基于MATLAB的炉温控制系统的仿真河南工业大学

河南工业大学

控制系统仿真

姓名：蔡申申

班级：自动化F1203班

学号：201223910625

成绩：

2014年6月14 日

设

计

题

目

基于MATLAB的炉温控制系统的仿真设

计内容和要求

分别采用积分分离PID和变速积分PID控制算法对炉温控制系统进行控制，并用MATLAB对系统进行动态仿真，并分析仿真结果。

报告主要章节第一章引言

控制系统计算机仿真是应用现代科学手段对控制系统进行科学研究的十分重要的手段之一。进入 80 年代以来几乎所有控制系统的高品质控制均离不开系统仿真研究。通过仿真研究可以对照比较各种控制策略与方案优化并确定相关参数特别是对于新控制决策与算法的研究进行系统仿真更是必不可少的。一般而言对控制系统进行计算机仿真首先应建立系统模型然后依据模型编制仿真程序充分利用计算机作为工具对其进行数值求解并将结果加以显示。显然通常在仿真过程中十分耗费时间与精力的是编制和修改仿真程序。近年来国外在控制领域中推出了一些功能强大的仿真语言如 SABER 、MATLAB SIMULINK等。这些语言的出现为系统仿真提供了强有力的支持极大地推动了仿真研究的发展。本文中主要介绍 PID 控制算法对炉温的控制。

在数字 PID 算法中，为了避免传统 PID 控制器算法中积分累积所造成的系统较大超调和不稳定，甚至是积分饱和，人们常常会使用积分分离 PID 算法加以改进。本文又提出了变速积分 PID 算法，并以电锅炉温度控制系统为例，基于 MATLAB并运用仿真分析手段，对两种不同算法的控制效果进行了比较，得出了积分分离算法的上升时间 tr 较短，而变速积分算法的调节时间 ts 较短，最大超调量较小，振荡次数较少，在温度控制系统中变速积分优于积分分离的结论。本文以加热炉控制系统为例提出了一种模糊控制方案介绍了模糊控制器的设计过程并很方便地利用 SIMULINK 进行了

报告主要章节仿真研究结果证明这种模糊控制系统具有良好的动态性能。

第二章系统描述

2.1 系统过程

在工农业生产或科学实验中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化；或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化等等。因此，在工农业生产或科学试验中常常对温度不仅要不断地测量，而且还进行控制。

电阻炉炉温的控制，根据工艺的要求不同而有所变化，但大体上可归纳为以下几个过程：

1自由升温段：即根据电阻炉自身条件对升温速度没有控制的自然升温过程。

2恒速升温段：即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。

3保温段：即要求在这一过程中炉温基本保持不变。

4慢速降温段：即要求炉温下降的速度按某一斜率进行。

5自由降温段：而每一段都有时间的要求，如图 1 所示：

图 1 炉温控制要求

2.2 系统的组成和基本工作原理

本电阻炉炉温自动控制系统方块图如图 2 所示：

报告主要章节

图 2 电阻炉炉温自动控制系统

控制过程：计算机定时即采样周期对炉温进行测量和控制一次，炉内温度是由一铂电阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片换算成相应的数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数增量值，经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。当设定某一温度的电炉在正常运行时，如果由于某种原因例如电源电压的波动，周围环境温度变化等使炉温发生变化如下降，铂电阻温度计所检测出来的温度信号Ｕi将下跌，把Ｕi送入计算机内与设定值Ｕ0比较，得到偏差信号e=Ｕi-Ｕ0增加，于是经过放大后，使可控硅控制角前移，使输出电压Ｕ0增加，温度增加，因而补偿了刚才的下降，电阻炉又重新在一个新的平衡温度下运行。另外，如果供给可控硅整流装置的电源电压升高，则会使整流电压 u d 升高，电炉炉温升高，铂电阻温度计检测出的信号升高，使偏差信号 e 下降来促使 u d下降，补偿由于电源电压升高对炉温的影响。

2.3 对象模型的归纳

尽管在生产过程中，有各种各样需要进行调节的对象表面上看来性能是何等的不同，但是那些物理或化学性质绝无相似的对象，在归结成微分方程或传递函数后却常常会发现它们互相之间有共同之处，往往方程形式完全相同，所差的仅是参数和输入输出的信号。据此，可以将对象的模型作一归纳。设对象的输入信号为ut，输出信号为yt。它们对应的传递函数为：

根据描述对象特性需用微分方程的阶数不同，对象可分一阶或二阶。至于阶数高于二阶的由于实际计算，分析参数有困难而用纯滞后的一、二阶方

报告主要章节程来近似代替，因此实用上对象模型的基本形式对于炉温控制系统应该是纯一阶滞后系统。则它的传递函数应该是：

2.4 PID控制及仿真

PID 控制器由于具有结构简单，容易实现，控制精度高等优点，广泛应用于工业控制过程中。而工业控制过程本身由于机理复杂，时变，时滞等原因，其精确地数学模型很难得到，一些高阶对象通过降阶，一般用一阶或二阶惯性环节加纯延迟来近似。但是在一个具有纯滞后的系统中，采用常规的 PID 控制时，存在的主要缺点是动态响应指标较差。系统承受扰动后，往往会出现明显的超调，且调节时间也较长，然而在有些场合，大的超调是不允许的，因此在 PID 控制的基 6础上，提出了积分分离 PID 控制算法与变速积分 PID 控制算法。

2.5分离PID控制算法

在传统 PID 控制算法中，引入积分环节的主要目的是为了消除系统的静态误差，提高控制精度，但随着积分积累，在系统的启动，结束或大幅度增减设定时，短时间系统会产生较大的偏差，可能引起系统较大的超调，甚至引起振荡，同时也增大了调节时间。在复杂控制系统中，随着偏差的累积，调节器也可能进入深度饱和状态，这在生产过程中是不允许的。为此，可采取积分分离措施。我们设定一个积分分离阀值β，当偏差|e(k)| ＞β，即偏差较大时，取消积分作用，采用PDI 控制，当偏差|e（k）|≤β，即偏差较小时，采用积分作用，即 PID 控制，阀值β应根据具体对象及要求确定，不能过大或过小。积分分离增量型 PID 控制的离散化方程为:

其中，T 为采样时间，ε为积分项的开关系数，取值为：