实验4 温度被控对象建模
实验四 串级控制系统
实验四 加热炉温度串级控制系统（实验地点：程控实验室，崇实楼407）一、实验目的1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。
3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。
二、实验设备1、MATLAB 软件，2、PC 机 三、实验原理工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。
图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：21802)1)(110()(++=-s s e s G s主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。
对PI 控制器有 221111)(),/(,111)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。
四、实验过程串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。
1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2）在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。
PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在MATLAB/Simulink Library Browser/Simulink Extras ），Step 为阶跃信号，参数起始时间应设置为0。
第04章 被控过程的数学建模
Ke G ( s) Ts 1
0 s
（一） 机理演绎法建模
其输入－输出特性：
（一） 机理演绎法建模
例2
dh Q1 A dt
Q2 0
d h Q1 Q2 A dt
1 1 G (s) As TI s
TI －积分时间常数
（一） 机理演绎法建模
其输入－输出特性：
其阶跃响应曲线为： 与单容过程的阶跃响应曲线 相比，曲线一开始变化比较慢 ，其原因是：由于增加了一个 容积，增加了惯性或容量，同 时也由于两个容积之间存在液 体流通阻力，延缓了被控量的 变化。 通常将图中 c称为容量滞后时 间，不难想象，被控过程中串联 的容积越多和越大，容量滞后时 间也越长，这种过程也就越难控 制。
（二） 实验测试法建模
（4）一次试验后，应使被控过程恢复到原来工况并稳定一定时间， 再作第二次试验； （5）输入阶跃变化既不能太大，也不能太小，一般取正常输入信号 最大幅值的5～15％。
（二） 实验测试法建模
3）常见的数学模型结构
k0 k 0 e 0 s k0 G (s) ; G (s) ; G (s) T0 s 1 T0 s 1 (T1 s 1)(T2 s 1) k 0 e 0 s G (s) (T1 s 1)(T2 s 1) e 0 s 1 1 G (s) ; G (s) ; G(s) T0 s T1 s(T2 s 1) T0 s 1 G (s) e 0 s T1 s (T2 s 1)
三 、被控过程数学模型的表示形式
1、微分方程形式：
y n a n 1 y n 1 a1 y a 0 y bn u
n 1
bn 2 u
先进控制技术实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解先进控制技术的概念、原理及其在实际应用中的重要性。
2. 掌握先进控制算法（如模型预测控制、自适应控制、鲁棒控制等）的基本原理和实现方法。
3. 通过实验验证先进控制算法在实际控制系统中的应用效果，提高对控制系统优化和性能提升的认识。
二、实验器材1. 实验台：计算机控制系统实验台2. 控制系统：直流电机控制系统、温度控制系统等3. 软件工具：Matlab/Simulink、Scilab等三、实验原理先进控制技术是近年来发展迅速的一门控制领域，主要包括模型预测控制（MPC）、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制等。
这些控制方法在处理复杂系统、提高控制性能和抗干扰能力等方面具有显著优势。
1. 模型预测控制（MPC）：基于系统动态模型，预测未来一段时间内的系统状态，并根据预测结果进行最优控制策略的设计。
MPC具有强大的适应性和鲁棒性，适用于多变量、时变和不确定的控制系统。
2. 自适应控制：根据系统动态变化，自动调整控制参数，使系统达到期望的控制效果。
自适应控制具有自适应性、鲁棒性和强抗干扰能力，适用于未知或时变的控制系统。
