PID加热炉温度控制器设计+仿真图+回路图(9)
如图13所示，当Ki=0.5时，系统的上升时间很大，调节时间很长，系统稳定。逐渐减小Ki的值，系统的上升时间逐渐减小，调节时间Ts变短，系统的稳定性更好。当积分换节合适时过渡特性比较理想。对稳态性能的影响，积分控制Ti能消除系统的稳态误差提高控制系统的控制精度。若是太大时积分作用太弱以致不能减小稳态误差。合理使用比例积分控制器，可以使系统进入稳态后无稳态误差。
图13
如图14所示，当Ki=0.3时，系统仿真图。系统的超调量减小，系统趋向稳定。
图14
如图15所示，当Ki=0.1时，系统的稳态误差出现，系统调节时间长，不稳定。
图15
如图16所示，当Ki=0.05时，系统的稳定性不好，稳态误差难以消除。
图16
在系统中加入微分环节进一步调节，减小超调量。当Ki逐渐减小时，振荡减小，Ts时间减小。但是，积分环节也不能过小，否则系统的稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。加入微分环节后，进一步调节，减小超调量。当Kp1=12,Ki=0.2,Kd=14时输出波形如图17所示。超调量基本满足要求，稳态误差几乎等于零。
图17 系统响应曲线仿真图
4. 系统仿真
本文中加热炉温度控制器的设计就是采用了单回路负反馈电路结合PID控制器，来实现温度控制的，加入PID控制器的温度控制回路系统的稳态性能提高，并减小系统的误差，降低超调量，提高系统的动态性能。为了提高系统的控制精度，设计控制回路的过程中，加入串级控制系统，减小干扰因素的影响，增强系统的抗干扰能力，使得系统更快的进去稳定状态，缩短了上升时间，减小了超调量，优化了系统的稳态性能，提高控制精度。最后，使用计算机辅助软件MATLAB对其进行仿真、调试、整定。其系统的流程图如图18所示。同时为了提高控制精度，加入次级串级控制变量夹套温度，如图19所示。
干扰
图18加热炉反馈控制回路系统
未加入PID调节之前系统的阶跃响应以及其系统仿真图，如图20所示。未加入PID调节器之前系统虽然是稳定的，但是系统的稳态误差太大，大约在0.5左右。
干扰 干扰
图19串级控制系统
图20未加入PID调节器之前的系统阶跃响应
对于单回路加入PID控制系统仿真，由第三章节中PID参数的整定知道系统整定已经完成，主回路比例环节为12，积分换节为0.2，微分环节为15，副回路Kp1为10，其仿真图如图21所示。串级控制系统仿真图如图22所示。由系统仿真仿真图对比可知：系统的上升时间明显减小，串级系统的主副回路相互协调工作使主被控变量能够准确地控制在误差允许的范围之内。有效的消除外界的干扰因素对系统的影响，调节时间Ts大大缩短，系统更快的进入稳定状态，满足控制要求。与单回路控制系统相比串级控制系统能改善被控过程的动态特性抗干扰能力增强。
图21 单回路系统仿真图
图22 串级控制系统仿真图
5.结束语
目前，加热炉温度控制研究已经有许多的控制方案和思想，不过此方面的研究仍然展现了巨大的潜在应用价值和理论意义。在控制系统中运用PID控制器作为一项技术也越来越成熟。本设计使用到了过程控制系统很多方面的知识包括串级控制系统分析、建模与仿真串级控制系统整定方法PID调节器的参数工程整定串级控制系统的性能分析等。在本次毕业设计的过程中更加进一步熟悉了Simulink的使用方法，将理论知识运用到实践中。更为深入的理解串级控制单回路控制比例积分控制比例控制的区别。PID控制器具有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点，其中比例环节P的作用是加快系统的响应速度I的主要作用是消除系统的稳态误差这样系统的响应速度比较快，而且稳态误差较小而副控制器直接采用了比例环节P控制主要为了避免引入积分I控制可能反而会降低副回路的快速性降低控制效果。如果没有引入微分环节D控制系统的超调还是比较大的，微分环节能明显的减小系统的超调量。