加热炉温度控制系统设计本科毕业设计 精品
温度控制系统设计毕业设计论文
目录第一章设计背景及设计意义 (2)第二章系统方案设计 (3)第三章硬件 (5)3.1 温度检测和变送器 (5)3.2 温度控制电路 (6)3.3 A/D转换电路 (7)3.4 报警电路 (8)3.5 看门狗电路 (8)3.6 显示电路 (10)3.7 电源电路 (12)第四章软件设计 (14)4.1软件实现方法 (14)4.2总体程序流程图 (15)4.3程序清单 (19)第五章设计感想 (29)第六章参考文献 (30)第七章附录 (31)7.1硬件清单 (31)7.2硬件布线图 (31)第一章设计背景及研究意义机械制造行业中，用于金属热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶惯性环节。
现有企业多采用常规仪表加接触器的断续控制，随着科技进步和生产的发展，这类设备对温度的控制要求越来越高，除控温精度外，对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规控制难于满足这些工艺要求。
随着微电子技术及电力电子技术的发展，采用功能强、体积小、价格低的智能化温度控制装置控制加热炉已成为现实。
自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。
随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。
在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。
例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。
对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。
采用MCS-51单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
加热炉出口温度控制系统的设计
二○一六～二○一七学年第一学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：班级：学号：姓名：指导教师：二○一六年十月1. 设计题目加热炉出口温度控制系统的设计2. 设计任务图１所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。
加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。
在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。
被加热物料图1 加热炉出口温度系统但是，由于炉子时间常数大，而且扰动的因素多，单回路反馈控制系统不能满足工艺对炉出口温度的要求。
为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。
3. 设计要求1)绘制加热炉出口温度单回路反馈控制系统结构框图。
2)以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度的副变量，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，要求绘制该串级控制系统结构图。
3)假设主对象的传递函数为)2)(1(1)(01++=s s s G ，副对象的传递函数为)1(1)(02+=s s G ，主、副控制器的传递函数分别为sK s G c c 21)(11+=，22)(c c K s G =，1)()(21==s G s G m m ，请确定主、副控制器的参数（要求写出详细的参数估算过程）。
4)利用simulink 实现单回路系统仿真和串级系统仿真，分别给出系统输出响应曲线。
一．单回路反馈控制系统的设计单回路反馈控制系统结构框图原料出口温度T受进入管式加热炉原料的初始温度和进入流量和燃烧值的影响。
在原料流量一定的情况下，在燃料入口处安装一个调节阀，控制进入管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉的燃料流量，调节阀的开度大小由原料出口温度值控制，构成管式加热炉出口温度单回路反馈控制系统。
二．串级控制系统的设计单回路控制系统的控制效果较差，很难达到满意的效果。
管式加热炉出口温度及炉膛温度串行控制系统设计
第1章绪论1.1 设计要求综合运用过程控制系统及自动控制原理课中所学到的理论知识，联系工程实际，选择合理的主变量、副变量，选择合理的控制方式，设计一个符合要求的串级控制系统。
1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统技术指标：1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
求出比例度与衰减振荡周期；4．按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；5．求出系统的阶跃响应曲线；6．求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶跃扰动信号，系统的输出曲线；7．分析系统特点。
8．撰写设计说明书及注意事项。
1.1.2 设计功能主要功能：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统。
第2章系统总体设计方案2.1工艺流程图管式加热炉是工业生产中的常用设备之一，其工艺流程图如图2-1所示：图2-1 管式加热炉工艺流程图2.2方框图和工艺流程的介绍此次管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统的设计采用主副回路的串级控制方案，即选取炉口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。
其系统框图如图2-2所示：图2-2 管式加热炉出口温度串级控制系统框图管式加热炉简介：管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器管式加热炉示意图如图2-3所示：图2-3 管式加热炉 通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。
主调节器 管壁 调节阀 副测量变送器物料主测量变送器炉膛 副调节器对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。
辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。
这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。
燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。
毕业设计18锅炉温度串级控制系统
由于本次设计选用的是电阻丝加热炉，属于电加热形式， 应该选择温度控制器作为执行机构，选用对应的MJYD-JL20型单相交流模块。 PLC控制器输出的数字量经过D/A转换成温度控制器可识 别的模拟电压信号后，根据不同的电流值，MJYD-JL-20型 单相交流模块输出相应的电压值从而控制电阻丝两端的电 压值，达到调节温度的目的。
致谢
这次毕业设计是我在大学里过得最充实、 最有意义、最开心的一段经历，让我为大 学画出了一个圆满的句号。感谢老师，感 谢同学，感谢在设计过程中所有帮助过我 的人！
ＭＡＤＯ２接线图
输出接线图
CPM1A-MAD02-CH 屏 蔽 电 缆 + V+ 电 压 输 出 电压输入 屏蔽电缆
输入接线图
CPM1A-MAD02-CH V+ 250E I+
+
I+ 电 流 输 出
_ COM 10K 0V
COM
+
V+
0V
电流输入 _ FG
I+
COM
250E
FG
10K 0V
执行器的选择
系统硬件的设计
温度检测电路单元
PLC及其配套的MAD02
执行器的选择 系统电气原理图
温度检测电路单元
JCJ100G接线示意图
PLC及其配套的MAD02
在本次设计中选用的是日本OMRON（立石）公司推出的 CPM2A型可编程控制器，型号为CPM2A-40CDR-A 。
在本次设计中，需要进行温度信号的采集，但采集过来的 信号为模拟信号，而PLC所能存储并进行处理的信号为数 字信号，因此，需要对采集到的温度信号，进行相应的模 数转换，以便实现锅炉温度的串级控制。相应地，PLC输 出的为数字信号，必须进行D/A转换形成模拟量才能实现 对执行器的控制。由于本次设计选用PLC作为控制工具， 所以应选择转换模块或与所选用PLC相配套的器件。因此 本次设计选用CPM2A—MAD02作为本设计中的A/D、D/A 转换器件。
石化厂加热炉的温度控制系统设计课件
(1)对于测量管道中心流体温度的热电偶,一般都应将其测量端插入到管道中 心处(垂直安装或倾斜安装).如被测流体的管道直径是200毫米,那热电偶或热 电阻插入深度应选择100毫米;
(2)对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度),为了减小保护套对流 体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂,可采取保护管浅插方式或采用 热套式热电偶.浅插式的热电偶保护套管,其插入主蒸汽管道的深度应不小于 75mm;热套式热电偶的标准插入深度为100mm;
热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。
采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的链接导 线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差，不 管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果 不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，如图5.3所示，热电阻用三 根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内， 使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。
达到调节温度θ1的目的。
图2.1 管式加热炉工艺流程图
控制方案确定
1简单控制系统 温度调节器TC是根据原料油的出
口温度θ1与设定值的偏差进行控
制。当燃料部分出现干扰后，控 制系统并不能及时产生控制作用，
克服干扰对被控参数θ1的影响控
制质量差。当生产工艺对原料油
出口温度θ1要求很严格时，简单
控制系统很难满足要求。 被控变量：原料油出口温度； 操控变量：燃料流量。 当对出口温度控制要求不高时，简
3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然 后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种 方法。
加热炉温度控制系统设计
录
绪论.............................................................................................................................. 1 系统设计背景.......................................................................................................... 1 本文的研究内容...................................................................................................... 1 设计总体方案及控制算法描述.................................................................................. 2 系统总体方案.......................................................................................................... 2 硬件方案设计...................................................................................................... 2 软件方案设计...................................................................................................... 