烤箱温度控制系统设计

一、设计题（满分100分）

请在以下题目中任选一项完成设计

1.汽车运动控制系统设计；

2.电烤箱温度控制系统设计

3.汽车减震系统建模仿真；

4.汽车自动巡航控制系统的控制；

5.汽车怠速系统的模糊控制；

6.双闭环直流调速系统的设计与仿真

7.自选测控项目（给出你自选的题目）

8.本份试题选取项目为：电烤箱温度控制系统设计

附评分细则：

《工程应用》期末考试设计报告

第一章概述

本次课题的主要内容是通过对理论知识的学习和理解的基础上，自行设计一个基于技术的控制器设计，并能最终将其应用于一项具体的控制过程中。以下为此次课题的主要内容：

(1) 完成控制系统及调节部分的设计

其中包含系统辨识、系统特性图、系统辨识方法的设计和选择。

(2) 最佳调整法与系统仿真

其中包含参数整过程，需要用到的相关方法有：

b.针对有转移函数的调整方法

主要有系统辨识法以及波德图法及根轨迹法。

(3) 将此次设计过程中完成的控制器应用的相关的实例中，体现其控制功能（初步计划为温度控制器）

第二章调试测试

2.1进度安排和采取的主要措施：

前期：1、对于的使用方法进行系统的学习和并熟练运用的运行环境，争取能够熟练运用。

2、查找关于控制器的相关资料，了解其感念及组成结构，深入进行理论分析，并同步学习有关控制器设计的相关论文，对其使用的设计方法进行学习和研究。

3、查找相关控制器的应用实例，尤其是温度控制器的实例，以便完成最终的实际应用环节。

中期：1、开始对控制器进行实际的设计和开发，实现在的环境下设计控制器的任务。

2、通过仿真实验后，在剩余的时间内完成其与实际工程应用问题的结合，将其应用到实际应用中（初步计划为温度控制器）。

后期：1、完成设计定稿。

2、打印以及答辩工作地准备。

2 / 20

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2.2被控对象及控制策略

2.2.1被控对象

本文的被控对象为某公司生产的型号为 8的电烤箱，其工作频率为 50，总功率为 600W ，工作范围为室温 20℃-250℃。设计目的是要对它的温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在±1℃内的技术要求。

在工业生产过程中，控制对象各种各样。理论分析和实验结果表明:电加热装置是一个具有自平衡能力的对象，可用二阶系统纯滞后环节来描述。然而，对于二阶不振荡系统，通过参数辨识可以降为一阶模型。因而一般可用一阶惯性滞后环节来描述温控对象的数学模型。

所以， 电烤箱模型的传递函数为：

1

)(+∙=-TS e

K S G s

τ

（2-1）

式（2-1）中 对象的静态增益

对象的时间常数 τ-对象的纯滞后时间

目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号，测取过程对象的阶跃响 应，然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩（）公式确定近似传递函数

[8-9]

。

给定输入阶跃信号 250℃，用温度计测量电烤箱的温度，每半分钟采一次点，实验数据如下表 2-1：

表 2-1 烤箱模型的温度数据

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实验测得的烤箱温度数据 公式如下：

M C K ∆∆=/

)(5.128.0632.0t t T -=

)3

1

(5.1632.028.0t t -=τ (2-2)

△系统阶跃输入；△系统的输出响应

t0.28-对象飞升曲线为0.28△C 时的时间（分） t0.632-对象飞升曲线为 0.632△C 时的时间（分） 从而求得0.92, 144s ,τ =30s 所以电烤箱模型为：

114492.0)(30+=

-s e S G s

2.2.2 控制策略

将感测与转换输出的讯号与设定值做比较，用输出信号源（2-10V 或4-20）去控制最终控制组件。在过程实践中，应用最为广泛的是比例积分微分控制，简称控制，又称调节。的问世已有60多年的历史了，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[10]。 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，控制理论的其他设计技术难以使用，系统得到控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用最为方便。即当我们不完全了解系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用控制技术。 比例、积分、微分 1.比例

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V0

2-1 比例电路

1

20)

()(R R Vi V t t -=

)()(1

2

0t t Vi R R V ⨯-= （2-3）

2 积分器

V0

1/SC

2-2 积分电路

S

CR SCR R SC Vi V t t 1111

0111)

()

(⨯

-=-=-=

Vi S CR V t 1101)

(⨯-=

⎰-=Vidt CR V t 1

)

(10 （2-4）

3 微分器

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V0

V1

2-3 微分控制电路

S CR SC

R Vi V t t 22

)

()

(10-=-=

)(2)(0t t SVi CR V -=

dt

dVi

CR V t 2

)(0-= （2-5） 实际中也有和控制器。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，控制器输出和输入（误差）之间的关系在时域中如公式（2-6）和（2-7）：

⎰++=dt t e Ti

dt t de Td t e Kp t u )(1

)()(()( （2-6） )()(s E S K S

K K s U d i p ⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡++= （2-7） 公式中U(s)和E （s ）分别是u （t ）和e （t ）的拉氏变换，p d

d K K T =，i

p K K Ti =，

其中p K 、i K 、d K 分别控制器的比例、积分、微分系数。 P 、I 、D 控制 1.比例（P ）控制