P - K * (T - T_ambient)) / C其中，T_dot为温度的变化率，T为温度的值，C为系统的热容量。

根据系统的动力学特性，我们可以选择合适的参数来建立系统模型。

3. 控制算法设计在温度控制系统中，我们需要设计一个控制算法来将温度稳定在设定的目标温度附近。

常用的控制算法包括比例控制、比例积分控制和模糊控制等。

本文选取比例积分控制（PI控制）作为控制算法进行仿真。

3.1 PI控制器设计PI控制器由一个比例项和一个积分项组成，其输出可以表示为：u(t) = K_p * (e(t) + (1 / T_i) * \\int_{0}^{t} e(\\tau) d\\tau)其中，e(t)为温度误差，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数。

比例系数和积分时间常数的选择是控制器设计中的关键。

3.2 控制律实现在MATLAB中，我们可以使用控制系统工具箱来实现PI控制器。

水箱水位模糊控制系统设计一．在MATLAB命令窗口中输入sltank,便可打开如图所示的模型窗口。

图1 sltank仿真图（1）打开MATLAB,输入指令fuzzy,打开模糊逻辑工具箱的图形用户界面窗口,新建一个Mamdani模糊推理系统。

（2）增加一个输入变量,将输入变量命名为水位误差、误差变化,将输出变量命名为阀门开关速度。

这样就建立了一个两输入单输出的模糊推理系统,保存为shuiwei1。

图2 增加一个输入变量（3）设计模糊化模块;设水位误差level的论域为[2、95 3、05],误差变化率rate的论域为[-0、2 0、2];两个输入量的模糊集为level设为为7个,rate设为5个:其中水位误差level定为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB;参数分别为[0、01 2、95]、[0、01 2、97],[0、01 2、99]、[0、01 3]、[0、01 3、01]、[0、01 3、03]、[0、01 3、05],隶属度均为高斯函数;图3 输入量level的参数设定误差变化率rate分别为负大,负小,不变,正小,正大。

参数分别为,[0、03 -0、2]、[0、03 -0、1]、[0、03 0]、[0、03 0、1]、[0、03 -0、2],隶属度函数均为高斯函数。

图4 误差变化率rate的参数设定阀门的开关速度设为七个等级:快关,中关,慢关,不动,慢开,中开,快开,其论域为[2、95 3、05]。

参数分别为;[2、94 2、95 2、96]、[2、965 2、97 2、975]、[2、99 2、99 2、995]、[2、999 3 3、001]、[3、005 3、01 3、015]、[3、02 3、03 3、035]、[3、04 3、05 3、06],隶属函数为三角形函数。

