【正文】 河西學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告論文題目PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真(MATLAB)學(xué)生姓名所屬學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化年級(jí)08級(jí)指導(dǎo)教師所在單位河西學(xué)院職稱助教（研究生）開(kāi)題日期1．本選題的理論、實(shí)際意義 　此次所選的課題為基于MATLAB的PID控制器設(shè)計(jì)。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。編號(hào) 0814143 畢業(yè)論文 題 目：PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真（MATLAB） 30畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目錄摘 要 1Abstract 2第一章 緒論 1 課題意義及來(lái)源 1 溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 1 1 2 MATLAB簡(jiǎn)介 4第二章 被控對(duì)象及控制策略 5 5 控制策略 積分、微分 6 P、I、D控制 8第三章 PID最佳調(diào)整法與系統(tǒng)仿真 10 PID參數(shù)整定法概述 10 PID參數(shù)整定方法 10 PID調(diào)整方式 10 11 Relay feedback調(diào)整法 11 Relay feedback 在計(jì)算機(jī)做仿真 12 13 14 針對(duì)有轉(zhuǎn)移函數(shù)的PID調(diào)整方法 15 15 17 仿真結(jié)果及分析 17總 結(jié) 20參考文獻(xiàn) 21致 謝 22河西學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。PID控制是迄今為止最通用的控制方法，大多數(shù)反饋回路用該方法或其較小的變形來(lái)控制。在PID控制器的設(shè)計(jì)中，參數(shù)定是最為重要的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)PID參數(shù)的整定大多借助于一些先進(jìn)的軟件，例如目前得到廣泛應(yīng)用的MATLAB仿真系統(tǒng)。任何閉環(huán)的控制系統(tǒng)都有它固有的特性，可以有很多種數(shù)學(xué)形式來(lái)描述它，如微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間方程等。為了達(dá)到最佳的控制效果，我們?cè)陂]環(huán)系統(tǒng)的中間加入PID控制器并通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)來(lái)改造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，使其達(dá)到理想的控制效果。即使在微處理技術(shù)迅速發(fā)展的今天，過(guò)程控制中大部分控制規(guī)律都未能離開(kāi)PID，這充分說(shuō)明PID控制仍具有很強(qiáng)的生命力。整定的好壞不但會(huì)影響到控制質(zhì)量，而且還會(huì)影響到控制器的魯棒性。以下為此次課題的主要內(nèi)容：(1) 完成PID控制系統(tǒng)及PID調(diào)節(jié)部分的設(shè)計(jì)其中包含系統(tǒng)辨識(shí)、系統(tǒng)特性圖、系統(tǒng)辨識(shí)方法的設(shè)計(jì)和選擇。(3) 將此次設(shè)計(jì)過(guò)程中完成的PID控制器應(yīng)用的相關(guān)的實(shí)例中，體現(xiàn)其控制功能（初步計(jì)劃為溫度控制器）論文進(jìn)度安排和采取的主要措施：三月份：對(duì)于MATLAB的使用方法進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和并熟練運(yùn)用MATLAB的運(yùn)行環(huán)境，爭(zhēng)取能夠熟練運(yùn)用MATLAB。 查找相關(guān)PID控制器的應(yīng)用實(shí)例，尤其是溫度控制器的實(shí)例，以便完成最終的實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)。 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)后，在剩余的時(shí)間內(nèi)完成其與實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題的結(jié)合，將其應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中（初步計(jì)劃為溫度控制器）。 論文打印以及答辯工作地準(zhǔn)備。在PID控制器的設(shè)計(jì)中，參數(shù)整定是最為重要的,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)PID參數(shù)的整定大多借助于一些先進(jìn)的軟件，目前得到廣泛應(yīng)用的MATLAB仿真系統(tǒng)本設(shè)計(jì)就是借助此軟件主要運(yùn)用Relayfeedback法，線上綜合法和系統(tǒng)辨識(shí)法來(lái)研究PID控制器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一個(gè)溫控系統(tǒng)的PID控制器，并通過(guò)MATLAB中的虛擬示波器觀察系統(tǒng)完善后在階躍信號(hào)下的輸出波形，重點(diǎn)比較了在有無(wú)干擾信號(hào)時(shí)所得響應(yīng)曲線的抗干擾性，通過(guò)比較得到，在加入干擾信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的干擾信號(hào)能較好的得到抑制，在系統(tǒng)中加入干擾信號(hào)是很有必要的，也是可行的。 controller。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制，其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例。 課題意義及來(lái)源在我們的日常生活中也使用微波爐、電烤箱、電熱水器、空調(diào)等家用電器，溫度與我們息息相關(guān)?？梢?jiàn)溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。在關(guān)于溫度控制的絕大部分文獻(xiàn)資料中，控制結(jié)果都是有超調(diào)的，而且很多時(shí)候超調(diào)量較大，本論文是基于這一特點(diǎn)，研究一種控制方案，將其用于大部分溫控場(chǎng)合，都能達(dá)到零超調(diào)，且調(diào)節(jié)時(shí)間快，穩(wěn)態(tài)誤差也非常小的理想效果。1℃內(nèi)的技術(shù)要求。其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進(jìn)的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。四十年代初，當(dāng)時(shí)由于石油、化工、電力等工業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需要，出現(xiàn)了將測(cè)量、記錄、調(diào)節(jié)儀表組裝在一個(gè)表殼里的基地式儀表?；厥絻x表一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，它們的功能僅限于單回路控制且控制精度低。隨著大型工業(yè)企業(yè)的出現(xiàn)，生產(chǎn)向綜合自動(dòng)化和集中控制的方向發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)基地式儀表的結(jié)構(gòu)不夠靈活，不如將儀表按功能劃分，制定若干種能獨(dú)立完成一定功能的標(biāo)準(zhǔn)單元，各單元之間以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相互聯(lián)系，這樣儀表的精度可以提高。 以上兩個(gè)階段，無(wú)論是基地式儀表階段，還是單元組合式儀表階段，都是利用各種儀表對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)節(jié)、控制。 第三階段:微機(jī)控制階段。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，克服了其調(diào)節(jié)精度差、可靠性不高的缺點(diǎn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)控制系統(tǒng)的進(jìn)步，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人工智能技術(shù)的深入研究，為控制系統(tǒng)的理論領(lǐng)域增加了新的內(nèi)容。