3 PID 控制算法........................................................................................................... 6 PID 算法............................................................................................................... 6 PID 在 PLC 中的回路指令................................................................................... 7 PID 参数整定....................................................................................................... 8 本章小结.................................................................................................................. 9 系统硬件设计............................................................................................................ 10 系统的硬件组成.................................................................................................... 10 系统结构组成.................................................................................................... 10 系统各个组成部分完成的任务........................................................................ 10 可编程控制器........................................................................................................ 10 PLC 的选型......................................................................................................... 10 西门子 S7-200 主要功能模块介绍.................................................................. 10 系统其他硬件选型及配置.................................................................................... 12 显示模块............................................................................................................ 12 温度传感器........................................................................................................ 13 调功器................................................................................................................ 14 系统硬件链接........................................................................................................ 16 本章小结................................................................................................................ 17 系统软件设计............................................................................................................ 18 方案设计思路........................................................................................................ 18
课程设计炉温控制系统的设计
课程设计--炉温控制系统的设计二○一三～二○一四学年第一学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：计算机控制与接口技术课程设计班级：学号：姓名：指导教师：二○一三年十一月一、 设计题目和设计要求1.设计题目炉温控制系统的设计2.设计任务和要求设计一个炉温控制系统，对象的传递函数： s e s s G 021158)(-+=，炉子为电炉结构，单相交流220V 供电。
温度设定值：室温~100℃，可以任意调节。
要求： (1) 画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示的电路及主电路； (2) 阐述电路的工作原理；(3) 采用对象为大滞后的算法，求出u(k); (4) 定出闭环数学控制的程序框图。
二、 设计任务分析（一）系统设计：在工业化生产中，需要有大量的加热设备，如用于熔化金属的坩埚炉、用于热处理的加热炉，以及各种不同用途的反应炉，加热炉，温度控制成为制约工业发展的重要环节。
随着计算机技术的不断发展，用于工业生产中炉温控制的微机控制系统更加成熟。
实践证明，它具有功能强、精度高，经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。
