某温度控制系统的MATLAB仿真

课程设计报告题目某温度控制系统的MATLAB仿真（题目C）过程控制课程设计任务书题目C ：某温度控制系统的MATLAB 仿真一、 系统概况：设某温度控制系统方块图如图：图中G c (s)、G v (s)、G o (s)、G m (s)、分别为调节器、执行器、过程对象及温度变送器的传递函数；，且电动温度变送器测量范围（量程）为50～100O C 、输出信号为4～20mA 。

G f (s)为干扰通道的传递函数。

二、系统参数二、 要求：1、分别建立仿真结构图，进行以下仿真，并求出主要性能指标：(1)控制器为比例控制，其比例度分别为δ＝10％、20％、50％、100％、200％时，系统广义对象输出z(t)的过渡过程；(2)控制器为比例积分控制，其比例度δ＝20％，积分时间分别为T I ＝1min 、3min 、5min 、10min 时，z(t)的过渡过程；0m v o0f o o =5min =2.5min =1.5(kg/min)/mA =5.4C/(kg/min) =0.8 C C T T K K K x(t)=80f(t)=10；；；；；给定值；阶跃扰动(3)控制器为比例积分微分控制，其比例度δ＝10％，积分时间T I＝5min，微分时间T D = 0.2min时，z(t)的过渡过程。

2、对以上仿真结果进行分析比对，得出结论。

3、撰写设计报告。

注：调节器比例带δ的说明比例控制规律的输出p(t)与输入偏差信号e(t)之间的关系为式中，K c叫作控制器的比例系数。

在过程控制仪表中，一般用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。

比例度δ定义为式中，(z max-z min)为控制器输入信号的变化范围，即量程；(p max-p min)为控制器输出信号的变化范围。

=cp(t)K e(t) max min()=100%)max mine z zp(p-pδ-⨯这时δ 与K c 便互成倒数关系，即：但如果调节器的输入、输出不是相同性质的信号，则系数K ≠1，需要根据量程和输出信号范围进行计算。

例：某温度系统中，调节器为电动比例调节器，配用的电动变送器测量范围为40～150 O C ，输出为4～20mA ，若选用比例度δ =10%，问该比例调节器的比例系数K c 为多少？解：=100%c1K δ⨯max min max min =204= 1.450.115040c c p p 1K z z 1K δ-⨯--∴⨯=-仿真过程一，控制器为比例控制P对于比例控制器：其传递关系为：(t))(e K y p t =控制器的传递函数为：pt K G =）（纯比例控制仿真结构图如下：（1）当比例度为δ＝10％2.350-1004-201.01--1minmax minmax =⨯=∴⨯=c c K Z Z P P K δ即仿真图中Kc 为3.2，给定值和阶跃扰动分别设置为80，10则有仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如图：其主要性能指标如下：上升时间tr=2.4min; 峰值时间tp=3.2min；最大超调量48.75%8080-119==pσ；过渡时间ts=10min;震荡次数N=3；稳态误差ss e=10OC （2）比例度为δ＝20％1.650-1004-202.01=⨯=c K ，将仿真图中Kc 参数改为1.6即可，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：主要性能指标如下：上升时间tr=3min;峰值时间tp=4min ；最大超调量31.25%8080-105==p σ；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差ss e =5OC（3）比例度为δ＝50％0.6450-1004-205.01=⨯=c K ，将图1中K 参数改为0.64即可，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：主要性能指标如下：上升时间tr=4.2min; 峰值时间tp=5min ；最大超调量12.5%8080-90==p σ； 过渡时间ts=10min;震荡次数N=1； 稳态误差ss e =-5OC（4）比例度为δ＝100％0.3250-1004-2011=⨯=c K ，将图1中K 参数改为0.32即可，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：由图可知比例度度为δ＝100％时，最大值小于80，达不到系统要求的稳定范围（5）比例度为δ＝200％0.1650-1004-2021=⨯=c K ，将图1中K 参数改为0.16即可，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：由图可知比例度度为δ＝200％时，最大值同样小于80，达不到系统要求的稳定范围。