3. 鲁棒控制：在系统参数不确定、外部干扰和噪声等因素的影响下，保证系统稳定性和性能。
鲁棒控制具有较强的抗干扰能力和适应能力，适用于复杂环境下的控制系统。
4. 模糊控制：利用模糊逻辑对系统进行建模和控制，适用于不确定、非线性、时变的控制系统。
四、实验内容及步骤1. 直流电机控制系统实验（1）搭建直流电机控制系统实验平台，包括电机、电源、传感器等。
（2）利用Matlab/Simulink建立电机控制系统的数学模型。
（3）设计MPC、自适应控制和鲁棒控制算法，并实现算法在Simulink中的仿真。
（4）对比分析不同控制算法在电机控制系统中的应用效果。
2. 温度控制系统实验（1）搭建温度控制系统实验平台，包括加热器、温度传感器、控制器等。
（2）利用Matlab/Simulink建立温度控制系统的数学模型。
第二章 被控对象的数学模型
1.一阶对象 （1）水槽对象
依据
对象物料蓄存量的变化率 ＝单位时间流入对象的物料－单位时间流出对象的物料
12
仪表自动化
第二节 对象数学模型的建立（续）
Q1 Q2 dt Adh
Q2 h Rs
（2-4）
若变化量很微小，可以近似认为Q2与h 成正比
（2-5）
将上式代入（2-4）式，移项
ARs
图2-2 水槽对象
dh h Rs Q1 dt
令 则
13
T ARs , K Rs
dh T h KQ1 dt
仪表自动化
第二节 对象数学模型的建立（续）
（2）RC电路 ei若取为输入参数， eo为输出参数，根据基尔霍夫定理
ei iR e0
由于 消去i
图2-3 RC电路
5
第一节 化工过程的特点及 其描述方法（续）
2.参量模型
仪表自动化
当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模 型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微 分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来 表示。
6
第一节 化工过程的特点及 其描述方法（续）
对于线性的集中参数对象
仪表自动化
（ a）
研究的目 的是为了 使所设计 的控制系 统达到更 好的控制 效果。
（ b）
在产品规格和产 量已确定的情况 下，通过模型计 算，确定设备的 结构、尺寸、工 艺流程和某些工 艺条件。
（c）
4
第一节 化工过程的特点及 其描述方法（续）
数学模型的表达形式分类
1.非参量模型
仪表自动化
当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为 非参量模型。非参量模型可以通过记录实验结果来得到， 有时也可以通过计算来得到。 特点 缺点 表达形式 形象、清晰，比较容易看出其定性的特征 直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难 对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据来表示
对温控系统进行建模及Matlab仿真
淮海工学院课程设计报告书课程名称：综合课程设计系（院）：电子工程学院学期：2011~2012 第一学期专业班级：电气082班姓名：胡韬学号：030861217对温控系统进行建模及MATLAB仿真1单片机在炉温控制系统中的运用温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。
温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。
一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。
如今，随着以微机为核心的温度控制技术不断发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化。
实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。
单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。
本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。
1、1系统的基本工作原理整个炉温控制系统由两大部分组成。
一部分由计算机和A/D和D/A转换电路组成。
主要完成温度采集，PID运算，产生可控硅的触发脉冲。
另外一部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。
炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压可在0～140V内变化。
