基于MatlabPID溫控系統設計與仿真

基于MatlabPID溫控系統設計與仿真

摘?要在Matlab6.5環境下,通過Matlab/Simulink提供的模塊,對溫度控制系統的PID控制器進行設計和仿真。結果表明,基于Matlab的仿真研究,能夠直觀、簡便、快捷地設計出性能優良的交流電弧爐溫度系統控制器。

關鍵詞溫度系統數學模型;參數整定;傳遞函數

中圖分類號TP文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2010)092-0020-02

在鋼鐵冶煉過程中,越來越多地使用交流電弧爐設備,溫控系統的控制性能直接影響到鋼鐵的質量,所以爐溫控制占據重要的位置。PID控制是溫控系統中一種典型的控制方式,是在溫度控制中應用最廣泛、最基本的一種控制方式。隨著科學發展,各行各業對溫控精度要求越來越高,經典PID控制在某些場合已不能滿足要求,因而智能PID控制的引入是精密溫控系統的發展趨勢。為了改善電弧爐系統恒溫控制質量差的現狀,研制具有快速相應的、經濟性好的、適合國情的恒溫控制裝置具有十分重要的意義。

1溫控系統模型的建立

在Matlab6.5環境下,通過Simulink提供的模塊,對電弧爐溫控系統的PID控制器進行設計和仿真。由于常規PID控制器結構簡單、魯棒性強,被廣泛應用于過程控制中。開展數字PID控制的電弧爐控制系統模型使應用于生產實際的系統穩定性和安全性得到迅速改善。

1.1溫控系統階越響應曲線的獲得

在高校微機控制技術實驗儀器上按以下步驟測得溫度系統階越響應曲線:1)給溫度控制系統75%的控制量,即每個控制周期通過

X0=255×75%=191個周波數,溫度系統處于開環狀態。2)ATMEGA32L內部A/D每隔0.8s采樣一次溫度傳感器輸出的電壓值,換算成實際溫度值,再通過串口通訊將溫度值送到電腦上保存。使用通用串口調試助手“大傻串口調試軟件-3.0AD”作為上位機接收數據并保存到文件“S曲線采集.txt”中。3)在采集數據過程中,不時的將已經得到的數據通過“MicrosoftExcel”文檔畫圖,查看溫度曲線是否已經進入了穩態區;根據若曲線在一個較長時間里基本穩定在一個小范圍值內即表明進入穩態區了,此時關閉系統。得到溫度系統階越響應曲線如圖1:

圖1溫度系統階越響應曲線

1.2溫度系統數學模型選擇與參數確立

從溫度系統階越響應曲線看,本系統的具有自衡能力,而且存在時延。假設系統對溫度控制精度要求為±1℃,根據一般經驗對于本系統采用一階慣性加滯后模型近似。一階慣性加滯后模型為:

其中K0=(Y(∞)-Y(0))/X0,模型參數T,τ,K0確立如下:在得到溫度系統階越響應曲線后在曲線上做拐點切線,拐點處即是溫度上升斜率最大處,畫出切線處理如圖1。

在圖上就可以得到τ=260×0.8S=208(S),T=(1301-260)×0.8S=832.8(S),Y(0)=23.5℃,Y(∞)=54.5℃,Xo=191為給定控制量;則放大系數:

K0=(Y(∞)-Y(0))/X0=(54.5-23.5)/191=0.1623

這樣作切線方法得到的τ,T,K0值雖然有一定的主觀性,但是一般偏差不會很多,可以采用,由此可以確立溫度系統傳遞函數為:

2溫度系統數字PID控制器參數整定與仿真

2.1數字PID控制器參數初始整定

對溫度系統的數學模型建立Matlab仿真模型之前需要對e-208s進行近似,使用2階近似,在Matlab的命令窗口打入[mun den]=pade(208,2),得到:

mun =1.0000 -0.02880.0003;den =1.00000.02880.0003

由于溫度慣性比較的,要在實際運行過程中尋找臨界振蕩不容易,于是借助 Matlab軟件描出系統開環傳函的根軌跡,再找出臨界振蕩點,進而得到振蕩周期,臨界振蕩振幅。再根據齊各勒-尼柯爾斯(Zieloger-Niclosls)經驗公式計算出連續PID的KP,Ki,Kd由此編程如下Matlab語言:

[a,b,c,d]=linmod(‘wendu’);rlocus(a,b,c,d);[Kr,poles]=rlocfind(a,b,c,d);

wm=abs(imag(poles(2)));Tr=2*pi/wm;Ti=0.5*Tr;Td=0.12*Tr;kp=0.6*Kr;kd=Td*kp;

ki=kp/Ti;num=[kp,kd,ki];den=[1,0];

其中Kr為臨界振蕩振幅,Tr為臨界振蕩周期,文件“wendu”是溫度系統的開環傳函,在simuink中表示如圖2。

根據所得到的根軌跡圖,點擊臨界振蕩點可以得到如下數據:

K

總結

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