图5 输出量valve的参数设定（4）设计模糊规则打开Ruel Editor窗口,通过选择添加模糊规则;1）If (level is NB) and (rate is 负大) then (valve is 快关) (1)2）If (level is NB) and (rate is 负小) then (valve is 快关) (1) 3）If (level is NB) and (rate is 不变) then (valve is 快关) (1) 4）If (level is NB) and (rate is 正小) then (valve is 中关) (1)5）If (level is NB) and (rate is 正大) then (valve is 不动) (1) 6）If (level is NM) and (rate is 负大) then (valve is 快关) (1) 7）If (level is NM) and (rate is 负小) then (valve is 快关) (1) 8）If (level is NM) and (rate is 不变) then (valve is 快关) (1) 9）If (level is NM) and (rate is 正小) then (valve is 中关) (1)10）If (level is NM) and (rate is 正大) then (valve is 不动) (1) 11）If (level is NS) and (rate is 负大) then (valve is 中关) (1) 12）If (level is NS) and (rate is 负小) then (valve is 中关) (1) 13）If (level is NS) and (rate is 不变) then (valve is 中关) (1) 14）If (level is NS) and (rate is 正小) then (valve is 不动) (1) 15）If (level is NS) and (rate is 正大) then (valve is 慢开) (1) 16）If (level is ZE) and (rate is 负大) then (valve is 中关) (1) 17）If (level is ZE) and (rate is 负小) then (valve is 慢关) (1) 18）If (level is ZE) and (rate is 不变) then (valve is 不动) (1)19）If (level is ZE) and (rate is 正小) then (valve is 慢开) (1) 20）If (level is ZE) and (rate is 正大) then (valve is 中开) (1) 21）If (level is PS) and (rate is 负大) then (valve is 慢关) (1) 22）If (level is PS) and (rate is 负小) then (valve is 不动) (1) 23）If (level is PS) and (rate is 不变) then (valve is 中开) (1) 24）If (level is PS) and (rate is 正小) then (valve is 中开) (1) 25）If (level is PS) and (rate is 正大) then (valve is 中开) (1) 26）If (level is PM) and (rate is 负大) then (valve is 不动) (1) 27）If (level is PM) and (rate is 负小) then (valve is 中开) (1) 28）If (level is PM) and (rate is 不变) then (valve is 快开) (1) 29）If (level is PM) and (rate is 正小) then (valve is 快开) (1) 30）If (level is PM) and (rate is 正大) then (valve is 快开) (1) 31）If (level is PB) and (rate is 负大) then (valve is 不动) (1) 32）If (level is PB) and (rate is 负小) then (valve is 中开) (1) 33）If (level is PB) and (rate is 不变) then (valve is 快开) (1) 34）If (level is PB) and (rate is 正小) then (valve is 快开) (1) 35）If (level is PB) and (rate is 正大) then (valve is 快开) (1) 这35条模糊控制规则的权重都为1、图6 模糊控制规则的设定(5)利用编辑器的 to Workspace, 将当前的模糊推理系统,以shuiwei1保存到工作空间中。

