基于MATLAB的pid恒温控制,基于MATLAB的PID恒温控制器

成绩 课程设计报告 题 目 基于MATLAB的PID恒温控制器 院 部 名 称 智能科学与控制工程学院 专 业 自动化 班 级 14自动化 组 长 姓 名 陈玉荣 学 号 1417102009 同 组 学 生 范淑君、钱涛 设 计 地 点 工科楼C208 设 计 学 时 1周 指 导 教 师 翟力欣 金陵科技学院教务处制 目 录 绪论3 一、选题的目的和意义3 1.1、课题研究的内容3 二、系统方案对比4 三、控制对象建模4 3.1、PID控制建模4 3.1.1温控系统阶跃响应曲线的获得4 3.1.2 温度系统数学模型选择与参数确定5 3.2、被控对象建模6 四、MATLAB的Ziegler-Nichols算法PID控制器设计7 4.1、Ziegler-Nichols算法简介7 4.2、Ziegler-Nichols算法参数确定8 五、P、PI、PID调节器控制比较10 5.1、未加PID调节系统10 5.2、加入P调节系统11 5.3、PI调节系统12 5.4 PID调节系统13 5.5 系统调节总体分析15 六、PID调节的Simulink仿真16 6.1、PID控制仿真16 6.2、抗干扰能力测试16 七、总结18 八、参考文献19 基于MATLAB的PID恒温控制器 绪论 一、选题的目的和意义 任何闭环的控制系统都有它固有的特性，可以有很多种数学形式来描述它，如微分方程、传递函数、状态空间方程等。但这样的系统如果不做任何的系统改造很难达到最佳的控制效果，比如快速性稳定性准确性等。为了达到最佳的控制效果，我们在闭环系统的中间加入PID控制器并通过调整PID参数来改造系统的结构特性，使其达到理想的控制效果。 1.1、课题研究的内容 工业生产中温度控制具有单向性、时滞性、大惯性和时变性的特征，要实现温度控制的快速性和准确性，对于提高产品质量具有很重要的现实意义。本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。通过将普通的系统控制与PID控制做对比突出PID控制在系统控制中的优越性。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器(亦称调节器)及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器 (至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 二、系统方案对比 电加热温度控制具有升温单向性、时滞性、大惯性和时变性的特点。例如：其升温单向性是由于电加热的升温、保温主要是通过电阻加热；降温则通常是依靠自然冷却，当温度一旦超调，就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型，并确定参数。应用传统的建模电路控制方法，由于电路复杂，器件太多，往往很难达到理想的控制效果。由于无法用精确的数学方法建立模型并确立参数，本设计采用PID控制。 三、控制对象建模 3.1、PID控制建模 在MATLAB环境下，通过Simulink提供的模块，对电炉温控系统的PID控制器进行设计和仿真。由于常规PID控制器结构简单、鲁棒性强，被广泛应用于过程设计控制中。开展数字PID控制的电弧炉控制系统模型使应用实际生产的系统的稳定性与安全性得到迅速改善。 3.1.1温控系统阶跃响应曲线的获得 在高校微机控制技术实验仪器按以下步骤测得温度系统的阶跃响应曲线： 1) 给温度控制系统75％的控制量，即每个控制周期通过X0=255*75％=191个周期，温度系统处于开环状态。 2)ATMECA32L内部A/D每隔0.8s采集一次温度传感器输出的电压值，换算成实际温度。 3)在采集数据过程中，不时的将已经得到的数据通过“Microsoft Excel”文档画图，查看温度是否已经进入了稳态区。 3.1.2 温度系统数学模型选择与参数确定 PID控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成功，在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差, 积分调节停止,积分调节输出一个常值。作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。 微分作用:可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。在PID控制系统中, PID控制器分别对误差信号e(t)进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u(t)，送给对象模型加以制。 PID控制器由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数(Kp ，Ki和Kd)即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其

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来源：张托尼