2024年5月17日发(作者：诺基亚1200铃声)

实验四 加热炉温度串级控制系统

（实验地点：程控实验室，崇实楼407）

一、实验目的

1、熟悉串级控制系统的结构与特点。

2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。

3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。

二、实验设备

1、MATLAB软件， 2、PC机

三、实验原理

工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温

度为副参数构成串级控制系统。

图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图

图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为

e

180s

e

18s

;

副对象：

G

02

(s)

主对象：

G

01

(s)

(30s1)(30s1)

(10s1)(s1)

2

主控制器的传递函数为PI或PID，副控制器的传递函数为P。对PI控制器有

G

c1

(s)K

c1





1

Ts





K

c1

K

I

s

,

I





1



1

(K

I

K

c1

/T

I

),G

c2

(s)K

c2

采用串级控制设计主、副PID控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃

扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。

四、实验过程

串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB中的Simulink

进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。

1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink模型 （图4-2）

在MATLAB环境中建立Simulink模型如下：

G

01

(s)

为主被控对象，

G

02

(s)

为副被控

对象，Step为系统的输入，c为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可

以用示波器观察输出波形。PID1为主控制器，双击PID控制器可设置参数：（PID模块在

1

MATLAB/Simulink Library Browser/Simulink Extras），Step为阶跃信号，参数起始时间应

设置为0。Delay为延迟环节，在Simulink/Continuous子目录中。

串级控制系统建模如图4-2。 （仿真时间=5000s）

t

Clock

To Workspace

Scope1

PID

Step

PID1

2.25

q2q1

y

To Workspace1

PID

PID2

1

2

s +2s+1

G02

1

10s+1

G2

Transport

Delay

1

30s+1

G3

1

30s+1

G01

Transport

Delay1

c

图4-2 加热炉温度串级控制系统模型

2. 采用临界比例度法确定PID2（副调节器）参数：取

K

c2

1

输出波形。

与单回路相同，采用临界比例度法确定主回路的PID1参数，记录数据，并反复修改参

数，得到较理想的响应曲线，记录对应的PI参数，在实验报告中写入该参数值及对应的波

形。临界比例度法确定PID1的参数：取

K

c1

2

～3，

K

c2

不变，使系统产生临界振荡，记

录



k1

、T

k1

，利用临界比例度法参数计算表（教材161页），求取PID1分别为P、PI及PID

时的参数。

假设

K

c1

1.2

时产生临界振荡（要自己调试出实际值），设测试得

T

k1

350s

，

则P参数计算：（注：比例控制不做扰动实验）



2



k

2/1.21.67K

c

1/



0.6

。

如果选PI调节器，则



2.2



k

2.2/1.21.83K

c

1/



0.546,

T

I

0.85T

k

0.85350297.5

2

，使副回路产生临

界等幅振荡，记录



2

2



k

2/K

c2

K

c

1/



2



。加入比例系数，记录副回路的

K

I

K

c

/T

I

0.546/297.50.00183

。

把

K

c

、

K

I

作为比例、积分系数填入PID1中。如果波形不理想，应反复调节，得到较

理想的响应曲线对应的PI参数，在实验报告中记录该参数值及对应的波形。

3. 加入单位阶跃一次扰动、单位阶跃二次扰动，输入设为零：r=0，测试对应输出曲线。

4. 阶跃响应及扰动作用时的波形如下。

2