电烤箱温度控制系统设计

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1、题号一二三四五六七八九十总分得分得分评卷人一、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：评分标准本设计试题得分情况设计报告内容清楚，格式正确（30%）程序设计合理（20%）结果调试正确（30%）态度与团队合作情况（20%）第21页，共21页《MATLAB工程应用》期末考试设计报告

2、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21页，共21页第二章调试测

3、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

4、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

5、的数学模型。所以，电烤箱模型的传递函数为：第21页，共21页（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时间t(m)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5温度T(℃)2031527810

6、4126148168182198210225238250实验测得的烤箱温度数据Cohn-Coon公式如下：(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：第21页，共21页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

7、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2-1比例电路（2-3）2积分器第21页，共21页2-2积分电路（2-4）3微分器2-3微分控制电路第21页，共21页（2-5）实际中也有PI和PD控制器。PID控

8、制器就是根据系统的误差利