基于PID的炉温控制系统设计与仿真.doc
电气工程与自动化学院
控制基础课程实践报告
（控制基础课程实践）
题目：基于PID的炉温控制系统设计与仿真
专业班级：自动化101班
学号学生姓名：艾文鹏
指导老师：杨国亮老师
2012年12月24日
目录
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第一章绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2MATLABGUI在控制系统中的应用 1
1.3本文工作简述 2
第二章PID控制器的设计 3
2.1PID控制原理与程序流程 3
2.1.1模拟PID调节器 3
2.1.2数字PID控制器 4
2.1.3PID算法的程序流程 4
2.2微分先行PID控制器 5
2.3电阻炉系统数学模型的建立 6
第三章GUI图形用户界面设计 8
3.1MATLAB的GUI的界面设计 8
3.2GUI界面的建立 8
第四章系统仿真性能的研究 14
4.1基于Sumilink的PID仿真 14
4.2微分先行和输入滤波PID控制算法 14
4.3系统性能测试 15
参考文献 18
致谢 19
摘要
PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。从实际需要出发，一种好的PID控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的负担，还可以使系统处于最佳运行状态。因此，对PID控制器参数整定法的研究具有重要的实际意义。本文介绍了PID控制技术的发展历史和研究进展。分析了传统的模拟和数字PID控制算法，并对传统的PID控制算法进行微分项和积分项的改进，学习了几种比较普遍运用的方法，如不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法等。
利用MATLAB环境中图形界面的设计技术构建线性系统仿真教学软件，其特点是可通过系统的传递函数模型对时域及频域的响应进行系统分析，并且可以进行PID控制算法，在学习的基础上，微分先行PID控制器，使得系统暂态性能和稳态性能较好，在调节时间、抑制超调量、稳定性都要好。
关键词：PID控制；图形界面；鲁棒性；控制算法；微分先行
第一章绪论
1.1课题背景及意义
然而近年来随着热处理工艺广泛应用于加工过程,热处理中温度的控制精度和控制规律的优劣直接影响到热处理工艺的好坏。电阻炉是热处理工艺中应用最多的加热设备,研究电阻炉温度控制方法具有重要意义。工业生产中广泛应用工业炉，如在冶金、化工等工矿企业以及宾馆、学校、商场等公共场所。当前，电阻炉温度控制的主要问题是：由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象，炉温控制具有单向性、大惯性、大滞后、时变性的特点。例如，其升温单向性是由于电阻炉的升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却，当其温度一旦超调就很难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和确定参数。
通过调节PID调节器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd来实现对电阻炉的温度控制。当系统处于平衡状态时，炉温将稳定在给定值上，从而实现了电阻炉的温度控制。其目的是：利用现有的设备来实验，去了解要实现一个控制系统，它所需的最基本的思想、过程以及解决问题的思维方法。制作一个MATLABGUI界面来实时观察，也可作为自控原理、过程控制系统辅助设计和分析的工具。可以帮助全面、深入、细致地掌握控制系统的分析、设计及控制器整定的基本步骤和方法。参与改变模型参数,进行仿真分析,观察不同仿真结果,当模型参数变化时,仿真曲线的变化能够同时看到。
本课题以目前国际上流行的MATLAB语言为开发工具，研究并实现控制系统仿真软件，充分利用了MATLAB提供的强大功能。
1.2MATLABGUI在控制系统中的应用
MATLAB是控制系统计算机辅助分析与设计的一个卓越平台，具有开放的环境、功能极强的矩阵运算、图形绘制、数据处理、各种工具箱以及像“草稿纸”一样的工作空间等许多优点，为控制工程基础的教学提供了一个连续的、有实用价值的工具。但命令繁多，分析起来过于零散，难于对控制系统的性质有个整体的掌握，困此．编制一个辅助教学工具箱是必要的。在MATLAB开发平台中，有可视化编程能力很强的图形用户界面GUI，设计相应的控制系统辅助课