恒溫箱及PID控制自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、恒溫箱的PID控制摘要：為滿足生產(chǎn)生活中對(duì)穩(wěn)定溫度的需求，恒溫箱是必不可少的。用PID調(diào)節(jié)方法控制恒溫箱的溫度，保證溫度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)穩(wěn)定。在完成任務(wù)的基礎(chǔ)上，采用PID整定方法或通過(guò)改良PID控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求，并在調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)、整理如何調(diào)節(jié)PID參數(shù)相對(duì)最優(yōu)。Abstract:To meet the needs of production in the life of stable temperature,constanttemperature box is in dispe nsable.C on trol the temperature of the in cubator wi

2、th the PID method, guara ntee the stability of the temperature with in the scope of the sta ndard .On the basis of completi ng the task, using PID sett ing method or through improved PID con troller to realize steady, accurate, fast, and found in the process of adjusti ng and sort out how to adjust

3、the relative optimal PID parameters.關(guān)鍵詞：PID，恒溫箱，整定方法Key word:Proporti on In tegrati on Differe ntiatio n,in cubator,Sett ing method目錄:恒溫箱的PID控制1一、弓丨言： 31.1恒溫箱溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 31.2恒溫箱工作流程3二、理論基礎(chǔ)： 42.1PID控制原理 42.2PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用 5三、溫度控制系統(tǒng)模型建立 53.1恒溫箱溫度控制系統(tǒng)方框圖 53.2溫度系統(tǒng)模型5四、PID溫度控制器分析設(shè)計(jì) 64.1 PID 建模64.2 simulink

4、仿真 84.3系統(tǒng)改良9五、 結(jié)論11引言:在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，經(jīng)常需要高穩(wěn)定度的恒溫環(huán)境，因此恒溫箱或者說(shuō)是恒溫系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)的溫度控制以簡(jiǎn)單的PID來(lái)實(shí)現(xiàn)。常規(guī)的PID調(diào)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可靠性高，易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，其主要問(wèn)題是參數(shù)整定問(wèn)題但是對(duì)環(huán)境條件和控制參數(shù)較敏感，并且超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間之間存在一定矛盾難以協(xié)調(diào)一致，所以較難達(dá)到理想的效果。但是，引入改良型的PID控制器可以在一定程度上優(yōu)化控制效果，使系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性和抗干擾能力，從而實(shí)現(xiàn)較高穩(wěn)定性的溫度控制。1.1恒溫箱溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介恒溫箱的原理其實(shí)比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵的控制部分有三個(gè)：1.溫度探頭 2.制冷壓縮

5、機(jī)3.加熱器，有的用紅外線加熱，或直接用電阻絲加熱。溫度探頭的測(cè)量端伸在恒溫箱內(nèi)部的空氣中，不能與物體或是箱體接觸 ，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)的溫度，在控制面板上，可以設(shè)置恒溫箱的恒溫范圍。當(dāng)探頭檢測(cè)到溫度低于下限時(shí)，開(kāi)啟加熱 器加熱.溫度開(kāi)始回升.當(dāng)探頭檢測(cè)到溫度高于上限時(shí)，開(kāi)啟制冷壓縮機(jī)制冷，溫度下降.如此來(lái) 回控制。本文主要討論高溫恒溫箱（一般高于60C）,執(zhí)行單元以加熱器為主。1.2恒溫箱工作流程開(kāi)始設(shè)置溫度檢測(cè)溫度加熱制冷1與設(shè)定溫度比較A低于高于范圍內(nèi)、理論基礎(chǔ)：2.1PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)由模擬 PID控

6、制器和被控對(duì)象組成。PID控制器是一種線性控制器，對(duì)誤差信號(hào)額e(t)分別進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，三個(gè)作用分量之和作為控制信號(hào)輸出給被控制對(duì)象。PID控制器的微分方程數(shù)學(xué)模型為：1 tt de(t)u(t) Kp e(t) e(t)dt -Kp 比例系數(shù) 丁一積分系數(shù) Td 微分系數(shù)Ti 0dtu(t)作為PID控制器的輸出信號(hào)送到被控對(duì)象，將偏差的比例(P),積分(I )和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制；系統(tǒng)誤差信號(hào)定義為：e(t) r(t) c(t)，r(t)是系統(tǒng)的給定輸入信號(hào)；c(t)是系統(tǒng)的被控量。PID控制器的傳遞函數(shù)模型：1Gc(s)心(1 二 TdS)T