实验4温度被控对象建模
3、实验六：单回路系统控制质量与哪些因素 有关？
4、比较一阶液位对象一阶温度模型区别，说明 原因。
六、思考题
1、夹套如果没有加入冷却水，模型有什么变 化？冷却作用强弱与模型有什么关系？
2、内胆液位高低与模型参数有什么关系？
3、温度模型与液位模型参数有什么区别？原 因是什么？
参考接线
七、预 习
1、实验五：利用得到的温度对象模型，用 MATLAB进行温度控制系统仿真设计？
4、采用矩形脉冲输入建模法建模；
u(t) u0
0 Δt
u1
t
u2
5、记录内胆温度变化数据，画出响应曲线图；
y*(t)y(t)y(tt)
No Image
6、根据相应曲线，进行一阶惯性环节模型识别。
五、实验报告
1、 把举行脉冲响应转换成阶跃响应；
2、进行单容模型参数识别，写出数学模型；
3、画出数学模型响应曲线，比较与实际响应曲线 区别；
温度被控对象建模原理
实验4 温度建模
根据被控对象阶跃响应测试法建模方法， 建立模拟锅炉内胆（夹套冷却）数学模型。
三、实验目的
1、用阶跃响应曲线法建立内胆温度数学模型； 2、分析影响建模精度的因素； 3、分析液位与温度对象模型的区别。
四、实验步骤
1、内胆打水超过警戒线，保持水位不变。 2、让夹套水流动冷却； 3、接线，调节仪表参数，使得满足温度控制；
体温调节系统的仿真与建模
辐射、传导和对流散失的热量取决于皮 肤与环境之间的温度差，而皮肤温度受 皮肤血流量的控制。
机体的体温调节机构正是通过交感神经 控制皮肤血管的口径从而调节皮肤的血 流量。
以上几种散热方式对体温的调节是在皮 肤温度高于环境温度的前提下实现的， 当环境温度高于或接近皮肤温度时，皮 肤不仅不能散热，反而以辐射和传导的 方式从周围环境中获得热量。
➢ 通过血液引起机体深部组织温度改变，直接作 用于下丘脑前部；
➢ 脊髓和下丘脑以外的中枢温度感受器将温度信 息传送给下丘脑前部。
下丘脑前部和中枢其他部位对信息进行整 合，发出传出指令:
➢通过交感神经系统调节皮肤血管舒缩反应 和汗腺分泌；
➢通过躯体神经改变骨骼肌的活动如战栗等 ；
➢通过甲状腺激素、肾上腺素、去甲肾上腺 素等分泌活动的改变调节机体的代谢率。
（二）体温调节中枢
多种恒温动物脑的分段切除实验表明， 只要保持下丘脑及其以下的神经结构完 整，动物即使在行为方面有些欠缺，但 仍具有维持体温相对恒定的能力。
如进一步破坏下丘脑，则动物不再能维 持体温的恒定，这说明体温调节的中枢 位于下丘脑。
当外界环境温度变化时，温度信息的传入：
➢ 皮肤温度感受器的刺激，将温度变化的信息沿 躯体传入神经经脊髓到达下丘脑的体温调节中 枢；
1. 昼夜节律
在一昼夜之间，体温呈周期性波动 ，清晨6时最低，午后6时最高，波 动幅度正常不超过1℃，这种昼夜 的周期性波动称为昼夜节律。
2. 性别
成年女子的体温平均比男子高约0.3℃ 。女子的基础体温随生理周期而发生 变动，在月经期和月经后的前半期较 低，排卵日最低，排卵后体温升高。
中央空调系统控制实验指导书
中央空调系统控制实验报告第一部分中央空调的逻辑控制与被控对象的实验建模一、实验目的1、解中央空调控制系统的结构和组成。
2、熟悉空调机组和制冷（热）机组的启停顺序。
3、掌握响应曲线法建立数学模型。
4、计算单回路控制系统的最佳参数的计算方法。
二、实验内容⑴、风门初始化：新风风门、排风风门全关（即打到零角度）；回风风门全开（即打到零角度）房间风门全开（最大角度）。
简而言之，全部风门打到零角度。
这是实际中央空调风门的缺省位置。
（注意：用手操作，非上位机）⑵、将压缩机设定温度6.5度(制冷)，或设定为40℃（制热）。
以保持压缩机尽量少停机，给空调机组一个恒定的冷冻（热）水温度。
（不要启动）⑶、机组通电，运行PLC（即把拨片开关从中间拨到上边的动作，拨片位置见附图）。
⑷、打开PC机上的组态王应用程序。
（选择智能大厦中央空调控制系统工程，按按扭栏上的“运行”按扭。
1．熟悉中央空调的逻辑控制顺序（1）开启顺序为：●进入手动控制系统界面，设定冷热水调节阀为一定开关量，即开冷冻水阀门。
●进入制冷机组界面，启动冷冻水水泵。
●启动压缩机。
●返回手动控制系统界面，启动风机。
等待风机启动完毕。
●打开新风风门和排风风门为一定角度，回风风门为一定角度，即打开风门。
启动完毕。
熟悉一下过滤网堵塞报警和风机报警，即拔掉压差传感器，观察。
当过滤网两旁存在压差时，报警；当风机启动后没有压差时，报警。
（2）停止顺序：●停压缩机。
●停冷冻水水泵。
●停风机。
●关各个风门为缺省位置。
即关风门。
●关电动调节阀，即关冷冻水水阀。
停机完毕。
2．中央空调系统的实验建模⑴新风处理机组建模准备工作同上。
实验步骤：●进入手动控制界面，设定新风风门和排风风门为全开，回风风门全闭。