二，控制器为比例积分控制PI 其传递关系为：⎰+=t p t dt t e e K y 0I p )()(T K (t) 控制器的传递函数为：)11(S T K G I p s +=）（ 建立比例积分仿真结构图如下：（1）比例度δ＝20％，积分时间为T I＝1min由比例环节可知，比例系数为1.6，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：由于系统为发散型，所以不稳定，各项指标没有意义（2）比例度δ＝20％，积分时间为T I ＝3min把仿真图中PI 控制器改为S S 36.18.4+， 仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：主要性能指标如下：上升时间tr=2.7min;峰值时间tp=4.2min ；最大超调量68.75%8080-135==p σ；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差ss e =20OC（3）比例度δ＝20％，积分时间为T I ＝5min把仿真图中PI 控制器改为S S 56.18+，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图： 主要性能指标如下：上升时间tr=2.7min;峰值时间tp=4.2min ；最大超调量56.25%8080-125==p σ；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差ss e =10OC（4） 比例度δ＝20％，积分时间为T I ＝10min把仿真图中PI 控制器改为SS 106.116+，仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图：主要性能指标如下：上升时间tr=2.7min; 峰值时间tp=4.2min；最大超调量43.75%8080-115==pσ；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差ss e=2OC三，控制器为比例积分微分控制PID其传递关系为：])(1)()([)(⎰++=tIdpt dtt eTdttdeTt eKy控制器地传递函数为：)11(STSTKGIdps++=）（已知要求为比例度δ＝10％，积分时间TI＝5min，微分时间TD = 0.2min，所以建立仿真结构图如图：仿真得系统广义对象输出z(t)的过渡过程如下图主要性能指标如下：上升时间tr=2.4min; 峰值时间tp=3.4min；最大超调量43.75%8080-115==pσ；过渡时间ts=10min;震荡次数N=2；稳态误差ss e=0OC分析结论（1）比例控制：由比例控制过程的仿真可知，当δ从10%，20%，50%，100%，200%变化过程中，Kc逐渐减小。

随着Kc的逐渐减小，系统的响应速度，超调量都减小，但是当Kc少于0.32以后，系统响应变慢，且系统达不到调节要求。

由此可知，比例系数Kc越大，系统响应越快，但是过大时会导致系统不稳定。

但是如果Kc 过小，也不能达到调节要求，系统响应慢，静态特性差。

（2）比例积分控制：从仿真的结果来看，随着积分时间的增加，积分的控制作用在减小，系统的稳定性在加强。

积分控制主要是消除静差，积分作用的强弱同时取决于积分时间的长短。

采用比例积分调节控制，可以实现误差调节。

（3）比例积分微分控制：由仿真过程可以看出，运用PID调节，不仅可以消除误差，由于微分环节的加入，还能够提高系统的稳定性，是一种比较理想的调节方式。

收获与体会通过本次课程设计，使我对比例控制，比例积分控制，以及比例积分微分控制（PID）三种系统控制手段有了一个更深的认识，从单它们一的控制作用，再到三者对比，使我基本理解了它们的控制规律，也认识到了它们各自的控制优势与不足。

同时我也熟悉了MATLAB运行环境，掌握了Simulink的仿真过程。

这次课程设计也使我学到了很多书本之外的东西。

在课设的过程中，通过查找资料及同学之间的探讨，使自己将理论知识上升到实践的高度。

最后，感谢老师在我们学习过程中无私的指导。

附录：参考文献[1] 邵裕森、戴先中：过程控制工程.机械工业，2000（5）.[2] 鄢景华：自动控制原理.哈尔滨工业大学，2012（10）.[3] 张普格、陈丽兰：控制系统CAD—基于MATLAB语言.机械工业，2010（8）.。