基于MATLAB仿真的烤箱的温度控制分析[计算机类].doc
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1、烤箱的温度控制分析摘要:本文以烤箱的温度为研究对象,对其温度变化进行建模并控制分析。阐述了基本的建模原理,并利用Matlab /Simulink仿真工具,依据状态空间方程理论对该系统进行仿真分析与控制。关键词:Matlab /Simulink仿真;状态空间;反馈控制1、背景介绍温度控制技术广泛的应用于社会生活的各个方面,传统的温度控制技术中最常用的就是继电器调温,但是继电器调温操作频繁,温度的控制范围小,精度也不高。由于烤箱温度控制具有多种特点,例如单方向升温、时间滞后性强、随时间变化等。因此,传统的控制方法不能达到预期的控制效果。根据烤箱工作时实际温度的变化情况,本文对烤箱先进行建模,分析其
2、温度的变化情况,继而采用负反馈控制对其进行温度的调节控制。2、烤箱模型介绍及建模2.1 烤箱的结构组成电烤箱一般是由箱体、电热元件、调温器、定时器、功率调节开关等结构组成。电烤箱的热量由热电阻产生,由功率放大器产生的电压Vc控制。温度由放在测量洞中的热电偶测量,仪表放大器产生的电压Vm,来显示温度m。现假设,在烤箱的温度范围内,传感器和仪表放大器装置是线性的。烤箱简化模型如图1所示:图1. 烤箱结构简图此结构简图中所包括的参数如下:Q=k1Vc 产生的热量;Ra 导热管向机壳传播的热电阻;Ca 机壳的热熔;Rm 降低测量动中的烤箱热循环热电阻;Cm 测量洞中的热熔;Rf 向烤箱外散热的泄漏电阻
3、;Ce 烤箱外空气的热熔,假定很大;a、m、e 分别表示烤箱机壳、测量洞、烤箱外的温度;2.2 烤箱模型的等效电路图烤箱的等效电路图如图2所示:图2. 烤箱模型的等效电路图2.3 烤箱的热力学系统方程由以上的等效电路图,构建如下热力学系统方程:Q=Cadadt+Cmdmdt+a-eRfm=a-RmCmdmdt对上述方程进行拉普拉斯变换,得到根据Q、e和系统参数的a的表达式:a=(Q+eRf)Rf(1+RmCms)1+RmCm+RfCm+RfCas+RfRmCmCas2由此,得到测量温度和烤箱机壳温度的关系如下:ma=11+RmCms综合这些方程,采用函数方框图来表示这一完整的过程,过程框图如图
4、3所示:图3. 完整的过程框图其中:T1s=Rf(1+RmCms)1+RmCm+RfCm+RfCas+RmCmRfCas2T2s=11+RmCms现对烤箱模型的各个参数进行赋值,如下:Ra=0.01/W;Rm=3/W;Rf=0.1/W;Qmax=1000W;Ca=5000J/;Cm=10J/;Ce=;e=18;k1=100W/V;k2=0.1V/;代入上述传递函数T1s、T2s中,经计算得:T1s=0.1+3s15000s2+531s+1T2s=11+30s2.4 烤箱系统的Simulink仿真在Simulink中进行系统的模型模拟,如图4所示:图4. 烤箱系统模拟模型经过Simulink仿真
5、得到测量电压Vm和控制电压Vc的变化曲线,如图5所示:图5. 测量电压Vm和控制电压Vc变化曲线图由上图可知,当过一段时间后,测量电压Vm逐渐趋于恒定值,但是与控制电压Vc总有一段稳态误差,无法达到理想的温度状态,因此,需要对烤箱温度系统进行负反馈控制进行调节。烤箱的温度变化曲线,如图6所示:图6. 烤箱温度变化曲线图由图6分析可知,在1000W功率的烤箱中,瞬间测量温度m很接近烤箱温度a,当时间充分,稳定状态下,两者几乎是相等的。3、烤箱的PID控制调节3.1 PID介绍所谓PID控制规律,就是一种对偏差(t)进行比例、积分和微分变换的控制规律。即:mt=Kpt+1Ti0td+Tdd(t)d
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