Matlab技术控制系统设计与仿真一、引言在现代科技领域中，控制系统是一个至关重要的概念。

在各种领域，如机械工程、电子工程、化工工程等，控制系统的设计和仿真是实现目标的关键。

而Matlab作为一种功能强大的数值计算软件，被广泛应用于控制系统设计和仿真。

本文将探讨Matlab技术在控制系统设计和仿真中的应用。

二、Matlab基础知识在开始探讨Matlab技术在控制系统设计和仿真中的应用之前，有必要先了解一些Matlab的基础知识。

Matlab是由MathWorks公司开发的一款用于数值计算和科学绘图的软件。

它提供了丰富的函数库和工具箱，能够满足各种数学和工程领域的需求。

Matlab的核心功能包括数值计算、数据分析、图形绘制和算法开发等。

通过Matlab，用户可以进行复杂的矩阵运算、符号计算、非线性优化和差分方程求解等操作。

此外，Matlab还具有强大的数据分析功能，能够进行统计分析、数据可视化和模型拟合等操作。

三、控制系统设计控制系统设计是指通过控制器和执行器对系统进行控制的过程。

Matlab提供了一系列用于控制系统设计的工具箱，如Control System Toolbox和Simulink等。

Control System Toolbox是Matlab中用于控制系统分析和设计的工具箱。

它包含了各种用于系统建模、控制器设计和仿真的函数和工具。

例如，用户可以使用Transfer Function对象来描述系统的传输函数，并使用该对象进行稳定性分析和控制器设计。

此外，Control System Toolbox还提供了多种控制器设计方法，如根轨迹法、频域法和状态空间法等，可以满足不同系统的设计需求。

Simulink是Matlab中的一个仿真工具，用于建立动态系统的模型和仿真。

通过Simulink，用户可以使用图形界面建立系统的模型，并使用各种模块来描述系统的构成和行为。

Simulink提供了广泛的预定义模块，包括传感器、执行器、控制器等。

matlab控制系统仿真设计Matlab控制系统仿真设计控制系统是现代工业领域中的关键技术之一，用于实现对系统行为的预测和调节。

在控制系统设计中，仿真是一个重要的工具，可以帮助工程师和研究人员理解和评估系统的性能。

在本文中，我们将以Matlab的控制系统仿真设计为主题，介绍控制系统仿真的基本概念、方法和工具。

一、控制系统仿真基础1.1 什么是控制系统仿真？控制系统仿真是指通过计算机模拟系统的动态行为来评估和验证控制策略的一种方法。

仿真可以帮助工程师在构建实际系统之前，通过计算机模型对系统的运行过程进行预测和分析。

1.2 为什么要进行控制系统仿真？控制系统仿真可以帮助工程师在实际系统建造之前对系统进行评估和优化。

它可以提供系统的动态响应、稳定性、鲁棒性等信息，帮助工程师优化控制策略和设计参数。

此外，仿真还可以帮助工程师调试和验证控制算法，减少实际系统建造和测试的成本和风险。

1.3 Matlab在控制系统仿真中的作用Matlab是一款功能强大的科学计算软件，也是控制系统仿真的重要工具之一。

Matlab提供了丰富的控制系统设计和分析工具箱，使得控制系统仿真变得更加简单和高效。

二、Matlab控制系统仿真设计的步骤2.1 确定系统模型在进行控制系统仿真设计之前，首先需要确定系统的数学模型。

系统模型可以通过物理原理、实验数据或系统辨识方法得到。

在Matlab中，可以使用符号计算工具箱或数值计算工具箱来建立系统的数学模型。

2.2 设计控制器根据系统模型和性能要求，设计合适的控制器。

常用的控制器设计方法包括PID控制、根轨迹设计、频率响应设计等。

在Matlab中，可以使用Control System Toolbox来设计控制器，并进行性能分析和优化。

2.3 仿真系统响应利用Matlab的仿真工具，对系统进行动态仿真，观察系统的响应。

仿真可以根据预先设定的输入信号和初始条件，计算系统的状态和输出变量随时间的变化。

如何使用Matlab进行控制系统仿真概述控制系统在工程领域中扮演着重要角色，它用于控制和管理各种工程过程和设备。

而控制系统仿真则是设计、开发和测试控制系统的关键环节之一。

Matlab作为一种功能强大的工程计算软件，提供了丰富的工具和功能，可以帮助工程师进行控制系统仿真。

本文将简要介绍如何使用Matlab进行控制系统仿真，以及一些实用的技巧和建议。

1. Matlab的基础知识在开始控制系统仿真之前，有一些Matlab的基础知识是必要的。

首先，了解Matlab的基本语法和命令，熟悉Matlab的工作环境和编辑器。

其次，学会使用Matlab的集成开发环境（IDE）进行编程和数学建模。

熟悉Matlab的常用函数和工具箱，并了解如何在Matlab中导入和导出数据。

2. 定义系统模型在进行控制系统仿真之前，需要定义系统的数学模型。

根据具体情况选择合适的建模方法，如传递函数、状态空间或差分方程等。

在Matlab中，可以使用tf、ss 或zpk等函数来创建系统模型，并指定系统的参数和输入信号。

此外，Matlab还提供了Simulink这一强大的图形化建模环境，方便用户以图形化界面设计系统模型。

3. 设计控制器控制系统仿真的关键是设计合适的控制器，以实现所需的控制目标。

Matlab提供了各种控制器设计方法和工具，如PID控制器、根轨迹法、频域方法等。

用户可以使用Matlab的Control System Toolbox来设计和分析控制器，并在仿真中进行验证。

此外，Matlab还支持自适应控制和模糊控制等高级控制方法，可根据具体需求选择合适的方法。

4. 进行仿真实验在完成系统模型和控制器设计后，可以开始进行控制系统仿真实验。

首先，确定仿真实验的输入信号，如阶跃信号、正弦信号或随机信号等。

然后，使用Matlab中的sim函数将输入信号应用到系统模型中，并观察系统的输出响应。

通过调整控制器参数或设计不同的控制器，分析系统的性能和稳定性，并优化控制器的设计。

MATLAB控制系统与仿真课程设计报告院（系）：电气与控制工程学院专业班级：测控技术与仪器1301班姓名：吴凯学号：1306070127指导教师：杨洁昝宏洋基于MATLAB的PID恒温控制器本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。

PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。

PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器 (至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。

在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。

本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback 法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。

关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。

Design of PID Controller based on MATLABAbstractThis paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid controller design method, design a pid controller of temperature control system and observe the output waveform while input step signal through virtual oscilloscope after system completed.Keywords: PID parameter setting ；PID controller；MATLAB simulation。