该系统以MCS-51单片机为核心构成一个炉温控制系统，该系统具有对电炉温度的实时控制，定时检测和调节，温度数据显示并打印，存储必要的信息等功能。
由外部操作键盘，输入给定数值，进行相应的参数设定，并可以根据需要进行手动、自动之间的切换。
本系统主要由单片机应用系统主机板、晶闸管主电路及电气控制、温度检测与信号放大模块、数字控制与同步触发模块等部分组成。
单片机应用系统主机板采用模块式结构，功口线和各信号设计成总线形式，应用系统的各部分都通过总线插座方便地与单片机接口。
Ⅰ.典型的反馈式温度控制系统通常由下图（a ）所示的几部分组成，其中调节器 由微型机来完成。
图a 单片机炉温控制系统结构图Ⅱ.给定信号如何给计算机温度给定值可以通过计算机键盘输入（键盘与单片机连接），也可以通过数学表达式由程序自动设定，还可以用拨码盘，一般拨码盘常用于过程控制的控制柜（化工企业）。
电加热炉温度控制系统设计方案
电加热炉温度控制系统设计方案绪论电加热炉的出现，给人类的生活带来了很多方便，使人类不管是在生活还是在工业方面都有了很多便利之处。
但是电加热炉主要应用还是在生产过程、实验室及研究所。
电加热炉本身可由多组炉丝提供功率，用多组温度传感器检测炉温度，因此电加热炉属多区温度系统。
控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更先进的控制理论，控制系统也由简单的控制系统、大系统发展到今天的复杂系统。
本文讨论的电加热炉炉温控制系统由上下两组炉丝进行加热，用上下两组热电偶检测炉温。
本文所采用的电加热炉温度控制，采用的是适用于工业控制的8051单片机组成的控制系统。
为了降低电加热炉的成本，系统要求采用实现温度闭环控制，控制温度误差围5°C，调节温度的超调量小于30%，系统被测参数是温度，由单片机PID运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电功率，从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上，并实时显示炉温度，记录温度的变化过程，以更好的控制电加热炉工作。
本系统较理想地解决了炉温控制中平稳性、快速性与精度之间的矛盾。
电加热炉是一种将电能转换为热能，在工矿企业和日常生活中，是一种常见的设备。
在社会发展的今天，电加热炉的使用，即可以提高生产效益，节约能源，也减少了环境的污染，在社会经济发展和改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。
随着社会经济的不断发展，科技水平的进步，人民生活水平的提4高，将使社会带入一个新的阶段。
人们对热能的需求质量越来越大，电加热炉的优越性越发的突出来，这样就出现了一个问题，由于传统的电加热炉存在一定的弊端而造成能源的浪费，导致其生产效率低，其主要原因是缺少有效的调节设备，导致的浪费。
如何解决这一问题，满足社会的需求，设计得更加科学、合理，在全国仍在探讨。
并且现代电加热炉的控制方法由于数学深奥、算法复杂、现场工程师难以理解和接受，因而先进控制算法的推广受到制约，为克服以上种种困难，将来的电加热炉以控制算法简单，静动态性能好的特点，有较高的实用价值和理论价值，特别是以节约能源、保护环境的方向发展。
加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计
加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计一、引言加热炉是一种常用于工业生产中的设备，其作用是通过燃烧燃料加热空气或其他介质，使其达到所需温度。
加热炉的出口温度和炉膛温度是评估加热炉性能的关键指标。
为了提高加热炉的控制精度和稳定性，需要设计出一个合理的加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统。
二、串级控制系统的基本原理串级控制系统是一种将两个或以上的控制回路串接在一起，将一个控制器的输出作为另一个控制器的输入，通过不同层次的控制，实现对被控对象的精确控制。
在加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统中，可以将炉膛温度作为外环控制，将加热炉出口温度作为内环控制。
三、串级控制系统的设计步骤1.确定控制目标：在此串级控制系统中，控制目标是将加热炉出口温度控制在一定范围内，并同时保持炉膛温度稳定。
2.确定输入变量和输出变量：输入变量为控制器输出信号，输出变量为加热炉出口温度。
3.系统的数学模型：确定加热炉出口温度与炉膛温度之间的动态关系，建立数学模型。
可以采用传统的PID控制器或者现代控制理论中的模型预测控制等方法。
4.设计外环控制器：外环控制器根据炉膛温度的反馈信号调整燃料供给，以控制炉膛温度的稳定性。
5.设计内环控制器：内环控制器根据外环控制器的输出信号和加热炉出口温度的反馈信号调整燃料供给，以控制加热炉出口温度。
6.仿真与优化：使用仿真软件对设计的串级控制系统进行仿真，观察系统的响应特性，并根据实际需求进行调整和优化。
7.实际系统应用：将优化后的串级控制系统应用到实际加热炉中，并进行调试和验证。
四、串级控制系统的优势1.提高控制精度：串级控制系统将控制精度分为两个层次进行控制，可以快速响应外环控制器的调整，从而提高系统的控制精度。
2.提高稳定性：串级控制系统通过多层次的控制，减少了外界扰动对系统稳定性的影响。
3.提高动态响应速度：串级控制系统可以根据内环的控制效果对外环的控制进行调整，从而实现更快的动态响应。
加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计
第一章系统分析与控制方案的确立1.系统分析图1.1所示为某工业生产中的加热炉，其任务是将被加热物料加热到一定温度，然后送到下道工序进行加工。
加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。
在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。
被加热物料图1.1加热炉出口温度系统由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。
为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。
2.串级控制系统的设计加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉出口工艺所要求的温度。