7、iS由上式可知：當(dāng)Td=O、Ti=時(shí)，則有Gc(s) Kp ,此時(shí)為比例(P)控制器；當(dāng)T= 時(shí)，則有Gc(s) Kp(1 TdS)此時(shí)為比例微分(PD)控制器，如將其作為校正器， 相當(dāng)于超前校正器；1當(dāng)Td=0時(shí)，則有：Gc(s) Kp(1)此時(shí)為比例微分(PI)控制器，如將其作為校正器，TiS相當(dāng)于滯后校正器；1當(dāng)KP 0、Td 0、Ti時(shí)，則有：Gc(s)Kp(1Tds)稱(chēng)為全PID控制器。Ts2.2PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用比例環(huán)節(jié) 及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)

8、弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti，T越大積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效地早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。三、溫度控制系統(tǒng)模型建立3.1恒溫箱溫度控制系統(tǒng)方框圖圖3溫度控制方框圖3.2溫度系統(tǒng)模型其傳工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的大多數(shù)控制對(duì)象可以近似地用一階慣性純滯后環(huán)節(jié)來(lái)表示,seG(s) K遞函數(shù)為：Ts 1式中：K為放大系數(shù)；T為過(guò)程時(shí)間常數(shù)；為純滯后時(shí)間通過(guò)查閱資料，被控對(duì)象恒溫箱溫度傳遞函數(shù)為4.4e 20sG(S) 340 s 1根據(jù)上式設(shè)計(jì)PID控制器，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)得到最佳的系統(tǒng)整定效

9、果。四、PID溫度控制器分析設(shè)計(jì)4.1 PID建模由于該開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G4.4e20 s340s 1帶有時(shí)間延遲,所以這里要用時(shí)間延遲系統(tǒng)的頻率分析方法。延遲特性的傳遞函數(shù)如下：幅相特性G(j ) e '1 e J( 幅頻特性G 1(20log G 0dB)相頻特性G帶有純時(shí)間延遲的連續(xù)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型可以寫(xiě)成G(s)mm 1bos bsnn 1s asanG(s)eT為延遲時(shí)間常數(shù)； G1G)為不帶時(shí)間延遲的傳遞函數(shù)模型。所以，帶時(shí)間延遲的系統(tǒng)相當(dāng)于在不帶時(shí)間延遲的傳遞函數(shù)模型后面串接一個(gè)純時(shí)間延遲環(huán)節(jié)1892年由法國(guó)數(shù)學(xué)家 Pade提出的一種著名的有理近似方法，表達(dá)式為：4(事

10、1(9 其中Pi P2成為Pade近似系數(shù)。由此可知，純延遲時(shí)間函數(shù)可以用這種近似方法求取傳遞函數(shù)。本實(shí)驗(yàn)使用這種方法對(duì)應(yīng)的MATLABS制系統(tǒng)工具箱中提供的函數(shù)pade()'求得并繪制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳G(s)遞函數(shù)4.4e 20s340s 1的Bode圖以及Nyquist曲線。Bode Diagram-360-720-1080-144010101010Frequency (rad/s)R1Oo-w-2030-40o1DDa(6dn«.kn9aM代碼:G=tf(4.4,340,1,'iodelay',20); bode(G);grid oncfxa wanLya

11、yr0(2 dB4 dB6 dB -10 dB1L1LIIB-2 dB -4 dB-6 dB/ JrA.-10 dB:y /i jXi-/fj /斗-rrri!Nyquist Diagram-1.5-2-2.50 123455O25 o5 o-1Real Axis代碼:G=tf(4.4,340,1,'iodelay',20); nyq uist(G);grid on由nyquist圖得到，R=0,由開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)得 P=0,所以Z=0。綜上所述，溫度控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定。4.2 simulink 仿真4.3系統(tǒng)改良引入微分先PID控制，結(jié)構(gòu)圖如圖從圖中可以看出，引入微分先行PID控制器得到的階躍響應(yīng)結(jié)果與普通PID相比，超調(diào)更小，調(diào)節(jié)時(shí)間更短。五、結(jié)論P(yáng)ID 在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用十分廣泛，因?yàn)?PID 控制具有易于調(diào)節(jié)，工作穩(wěn)定，相對(duì)簡(jiǎn)單 等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)恒溫箱 PID 控制的研究展現(xiàn)了 PID 控制器的優(yōu)缺點(diǎn)及一些特性。 通過(guò)本文實(shí) 例不難看出，不經(jīng)改良的 PID 控制器的性能較差，超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，而經(jīng)過(guò)微分先行 改良的PID控制器的性能相對(duì)普通 PID控制器有明顯改善。PID 具有滯后性，