基于MATLAB的温度控制系统的PID控制器设计摘要本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器PID控制是迄今为止最通用的控制方法大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制PID控制器亦称调节器及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器至今在全世界过程控制中用的84仍是纯PID调节器若改进型包含在内则超过90 在PID控制器的设计中参数整定是最为重要的随着计算机技术的迅速发展对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法设计一个温控系统的PID控制器并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形关键词 PID参数整定 PID控制器 MATLAB仿真冷却机AbstractThis paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller Pid control is the most common control method up until now the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation Pid controller claim regulator also and its second generation so become the most common controllers in the industry process control so far about 84 of the controller being used is the pure pid controller itll exceed 90 if the second generation included Pid parameter setting is most important in pid controller designing and with the rapid development of the computer technology it mostly recurs to some advanced software for example mat lab simulation software widely used now this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid controller design method design a pid controller of temperature control system and observe the output waveform while input step signal through virtual oscilloscope after system completedKeywords PID parameter setting PID controller MATLAB simulationcooling machine摘要Ibstract II第一章绪论 1课题来源及PID控制简介 1com 课题的来源和意义 1com PID控制简介1国内外研究现状及MATLAB简介 3二章控制系统及PID调节 5控制系统构成 5PID控制 5com积分微分 5com控制7三章系统辨识9系统辨识9系统特性图10系统辨识方法11PID最佳调整法与系统仿真1441 PID参数整定法概述14针对无转移函数的PID调整法15comay feedback调整法15com Relay feedback 在计算机做仿真15 com整法19com 在线调整法在计算机做仿真20针对有转移函数的PID调整方法23 com识法24com法及根轨迹法27五章油冷却机系统的PID控制器设计28 油冷却机系统28com机 28com转换器29com 控制组件30油冷却机系统之系统辨识31油冷却机系统的PID参数整定3340致谢41参考文献42第一章绪论11 课题来源及PID控制简介com 课题的来源和意义任何闭环的控制系统都有它固有的特性可以有很多种数学形式来描述它如微分方程传递函数状态空间方程等但这样的系统如果不做任何的系统改造很难达到最佳的控制效果比如快速性稳定性准确性等为了达到最佳的控制效果我们在闭环系统的中间加入PID控制器并通过调整PID参数来改造系统的结构特性使其达到理想的控制效果com PID控制简介当今的自动控制技术都是基于反馈的概念反馈理论的要素包括三个部分测量比较和执行测量关心的变量与期望值相比较用这个误差纠正调节控制系统的响应这个理论和应用自动控制的关键是做出正确的测量和比较后如何才能更好地纠正系统PID 比例 - 积分 - 微分控制器作为最早实用化的控制器已有 50多年历史现在仍然是应用最广泛的工业控制器 PID 控制器简单易懂使用中不需精确的系统模型等先决条件因而成为应用最为广泛的控制器PID 控制器由比例单元 P 