在加热用的燃料油管道上装有一个调节阀，用以控制燃料油流量，以达到控制出口温度的目的。
由于加热炉时间常数大，而且扰动的因素多，比如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉出口温度的要求。
为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉出口温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的要求，系统的串级控制结构图如图1.2所示。
图1.2加热炉出口温度串级控制系统结构图串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。
由加热炉出口温度串级控制系统结构图可绘制出其结构方框图，如图1.3所示。
(1) 主被控参数的选择应选择被控过程中能直接反映生产过程中的产品产量和质量，又易于测量的参数。
在加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中加热炉出口温度为系统的主被控参数，因为加热炉出口温度是整个控制作用的关键，要求出口物料温度维持在某给定值上下。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
控制系统综合设计报告 题 目: 加热炉温度控制系统设计 第1页 报告题目：加热炉温度控制系统设计 一、 课程的要求和意义 （一 ）课程设计的具体要求 1、加热炉温度单回路反馈控制系统。 2、以加热炉温度为主变量，夹套温度为副变量，构成加热炉出口温度与夹套温度的串级控制系统。被加热物料流过排列炉膛四周的夹套后，加热到炉出口工艺所要求的温度。在加热用的装有一个调节阀，用以控制夹套温度控制，以达到控制出口温度的目的。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，有效地提高控制质量，满足生产要求。 3、利用Simulink实现单回路系统仿真和串级系统仿真，得出系统输出响应曲线，根据两种系统仿真结果分析串级控制系统的优缺点，验证串级系统是否能提高控制的精度。本设计是通过加热炉两种控制方案的对比并利用MATLAB中的Simulink进行系统仿真，采用衰减曲线法进行参数的整定，通过比较两种方案，最终说明加热炉串级控制系统的设计方案在实际控制中的优越性。 4、要求设计的系统满足快速、准确、稳定，且超调量8%≤δ≤10%。 5、给定各传递函数如下：
主控制对象加热炉温度传递函数:011()(301)(31)Gsss
副对象对象夹套温度传递函数:0221()(101)(1)Gsss 主PID控制器的传递函数为：111()(1)cIGsKTs 副PID控制器的传递函数为：22()cGsK
第2页
二、 加热温度控制系统设计 （一） 加热炉单回路温度控制系统结构图
加热炉温度单回路控制系统结构框图
（二） 加热炉温度串级控制系统结构图 图3加热炉温度串级控制系统结构图
图1加热炉单回路温度控制系统结构图 PID调节器 调节装置 夹套 加热炉 温度反馈 1
()t
+ - + + +
干扰 干扰
图2 加热炉温度单回路控制系统结构框图 + 第3页
加热炉温度串级控制系统结构框图
（三） 衰减曲线法参数整定的相关资料 （1）衰减曲线法是在系统闭环情况下，将控制器积分时间TI放在最大，微分时间TD放到最小，比例放大倍数KC设为1; （2）然后使KC由小往大逐步改变，并且每改变一次KC值时，通过改变给定值给系统施加一个阶跃干扰，同时观察过渡过程变化情况。如果衰减比小大于4：1，KC值继续增加，如果衰减比小于4：1，KC值继续减小，直到过程呈现4：1衰减如图为止; 41
Ts
（3）通过上述试验可以找到4：1衰减振荡时的放大倍数为Ks以及振荡周期Ts。根据下表给出的经验公式，可以算出采用不同类型控制器使过渡过程出现4：1振荡的控制器参数值;
PID调节器 PID调节器 调节装置 夹套 加热炉 温度反馈 温度反馈
+ - + + + - +
+ 干扰 干扰
图4加热炉温度串级控制系统结构框图 第4页 表 4：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式
控制器类型 控制器参数 P(KC) I(TI)/min D(TD)/min P Ks — — PI 0.83 Ks 0.5Ts — PID 1.25 Ks 0.3Ts 0.1Ts （4）按经验公式算出控制参数后按照先比例、后积分、最后微分的程序，一次将控制器参数放好。不过在放积分、微分之前应将KC放在一个比计算值稍小一些（一般小20%）的数值上，待积分、微分放好后再将KC放到计算值上,放好控制器参数之后再加一次干扰，验证一下过渡过程是否呈4：1衰减振荡; （5）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到调节器上，做一些扰动试验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质最佳为止。
(四) Simulink仿真及参数整定 ⒈ 未加入PID调节之前系统的阶跃响应： 第5页 由图5可知：未加入PID调节之前系统系统是稳定的，但是系统的稳态误差过大，约为0.5左右。
2 .串级控制系统仿真: 由主控制对象加热炉温度传递函数: 011()(301)(31)Gsss，和副控制对象夹套温度传
递函数: 0221()(101)(1)Gsss，在MATLAB中画出仿真框图，如图6所示：
图5 未加入PID调节之前系统的阶跃响应 第6页
⑴. 副回路的整定 将主环路断开，副环路为比例作用的条件下，由小到大逐渐降低副调节器的比例度1pK。整定副回路的仿真图如图7所示。
图6 串级控制系统总仿真图
图7 整定副回路的仿真图 第7页
1pK=2 （系统的超调很小） 第8页
1pK=4（开始出现超调量） 第9页 1pK=6 第10页 1pK=8 第11页 1pK=10 第12页
1pK=12 1pK=16（系统开始震荡） 第13页 1pK= 20（系统震荡严重） 图8 不同的比例度对应的整定副回路的单位阶跃响应曲线 由上图的对比可知：整定副回路此时的控制器为纯比例作用，当比例度逐渐增大时系统超调量逐渐增加，随着比例度P的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定出现振荡。比例度P取值过小时，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。当1pK=10时，系统的衰减比趋向于4:1.