（用上位机操作）●进入制冷机组控制界面，启动“与调节阀互补”控制方式，冷冻水泵将启动。
●启动压缩机，等待压缩机第一次自动停机。
●然后，记录送风温度开始温度，给冷热水调节阀一个设定值（小于20%），如10%；启动风机。
对温控系统进行建模及Matlab仿真
淮海工学院课程设计报告书课程名称：综合课程设计系（院）：电子工程学院学期：2011~2012 第一学期专业班级：电气082班姓名：胡韬学号：030861217评语：成绩：签名：日期：对温控系统进行建模及MATLAB仿真1单片机在炉温控制系统中的运用温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。
温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。
温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。
一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。
如今，随着以微机为核心的温度控制技术不断发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化。
实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。
单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。
本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。
1、1系统的基本工作原理整个炉温控制系统由两大部分组成。
一部分由计算机和A/D和D/A转换电路组成。
主要完成温度采集，PID运算，产生可控硅的触发脉冲。
另外一部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。
对象数模确定实验指导书12_14学生版解析
对象数学模型的建立一、实验目的1、了解被控对象的动态特性，特征参数；2、了解被控对象特征参数变化对其动态特性的影响；3、了解被控对象数学模型的实验测定方法；4、运用阶跃响应曲线法测得被控对象的数学模型；5、掌握阶跃响应曲线的数据处理方法。
二、实验装置和设备1、QXLTT三容液位被控对象数学模型实验测定（1）QXLTT三容液位控制实验装置（2）EN600系列数字调节器（3）记录仪2、QXLPC-IV型单容被控对象数学模型试验测定（1）QXLPC-IV型小型过程控制实验装置，（如图1所示）。
（2）S7200系列PLC（主机CPU222CN 8点input，6点output；扩展单元EM235 4AI,1AO）。
（3）执行器：MICROMASTER 420型变频器以及160Q-8F磁动泵；晶闸管SCR。
（4）压力变送器、液位变送器、Pt100铂电阻和数显温度变送仪、涡轮流量计和数显流量变送仪。
（5）QXLPC-IV型小型过程控制实验装置。
（6）安装有软件STEP 7-MicroWIN 的PC机。
三、实验原理被控过程的数学模型是反映被控过程的输出量与输入量之间关系的数学描述。
本实验采用阶跃响应法辨识对象的数学模型。
阶跃响应法是指操作对象的调节阀，使对象的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的响应曲线用记录仪或其他方法测试记录下来，再根据测试纪录的响应曲线求取过程输出与输入之间的数学关系。
1、图10所示为被控对象测定数学模型的实验系统框图，被控对象部分按需要可由一阶、二阶、三阶等构成。
针对实验室相应的设备，本实验所采用的实验原理图如图11所示。
图10 实验系统框图实验中，调节器置手动，改变输出阀位值（获得阶跃输入信号），同时记录阀位值和对象输出值。
2、阶跃输入如图12所示，输出阶跃响应曲线如图13所示。
从图中可得τ、T 、K ，其中K= h(∞)/ μ，T= t2- t1，τ= t1。
τ、T 、K 也可以根据图中数据计算得出，计算方法请参阅本课程教材对象特性的实验室测定章节。
恒温控制问题数学建模
恒温控制问题数学建模
恒温控制问题是一个典型的动态系统问题，可以使用数学模型进行描述和解决。
以下是一个简单的恒温控制问题的数学建模过程：
1.确定系统变量：首先，需要确定系统中的主要变量，例如温度、时间、加热器的工作状态等。
2.建立微分方程：根据热传导、热对流、热辐射等物理定律，以及系统的工作原理，可以建立描述温度变化的微分方程。
这个方程可以表示为 (C
\frac{dT}{dt} = P - \alpha T) 其中 (C) 是系统的热容量，(T) 是温度，(t) 是时间，(P) 是加热器的功率，(\alpha) 是系统的散热系数。