积分单元 I 和微分单元 D 组成其输入 e t 与输出 u t 的关系为公式1-1公式1-1 公式1-2 比例调节作用是按比例反应系统的偏差系统一旦出现了偏差比例调节立即产生调节作用用以减少偏差比例作用大可以加快调节减少误差但是过大的比例使系统的稳定性下降甚至造成系统的不稳定积分调节作用是使系统消除稳态误差提高无差度因为有误差积分调节就进行直至无差积分调节停止积分调节输出一个常值积分作用的强弱取决与积分时间常数TiTi越小积分作用就越强反之Ti大则积分作用弱加入积分调节可使系统稳定性下降动态响应变慢积分作用常与另两种调节规律结合组成PI调节器或PID调节器微分调节作用微分作用反映系统偏差信号的变化率具有预见性能预见偏差变化的趋势因此能产生超前的控制作用在偏差还没有形成之前已被微分调节作用消除因此可以改善系统的动态性能在微分时间选择合适情况下可以减少超调减少调节时间微分作用对噪声干扰有放大作用因此过强的加微分调节对系统抗干扰不利此外微分反应的是变化率而当输入没有变化时微分作用输出为零微分作用不能单独使用需要与另外两种调节规律相结合组成PD或PID控制器PID控制器由于用途广泛使用灵活已有系列化产品使用中只需设定三个参数 Kp Ki 和 Kd 即可在很多情况下并不一定需要全部三个单元可以取其中的一到两个单元但比例控制单元是必不可少的首先PID应用范围广虽然很多控制过程是非线性或时变的但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统这样PID就可控制了其次PID参数较易整定也就是PID参数KpKi和Kd可以根据过程的动态特性及时整定如果过程的动态特性变化例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化 PID 参数就可以重新整定第三PID控制器在实践中也不断的得到改进下面两个改进的例子在工厂总是能看到许多回路都处于手动状态原因是很难让过程在自动模式下平稳工作由于这些不足采用 PID 的工业控制系统总是受产品质量安全产量和能源浪费等问题的困扰PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的现在自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好但它们仍存在一些问题需要解决如果自整定要以模型为基础为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的闭环工作时要求在过程中插入一个测试信号这个方法会引起扰动所以基于模型的 PID 参数自整定在工业应用不是太好如果自整定是基于控制律的经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来因此受到干扰的影响控制器会产生超调产生一个不必要的自适应转换另外由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法参数整定可靠与否存在很多问题因此许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID 参数但仍不可否认 PID 也有其固有的缺点PID 在控制非线性时变耦合及参数和结构不确定的复杂过程时工作地不是太好最重要的是如果 PID 控制器不能控制复杂过程无论怎么调参数都没用虽然有这些缺点PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器12 国内外研究现状及MATLAB简介PID控制中最重要的是对其参数的控制所以当今国内外PID控制技术的研究主要是围绕如何对其参数整定进行的自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定根据发展阶段的划分可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法按照被控对象个数来划分可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法前者包括现有大多数整定方法后者是最近研究的热点及难点按控制量的组合形式来划分可分为线性PID参数整定方法及非线性PID 参数整定方法前者用于经典PID调节器后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器Astrom在1988年美国控制会议ACC上作的《面向智能控制》〔〕自整定和自适应为智能PID控制的发展奠定了基础他认为自整定控制器和自适应控制器能视为一个有经验的仪表工程师的整定经验的自动化在文〔〕中继续阐述了这种思想PI或PID控制即自整定调节器应具有推理能力自适应PID的应用途径的不断扩大使得对其整定方法的应用研究变得日益重要目前在众多的整定方法中主要有两种方法在实际工业过程中应用较好一种是由福克斯波罗Foxboro公司推出的基于模式识别的参数整定方法基于规则另一种是基于继电反馈的参数整定方法基于模型前者主要应用于Foxboro的单回路EXACT控制器及其分散控制系统IA