⑵. 主回路的整定 将主环路断开，连接好主回路，副回路的比例度1pK保持为10不变，对主回路进行整定，仿真图如图9所示。 第14页
图9 主回路仿真图 a.先调比例环节
逐渐增加主回路的比例度pK,用临界比例度法对主回路进行整定，衰减比基本可达
到4:1的比例度pK值为13，主回路整定仿真波形如图10所示。
b．加入积分环节，进一步调节。 图 10 系统P控制时的单位阶跃响应曲线 第15页
当pK=13时，在1T=10时出现第一峰值1.56；在2T=28时出现第二峰值1.15，曲线稳定值为1，可计算出衰减度为（1.56-1）：（1.14-1）=4：1。所以sT=2T-1T=18,根据上表控制器参
数经验公式可计算得到，10.070.5isKT，为了更精确调节，取不同的iK观察波形。 当pK=13, dK=0，iK从大到小取值对应的阶跃响应曲线分别如图所示。
iK =0.5时 第16页
iK=0.3 第17页 iK=0.2 第18页 iK=0.1 第19页 iK
=0.05 第20页 iK=0.01 第21页
iK=0.005 第22页 iK=0.001
图 11 不同的iK值对应的系统PI控制时的单位阶跃响应曲线
由上面的比较可以看出：当IK逐渐减小时，振荡减小，调节时间减短，但iK不能过小，否则系统的稳态误差将难以消除，影响系统的调节精度。当iK=0.2系统稳定较好，超调量较小满足设计要求，因此取iK=0.2.
c．加入微分调节环节，进一步调节，减小系统的超调量。 当pK=13，iK=0.2，dK=15时输出波形如下图所示，超调量基本满足要求而且稳态误差几乎为零。 第23页
此时系统整定已经完成：主回路的pK=13，iK=0.2，dK=15，副回路的1pK=10 ⑶. 加入扰动后的系统仿真 加入扰动后，系统会出现稳态误差，动态性能和静态性能都会变差，PID的各参数需要重新进行调整。加入扰动的主回路仿真图如图12所示。
图12 加入扰动后系统的仿真图 第24页
加入扰动后系统仿真波形如图13所示，可以看出稳定值趋向于1。系统基本不存在稳态误差，所以PID调节的参数调节合理，无需进一步调整。
3. 单回路系统仿真： （1）单回路按照4：1衰减曲线整定。
a.断开积分部分的情况下 如图14所示：其中2pK=4,，T1=34.8s时，如图15所示，可以看出：第一峰值：1.123, T2=92.8s，第二峰值0.85，稳定值0.8。
图13加入扰动后系统仿真波形 第25页 b. 加入积分进一步调节
设定值2pK=4，2iK=0.025时，系统超调较小，按照图16仿真，得到阶跃响应曲线曲线，如图17：
图14 单回路控制结构图 （未加入积分部分） 图15 单回路阶跃响应曲线（未加入积分部分） 第26页 （2）加入加入扰动后的系统仿真 图16 单回路控制控制结构图（加入积分部分）
图17 单回路阶跃响应曲线（加入积分部分） 图18 单回路加入扰动后系统的仿真图 第27页
图19 单回路加入扰动后系统的仿真波形 （五）串级控制系统与单回路系统性能比较 串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应输出曲线比较可知，串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。 串级控制副干扰的影响调节很迅速，从而极大的减少副回路干扰对主被控参数的影响；抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有明显提高，使控制控制效果更好，提高了控制的精度。