3.设定初始条件和边界条件：根据问题的具体情况，需要设定初始条件和边界条件。
例如，初始条件可以是 (T(0) = T_0) 其中 (T_0) 是初始温度，边界条件可以是 (T(t) = T_{\infty}) 其中 (T_{\infty}) 是环境温度。
4.求解微分方程：使用数值方法（如欧拉法、龙格-库塔法等）求解微分方程，得到温度随时间变化的解。
5.评估和控制：根据求解结果，评估系统的性能，并设计合适的控制策略来调节加热器的功率，以实现恒温控制。
需要注意的是，恒温控制问题是一个复杂的动态系统问题，其数学建模过程需要根据具体问题进行适当的简化和近似。
同时，控制策略的制定也需要综合考虑系统的稳定性、快速性、准确性和经济性等方面的要求。
第二章被控对象的数学模型
（1）R－C电路
用途：整流滤波、 闪光灯等 在图2－2所示的电路中，设ei为输入电压， 是该系统的输入变量；电容两端的电压 为输出电压，是该系统的输出变量；i是 流过电阻R的电流。根据电路原理中的科 希霍夫定律，有： ei＝iR＋e0 和 消去中间变量i，得到ei与e0之间的关系式： （2-3）
将由输入输出曲线测得的参数数值， 代入已推得的的微分方程或传递函数， 就得到了完整的数学模型。 在已知系统的数学模型结构的基础 上，再通过实验来确定数学模型中参数 的方法，又称为系统的参数估计。
除了上面介绍的这种方法之外，还 有矩形脉冲法和周期扰动法。另外，还 可以直接从正常生产过程的记录数据中 分析过程特性，建立数学模型。这种方 法称为在线辨识。但它需要大量的数据、 较长时间、较多的数据处理技术水平， 而且精确度也不够高。为了提高所得模 型的可信度和精度，有时采用多种方法 相互验证，相互补充。
第二章 被控对象的数学模型
返回首页
第一节 概述 第二节 对象数学模型的建立 第三节 描述对象特性的参数
第一节 概述
数学模型是系统输入作用与输出作 用之间的数学关系。其表达形式主要有 两类：即非参量模型和参量模型。 非参量模型 是指用曲线或数据表格 形式来表示的数学模型。 参量模型 是指用数学表达式来描述 的数学模型。 下面我们主要讨论参量模型。
由方程（2-7），且此时 q0=0，得 1 h q i dt （2-9） C 所以该系统也常称为积分对象。 该系统的传递函数为
（2-10）
（注：上两式中C为液容，也可以用横截面积A）
3．二阶系统
当一个对象可以用二阶微分方程描述其 特性时，它就是一个二阶系统或二阶对象。 我们设其微分方程为：
第4章被控对象数学模型
建模目的：
设计过程控制方案（被控变量及检测点选择，控制 变量的确定，控制结构形式都与对象特性有关） 整定控制器参数（控制规律的选择） 指导设计生产工艺设备 进行仿真试验研究 培训系统运行操作人员
4.2被控对象数学模型的建立
建模的方法：机理建模、实验建模、混合建模
机理建模：内部机理→平衡方程（物料平衡、能量平衡、化学反应等基本方程） →数学模型 优点：明确的物理意义 缺点：只能用于简单、线性过程，需试验验证。 实验建模——在所要研究的对象上，人为的施加一个输入作用(输入量) ，然后用 仪表记录表征对象特性的物理量(输出量)随时间变化的规律，得到一系列实验数据 或曲线。这些数据或曲线就可以用来表示对象特性。 这种应用对象输入输出的实测数据来决定其模型的方法，通常称为系统辨识。 系统辨识分为：过程辨识和参数辨识。有时，为进一步分析对象特性，可对这些数 据或曲线进行处理，使其转化为描述对象特性的解析表达式。 混合建模——将机理建模与实验建模结合起来 机理分析（数学模型的结构）→实验的方法（某些未知的或不确定的参数， 即参数估计）。
被控对象
通道：对象的输入变量至输出变量的信号联系
干扰变量
干扰通道
被控变量
控制通道：控制变量至被控变量的信号联系通道
控制变量 控制通道
干扰通道：干扰至被控变量的信号联系通道
对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和
对象的数学模型：稳态数学模型和动态数学模型。
稳态数学模型——描述对象的输入量与输出量之间的稳态关系
2 d h d h 2 2 T T ( TT ) h K q 1 2 1 2 2 i 2 d t d t
传递函数：
H ( s ) K K 2 2 Q ( s ) T T s ( TT ) s 1( T s 1 ) ( T s 1 ) i 1 2 1 2 1 2
温度控制系统的建模与综合设计