Series的PIDE功能块其原理基于Bristol在模式识别方面的早期工作〔〕这些技术极大地简化了PID控制器的使用显着改进了它的性能它们被统称为自适应智能控制技术〔〕〔〕PID参数整定方法和非线性PID参数整定方法PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略有许多不同的方法以确定合适的控制器参数这些方法区分于复杂性灵活性及使用的过程知识量一个好的整定方法应该基于合理地考虑以下特性的折衷负载干扰衰减测量噪声效果过程变化的鲁棒性设定值变化的响应所需模型计算要求等我们需要简单直观易用的方法它们需要较少的信息并能够给出合适的性能我们也需要那些尽管需要更多的信息及计算量但能给出较好性能的较复杂的方法从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点〔〕PID参数整定方法使其在初始化抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定②对于多入多出被控对象需要研究针对具有显着耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法进一步完善分散继电反馈方法尽可能减少所需先验信息量使其易于在线整定〔〕PID控制技术有待进一步研究将自适应自整定和增益计划设定有机结合使其具有自动诊断功能结合专家经验知识直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进将预测控制模糊控制和PID控制相结合进一步提高控制系统性能都是智能PID控制发展的极有前途的方向〔〕Matrix Laboratory 缩写为Mat lab 软件包是一种功能强效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包其中包括一般数值分析矩阵运算数字信号处理建模和系统控制和优化等应用程序并将应用程序和图形集于便于使用的集成环境中在此环境下所解问题的Mat lab语言表述形式和其数学表达形式相同不需要按传统的方法编程并能够进行高效率和富有创造性的计算同时提供了与其它高级语言的接口是科学研究和工程应用必备的工具目前在控制界图像信号处理生物医学工程等领域得到广泛的应用本论文设计中PID参数的整定用到的是Mat lab中的 SIMULINK它是一个强大的软件包在液压系统仿真中只需要做数学模型的推导工作用 SIMULINK对设计好的系统进行仿真可以预知效果检验设计的正确性为设计人员提供参考其仿真结果是否可用取决于数学模型正确与否因此要注意模型的合理及输入系统的参数值要准确〔〕PID调节21 控制系统构成对控制对象的工作状态能进行自动控制的系统称为自动控制系统一般由控制器与控制对象组成控制方式可分为连续控制与反馈控制即一般所称开回路与闭回路控制连续控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响也就是说控制端与控制对象为单向作用这样的系统亦称开回路系统反馈控制是指将所要求的设定值与系统的输出值做比较求其偏差量利用这偏差量将系统输出值使其与设定值调为一致反馈控制系统方块图一般如图2-1所示图2-1反馈控制系统方块图22 PID控制将感测与转换器输出的讯号与设定值做比较用输出信号源 2-10v或4-20mA 去控制最终控制组件在工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制简称PID控制又称PID调节PID控制器问世至今已有近60年的历史了它以其结构简单稳定性好工作可靠调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时控制理论的其它设计技术难以使用系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定这时应用PID控制技术最为方便即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候便最适合用PID控制技术com 比例积分微分比例图2-2 比例电路公式2-1积分器图2-3 积分电路公式2-2图2-4微分电路微分器式2-3实际中也有PI和PD控制器PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量控制器输出和控制器输入误差之间的关系在时域中如公式2-4和2-5u t Kp e t Td 公式2-4U s ]E s 公式2-5公式中U s 和E s 分别为u t 和e t 的拉氏变换其中分别为控制器的比例积分微分系数〔〕com ＰＩＤP控制比例控制是一种最简单的控制方式其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差Steady-state error 积分I控制在积分控制中控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系对一个自动控制系统如果在进入稳态后存在稳态误差则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统System with Steady-state