烤箱温度控制系统设计word文档

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PID 控制；

5. 汽车怠速系统的模糊PID 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：

《MATLAB 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MATLAB 技术的PID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PID控制系统及PID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) PID最佳调整法与系统仿真

其中包含PID参数整过程，需要用到的相关方法有：

b.针对有转移函数的PID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PID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MATLAB的使用方法进行系统的学习和并熟练运用MATLAB的运行环境，争取能够熟练运用MATLAB。

2、查找关于PID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PID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PID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PID控制器进行实际的设计和开发，实现在MATLAB的环境下设计PID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。

2.2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 CK-8的电烤箱，其工作频率为 50HZ ，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 K-对象的静态增益

T-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（Cohn-Coon ）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

实验测得的烤箱温度数据 Cohn-Coon 公式如下： M C K ∆∆=/

)(5.128.0632.0t t T -=

)

3

1

(5.1632.028.0t t -=τ

(2-2)

△M-系统阶跃输入；△C-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K=0.92, T=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4-20mA ）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PID 控制，又称PID 调节。PID 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PID 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PID 控制技术。

比例、积分、微分 1.比例

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 1

111

0111)

()

(⨯

-=-=-=

Vi S CR V t 1101)

(⨯-=

⎰-=Vidt CR V t 1

)

(10 （2-4）

3 微分器

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 =，