溫度微機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制方案有以下三類[35]:經(jīng)典控制方案、基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方案和智能控制方案。 數(shù)字控制器的間接設(shè)計(jì)方案是一種根據(jù)模擬設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換而來(lái)的設(shè)計(jì)方案。PID 控制器具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字控制器的參數(shù)整定方法有擴(kuò)充臨界比例度法和擴(kuò)充響應(yīng)曲線法等。其目標(biāo)是要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字控制器使閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到所要求的性能,實(shí)現(xiàn)的方法基本上可以看成是極點(diǎn)配置問(wèn)題。 數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方案清晰明了，采樣周期的選擇范圍擴(kuò)大，在一定條件上，能獲得較好的控制品質(zhì)。狀態(tài)空間法本質(zhì)上是一種時(shí)域的方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和提示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能。它是通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析綜合。此類設(shè)計(jì)方案主要有:系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、自校正控制等。該方法理論嚴(yán)謹(jǐn)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題可以嚴(yán)格證明，性能指標(biāo)能定量分析，得到的控制品質(zhì)較好。對(duì)于許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨機(jī)干擾因素多而不易獲取對(duì)象模型形式的系統(tǒng)，這類方法的使用受到了限制。它避開(kāi)了建立精確的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)控制理論進(jìn)行定量計(jì)算與分析的困難性。 智能控制系統(tǒng)有以下一些特點(diǎn)：(l) 智能控制系統(tǒng)一般具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過(guò)程。 (2) 智能控制具有信息處理和決策機(jī)構(gòu)，它實(shí)際上是對(duì)人神經(jīng)結(jié)構(gòu)或?qū)＜覜Q策機(jī)構(gòu)的一種模仿。這是因?yàn)槿说乃季S具有非線性，作為模仿人的思維進(jìn)行決策的智能控制也具有非線性的特點(diǎn)。 (5) 智能控制器具有總體自尋優(yōu)的特點(diǎn)。 并用MATLAB(Matrix Laboratory)軟件包來(lái)對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行。其中包括：一般數(shù)據(jù)分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控、制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并將應(yīng)用程序和圖形基于便于使用的集成環(huán)境中，在此環(huán)境下所接問(wèn)題的Matlab語(yǔ)言表達(dá)形式和其數(shù)學(xué)表達(dá)形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程并能夠進(jìn)行并能夠進(jìn)行高效率和富有創(chuàng)造性的計(jì)算，同時(shí)提供了與其他高級(jí)語(yǔ)言的接口，是科學(xué)研究和工程應(yīng)用必備的工具。本論文設(shè)計(jì)中PID參數(shù)整定用到的是Matlab中SIMULINK,它是一個(gè)強(qiáng)大的軟件包，在液壓系統(tǒng)仿真中只需要做數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)工作，用SIMULINK對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以預(yù)知效果檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，未涉及人員提供參考[7]。第二章 被控對(duì)象及控制策略控制系統(tǒng)意味著通過(guò)它可以按照所希望的方式保持和改變機(jī)器、結(jié)構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變化的量?？刂葡到y(tǒng)使被控制對(duì)象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)計(jì)目的是要對(duì)它的溫度進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量為零且穩(wěn)態(tài)誤差在177。 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，控制對(duì)象各種各樣。然而，對(duì)于二階不振蕩系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)辨識(shí)可以降為一階模型。所以， 電烤箱模型的傳遞函數(shù)為： （21） 式（21）中 K對(duì)象的靜態(tài)增益T對(duì)象的時(shí)間常數(shù)τ對(duì)象的純滯后時(shí)間目前工程上常用的方法是對(duì)過(guò)程對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，測(cè)取過(guò)程對(duì)象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過(guò)程的近似傳遞函數(shù)。 給定輸入階躍信號(hào) 250℃，用溫度計(jì)測(cè)量電烤箱的溫度，每半分鐘采一次點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表 21： 表 21 烤箱模型的溫度數(shù)據(jù)時(shí)間t(m)0溫度T(℃)20315278104126148168182198210225238250 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的烤箱溫度數(shù)據(jù) CohnCoon公式如下： (22)△M系統(tǒng)階躍輸入；△C系統(tǒng)的輸出響應(yīng) △C時(shí)的時(shí)間（分） △C時(shí)的時(shí)間（分）從而求得K=, T=144s ,τ =30s 所以電烤箱模型為： 控制策略 將感測(cè)與轉(zhuǎn)換輸出的訊號(hào)與設(shè)定值做比較，用輸出信號(hào)源（210V或420mA）去控制最終控制組件。PID的問(wèn)世已有60多年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具[10]。即當(dāng)我們不完全了解系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用PID控制技術(shù)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計(jì)算出控制量，控制器輸出和輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中如公式（26）和（27）： （26） （27） 公式中U(s)和E（s）分別是u（t）和e（t）的拉氏變換，其中、分別控制器的比例、積分、微分系數(shù)。其控制器輸出與輸入誤差訊號(hào)成比例關(guān)系。 （I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號(hào)成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，知道等于零。 （D）控制 在微分控制中，控制器的輸出和輸入誤差訊號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在較大慣性組件（環(huán)節(jié)）和有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)