Error为了消除稳态误差在控制器中必须引入积分项积分项对误差取关于时间的积分随着时间的增加积分项会增大这样即便误差很小积分项也会随着时间的增加而加大它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小直到等于零因此比例积分 PI 控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差微分D控制在微分控制中控制器的输出与输入误差讯号的微分即误差的变化率成正比关系自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳其原因是由于存在有较大惯性的组件环节和或有滞后 delay 的组件使力图克服误差的作用其变化总是落后于误差的变化解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些超前即在误差接近零时克服误差的作用就应该是零这就是说在控制器中仅引入比例项往往是不够的比例项的作用仅是放大误差的幅值而目前需要增加的是微分项它能预测误差变化的趋势这样具有比例微分的控制器就能够提前使克服误差的控制作用等于零甚至为负值从而避免了被控量的严重地冲过头所以对有较大惯性和或滞后的被控对象比例微分 PD 的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性〔〕31 系统辨识1 所谓系统辨识即是在不知道系统转移函数时根据系统特性辨识出来2 若被控对象的数学模式相当线性 linear 且各项参数都可知道则可用控制理论来设计PID控制器的系数大小但实际的被控对象往往是非线性系统且系统复杂难以精确地用数学式表达所以工业上设计PID控制器时常常使用实验方法而较少用理论来设计调整PID控制器的方法中最有名的是Ziegler-Nichols所提出的二个调整法则这个调整法测是基于带有延迟的一阶传递函数模型提出的这种对象模型可以表示为公式3-1在实际的过程控制系统中有大量的对象模型可以近似的由这样的一阶模型来表示如果不能物理的建立起系统的模型我们还可以由实验提取相应的模型参数[5]3 将大小为1的阶跃信号加到被控对象如图3-1所示图3-1 将阶跃信号加到被控对象对大多数的被控对象若输入为阶跃信号则其输出c t 大多为S状曲线如下图3-2所示这个S状曲线称之为过程反应曲线process reaction curve 图3-2被控对象的阶跃响应图4 系统转移函数空调方面图3-3空调系统示意图图3-4 空调系统方块图由图3-3及图3-4可得知此系统的转移函数推导如下公式3-232 系统特性图1 系统为制热使用最大信号去控制系统直到稳定之后也就是热到达无法再上升时此时系统特性就会出现如下图3-5所示图3-5 系统制热的特性图2 系统为制冷使用最大信号去控制系统直到稳定之后也就是冷到达无法再下降时此时系统特性就会出现如下图3-6所示图3-6 系统制冷的特性图33 系统辨识方法1一阶系统带有延迟特性图3-7 一阶系统带有延迟特性图一阶系统加一个传递来近似被控对象则其近似转移函数如公式3-3所示公式3-3其中KTL可由上图3-7求得K稳态时的大小T时间常数※注系统越大时间常数越大L延迟时间2 KTL的求法K如上图3-31所示K值相当于C t 在稳态时的大小T与L求T及L必须在S形状曲线划一条切线最大斜率画出切线之后T及L值可以直接从图上得知T及L值与C t 及切线的关系如上图3-7所示第四章PID最佳调整法与系统仿真41 PID参数整定法概述1PID参数整定方法1 Relay feedback 利用Relay 的 on-off 控制方式让系统产生一定的周期震荡再用Ziegler-Nichols调整法则去把PID值求出来2 在线调整实际系统中在PID控制器输出电流信号装设电流表调P值观察电流表是否有一定的周期在动作利用Ziegler-Nichols把PID求出来PID值求法与Relay feedback一样3 波德图跟轨迹在MATLAB里的Simulink绘出反馈方块图转移函数在用系统辨识方法辨识出来之后输入指令算出PID值[13]2PID调整方式图4-1 PID调整方式如上描述之PID调整方式分为有转函数和无转移函数一般系统因为不知转移函数所以调PID值都会从Relay feedback和在线调整去着手波德图及根轨迹则相反一定要有转移函数才能去求PID值那这技巧就在于要用系统辨识方法辨识出转移函数出来再用MATLAB里的Simulink画出反馈方块图调出PID值〔〕PID 值的方法有在线调整法Relay feedback波德图法根轨迹法前提是要由系统辨识出转移函数才可以使用波德图法和根轨迹法如下图4-2所示42 针对无转移函数的PID调整法在一般实际系统中往往因为过程系统转移函数要找出之后再利用系统仿真找出PID值但是也有不需要找出转移函数也可调出PID值的方法以下一一介绍com Relay feedback4-3所示将PID控制器改成Relay利用Relay的On-Off 控制将系统扰动可得到该系统于稳定状态时的震荡周期及临界增益Tu及Ｋu在用下表4-4 的Ziegler-Nichols第一个调整法则建议PID调整值即可算出该系统之ＫpTiTv之值Controller P 05Ｋu PI 045Ｋu 083Tu