目录摘要 (3)Abstract (4)1 绪论 (6)1.1课题的目的及研究意义 (6)1.2国内外研究及发展趋势 (6)1.3几种常见的控制方法 (7)1.3.1 PID控制 (7)1.3.2串级控制 (8)1.3.3智能控制 (9)1.3.4自适应控制 (9)1.4 本文的主要研究内容及预期目标 (10)2 被控对象的数学模型及控制策略 (11)2.1被控对象的数学模型 (11)2.2 PID控制的基本理论 (11)2.3 PID控制器的参数整定的方法 (13)2.3.1衰减曲线法 (13)2.3.2临界比例带法 (13)2.3.3动态参数法 (14)2.3.4经验法 (16)2.3.5四种工程整定方法的比较 (16)2.4 串级控制系统的设计 (17)2.4.1 主、副回路的设计原则 (18)2.4.2主、副调节器的选型 (18)2.4.3主、副回路的匹配 (19)3 系统的仿真研究 (21)3.1仿真环境及工具箱 (21)3.2 MATLAB的主要功能 (21)3.3 Simulink仿真环境 (22)3.4 PID控制 (23)3.4.1单回路控制时系统仿真 (23)3.4.2串级控制时系统仿真 (26)3.4.3单回路与串级控制时系统仿真对比 (28)结束语 (29)主要参考文献 (30)致谢 (31)温度控制系统的建模与综合设计摘要温度是工业控制的主要被控参数之一，如在冶金、机械、食品、化工、印染、石油加工等工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等，可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。
本文研究合适的控制方案对温度进行控制，技术要求是调节时间短，超调量为零且稳态误差在士1℃内。
本文中主要以PID算法为主要研究对象。
PID控制器的一个特别的优势是两个PID 控制器可以一同被使用以产生更好的动态特性。
这被称作串联PID控制。
PID温度控制实验
PID 温度控制实验PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早发展起来的控制策略之一，它根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量对系统进行控制。
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参数时，最适合用PID 控制技术。
由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。
PID 调节控制是一个传统控制方法，它适用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是PID 参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。
本实验以PID 温度控制为例，通过此实验可以加深对检测技术、自动控制技术、过程控制等专业知识的理解。
一、实验目的 1、了解PID 控温原理2、掌握正校实验的方法，并用正交实验法来确定最佳P 、I 、D 参数3、会求根据温度变化曲线求出相应的超调量、稳态误差和调节时间的方法 二、仪器与用具加热装置、加热控制模块、单片机控制及显示模块、配套软件、电脑。
三、实验原理1、数字PID 控制原理数字PID 算法是用差分方程近似实现的, 用微分方程表示的PID 调节规律的理想算式为:01()()[()()]tP D I de t u t K e t e t dt T T dt=++⎰ （1）单片机只能处理数字信号，上式可等价于:10[()]nDn P n i n n i IT TU K e e e e T T-==++-∑ （2）（2）式为位置式PID 算法公式。
也可把（2）式写成增量式PID 算法形式:1112[(2)]D n n n P n n n n n n I T TU U U K e e e e e e T T----∆=-=-++-+ （3） 其中, e n 为第n 次采样的偏差量；e n-1为第n- 1次采样的偏差量；T 为采样周期；T I 为积分时间；T D 为微分时间；K P 为比例系数。
空调温度控制系统的数学模型
空调温度控制系统的数学模型一、 恒温室的微分方程为了研究上的方便，把图所示的恒温室看成一个单容对象，在建立数学模型，暂不考虑纯滞后。
1． 微分方程的列写根据能量守恒定律，单位时间内进入恒温室的能量减去单位时间内由恒温室流出的能量等于恒温室中能量蓄存的变化率。
即,⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦恒温室内蓄每小时进入室内每小时室内设备照热量的变化率的空气的热量明和人体的散热量 ⎡⎤⎛⎫⎛⎫-+⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦每小时从事内排每小时室内向出的空气的热量室外的传热量上述关系的数学表达式是：111()()c a b n a d C Gc q Gc dt αθθθθθγ-=+-+ (2-1) 式中 1C —恒温室的容量系数（包括室内空气的蓄热和设备与维护结构表层的蓄热）（千卡/ C ︒ ）；a θ—室内空气温度，回风温度（C ︒）；G —送风量（公斤/小时）；1c —空气的比热（千卡/公斤 ）；c θ —送风温度（C ︒）；n q —室内散热量（千卡/小时）；b θ—室外空气温度（C ︒）；γ—恒温室围护结构的热阻（小时 C ︒/千卡）。
将式（2—1）整理为：111111111n b a c a q d Gc C dt Gc Gc Gc θθθγθγγγ++=++++ 11111n a q Gc Gc Gc γθγ⎛⎫+ ⎪ ⎪=+ ⎪+ ⎪⎝⎭(2-2)或 11()a a c f d T K dtθθθθ+=+ (2-3) 式中 111T R C = —恒温室的时间常数（小时）。
1111R Gc γ=+ —为恒温室的热阻（小时 /千卡）1111Gc K Gc γ=+ —恒温室的放大系数（/C C ︒）； 1b n f q Gc θγθ+= —室内外干扰量换算成送风温度的变化（C ︒）。
式（2—3）就是恒温室温度的数学模型。
式中 和 是恒温的输入参数，或称输入量；而 是恒温室的输入参数或称被调量。
被控对象数学模型的建立
被控对象数学模型的建立1、控制系统的地位和要求控制系统是机电一体化产品最重要的组成部分，相当于人的“大脑”，实现控制及信息处理功能。
对控制系统的基本要求：被控制量按规定的规律变化，控制系统具备稳定性、快速性、准确性2、控制系统的基本构成控制系统是由控制装置、执行机构、被控对象、检测装置所构成的整体，其基本构成如下图：被控对象可以是机电设备（如机床）、一种过程（如化工生产过程）等，它在控制装置的控制下，执行机构的驱动下，按预定的规律或目的运行。
简单的全自动洗衣机控制系统与复杂的航天飞机控制系统在原理上类似，但在构造上是很不一样的。
如下列图为线性处理及控制子系统的组成。
3、控制系统的基本类型根据机电一体化系统的多样性及复杂性决定了控制器的多样性，一般有以下四种类基本类型：数字控制系统（NCS）将被加工零件的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编成加工程序，由计算机生成数字形式的指令，再驱动机器运动的一种控制形式，其实际上是轨迹控制的问题。
控制介质：传递零件的加工信息数控装置：完成信息的输入、存储、变换、运算及各种控制功能伺服系统：接收指令驱动机床执行机构（即电信号到机械量转换）检测装置：检测速度和位移，并反应信息伺服控制系统（SCS）输入为模拟或数字的电信号，输出是机械的位移或速度的变化率，主要考虑如何稳定的、快速的、准确实现指令的功能要求，即要使输出量以一定的精度复现输入量的变化，常称为动作控制。
顺序控制系统该系统采用开关控制方式，即输出量的开和关是一系列输入开关条件的函数。
控制器对操作过程的“逻辑状态”开展控制，实现顺序控制的方法有机电式继电器、各种气动和装置、可编程控制器（plc）等。
过程控制系统在冶金、化工、电力等生产过程中采用的工业控制系统，过程控制系统的受控变量是生产过程的物理量，可以是连续的、离散的。
4、系统数学模型控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着相当重要的地位，要对系统开展仿真处理，首先应当知道系统的数学模型，然后才可以对系统开展模拟。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4、采用矩形脉冲输入建模法建模；
u(t) u0
0
Δt
u1
u2
t
5、记录内胆温度变化数据，画出响应曲线图；
y * (t ) y(t ) y(t t )
6、根据相应曲线，进行一阶惯性环节模型识别。
五、实验报告
1、 把举行脉冲响应转换成阶跃响应； 2、进行单容模型参数识别，写出数学模型；
温度被控对象建模原理
实验4
温度建模
根据被控对象阶跃响应测试法建模方法， 建立模拟锅炉内胆（夹套冷却）数学模型。
三、实验目的
1、用阶跃响应曲线法建立内胆温度数学模型； 2、分析影响建模精度的因素； 3、分析液位与温度对象模型的区别。
四不变。 2、让夹套水流动冷却； 3、接线，调节仪表参数，使得满足温度控制；
3、画出数学模型响应曲线，比较与实际响应曲线 区别； 4、比较一阶液位对象和一阶温度模型区别，说明 原因。
六、思考题
1、夹套如果没有加入冷却水，模型有什么变 化？冷却作用强弱与模型有什么关系？ 2、内胆液位高低与模型参数有什么关系？ 3、温度模型与液位模型参数有什么区别？原 因是什么？
参考接线
七、预 习
1、实验五：利用得到的温度对象模型，用 MATLAB进行温度控制系统仿真设计？ 2、进行PID参数仿真整定； 3、实验六：单回路系统控制质量与哪些因素 有关？