PID 06Ｋu 05Tu 0125Tu 〔〕com Relay feedback 在计算机做仿真Step 1 以MATL AB里Simulink绘出反馈方块如下图4-5所示图4-5 Simulink绘出的反馈方块图Step 2让Relay做On-Off动作将系统扰动On-Off动作将以±１做模拟如下图4-6所示图4-6Step 3即可得到系统的特性曲线如下图4-7所示图4-7 系统震荡特性曲线Step 4取得Tu及a带入公式3-1计算出Ｋu以下为Relay feedback临界震荡增益求法公式4-1ａ振幅大小ｄ电压值com 在线调整法图4－８在线调整法示意图在不知道系统转移函数的情况下以在线调整法直接于PID控制器做调整亦即PID控制器里的I值与D值设为零只调P值让系统产生震荡这时的P值为临界震荡增益Ｋv之后震荡周期也可算出来只不过在线调整实务上与系统仿真差别在于在实务上处理比较麻烦要在PID控制器输出信号端在串接电流表即可观察所调出的P值是否会震荡虽然比较上一个Relay feedback法是可免除拆装Relay 的麻烦但是就经验而言在实务上线上调整法效果会较Relay feedback 差在线调整法也可在计算机做出仿真调出PID值可是前提之下如果在计算机使用在线调整法还需把系统转移函数辨识出来但是实务上与在计算机仿真相同之处是PID 值求法还是需要用到调整法则Ziegler-Nichols经验法则去调整与Relay feedback的经验法则一样调出PID值com 在线调整法在计算机做仿真Step 1以MATLAB里的Simulink绘出反馈方块如下图4-9所示图4-9反馈方块图PID方块图内为图4-10 PID方块图Step 2将Td调为0Ti无限大让系统为P控制如下图4-11所示图4-11Step 3调整KP使系统震荡震荡时的KP即为临界增益KU震荡周期即为TV 使在线调整时不用看a求KU如下图4-12所示图4-12 系统震荡特性图Step 4再利用Ziegler-Nichols调整法则即可求出该系统之ＫpTiTd之值43 针对有转移函数的PID调整方法com系统反馈方块图在上述无转移函数PID调整法则有在线调整法与Relay feedback调整法之外也可利用系统辨识出的转移函数在计算机仿真求出PID值至于系统辨识转移函数技巧在第三章已叙述过接下来是要把辨识出来的转移函数用在反馈控制图之后应用系统辨识的经验公式Ziegler-Nichols第二个调整法求出PID值〔〕4-14所示controllerPPI33LPID2L 表4-14 Ziegler-Nichols第二个调整法则建议PID调整值〔〕为本专题将经验公式修正后之值※comL为延迟时间可com b※coma的解法可有以下2种解一如下图4-15中可先观察系统特性曲线图辨识出a值解二利用三角比例法推导求得图4-15利用三角比例法求出a值公式4-2用Ziegler-Nichols第一个调整法则求得之PID控制器加入系统后一般闭环系统阶跃响应最大超越的范围约在1060之间所以PID控制器加入系统后往往先根据Ziegler-Nichols第二个调整法则调整PID值然后再微调PID值至合乎规格为止com 波德图法及根轨迹法利用系统辨识出来的转移函数使用MATLAB软件去做系统仿真由于本设计中PID参数的整定主要是基于系统辨识及Ziegler-Nichols调整法则所以在此不用波德图法及根轨迹法第五章油冷却机系统的PID控制器设计51 油冷却机系统本论文设计以油冷却机温度控制系统为被控对象进行PID控制器的参数整定及其设计下面介绍一下油冷却机系统以及各个组成部分com 油冷却机图5-1 油冷却机实物图图5-2 油冷却机系统循环图油冷却机系统循环主要可分为冷媒循环系统以及油循环系统冷媒循环系统即为一般常见之制冷循环而油循环则是将油打出后经过负载加热再与冷媒循环的蒸发器作热交换再流回油槽做冷却用[16]com 感测与转换器图5-3 PT100实物图电阻式温度检测器 RTDResistance Temperature Detector －一种物质材料作成的电阻它会随温度的上升而改变电阻值如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数[6]PT100温度传感器是一种以白金 Pt 作成的电阻式温度检测器属于正电阻系数其电阻和温度变化的关系式如下R Ro 1αT其中α 000392Ro为100Ω 0℃的电阻值 T为摄氏温度Vo 255mA ×100 1000392T 0255T1000 电源是带噪声的因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件由于72V齐纳二极管的作用使得1K电阻和5K可变电阻之电压和为65V靠5K可变电阻的调整可决定晶体管的射集极极电流而我们须将集极电流调为255mA使得量测电压V如箭头所示为0255T1000其后的非反向放大器输入电阻几乎无限大同时又放大10倍使得运算放大器输出为255T100 6V齐纳二极管的作用如72V齐纳二极管的作用我们利用它调出255V因此电压追随器的输出电压V1亦为255V其后差动放大器之输出为Vo 10 V2-V1 10 255T100-255 T10如果现在室温为25℃则输出电压为25V。