基于matlab的炉温控制算法比较及仿真研究.doc

课程设计 《计算机控制技术》 题目：基于MATLAB的电炉温度控制算法比较及仿真研究 系别：电子电气工程系 班级：2010级电气工程及其自动化（4）班 学号：201095014170 姓名：吴昊 一 研究对象分析说明 温度控制的关键在于测温和控温两个方面。温度测量是温度控制的基础，这方面的技术比较成熟。但由于控制对象的越来越复杂，在温度控制方面还存在许多问题。 本论文提出了基于的工业电阻炉温度计算机控制系统的设计，并利用仿真软件MATLAB／SIMULINK对控制算法进行了仿真，同时对先进的控制算法进行了研究。≤80s；超调量≤10℅；静态误差≤2℃。 二 总设计 1 PID算法的设计及分析 1.1 算法简介 PID调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种控制算方法。它结构灵活，不仅可以用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大的被控制对象来说，数字PID完全可以代替模拟PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。所以该系统采用PID控制算法。系统的结构框图如图1所示： 图1 系统结构框图 根据偏差的比例、积分、微分的线性组合，进行反馈控制（简称ＰＩＤ控制），是多年来，工业应用中最为广泛的一种控制规律，该控制方法出现于２０世纪三四十年代，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合，都能得到比较满意的效果。 它具有原理简单、易于实现、参数整定方便、结构改变灵活、适应性强等优点，在连续系统中获得了广泛的应用。在计算机进入控制领域后，用计算机实现的数字PID算法代替了模拟PID调节器，这种控制规律的应用不但没有受到影响，而且有了新的发展，它仍然是当今工业过程计算机控制系统中应用最广泛的一种。 在PID调节中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以使减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。 模拟PID控制规律为： （）称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中为给定值，为被测变量值；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数；为调节器的输出控制电压信号。 在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法，当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。 1.2 PID控制仿真模型 整定好的PID参数的系统输出阶跃响应图 1.3 仿真结果分析 从图中可看出，超调量约为1.9％﹤10％，上升时间4s，稳态误差很小，调节时间53s。仿真结果说明采用PID算法可以十分有效的减少甚至消除稳态。 2 Smith预估控制算法的设计及分析 2.1 算法简介 Smith预估控制法是一个与对象并联的预估补偿模型的纯滞后补偿方法，使得控制对象为扣除纯滞后的对象。为对象传递函数。 Smith预估控制原理是：与D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后环节部分。这个补偿环节称为预估器，其传递函数为，为纯滞后时间。 本设计中纯滞后补偿的数字控制器由两部分组成：一部分是数字PID控制器（由离散化得到）；一部分就是预估器。 Smith纯滞后补偿的计算机控制系统为: 上图所示为零阶保持器， 2.2 PID控制仿真模型 整定好的PID参数的系统输出阶跃响应图 仿真结果分析 从图中看出，调节时间45s，稳态误差趋近于零，超调很小。仿真结果说明采用Smith算法课显著减小超调，也可做到很小的稳态误差。 3 大林算法的设计及分析 3.1 算法简介 在本设计中，被控对象含有较大的纯滞后特性。被控对象的纯滞后时间使系统的稳定性降低，动态性能变坏，如容易引起超调和持续的振荡。对象的纯滞后特性给控制器的设计带来困难。一般的，当对象的滞后时间与对象的惯性时间常数Tm之比超过0.5时，采用常规的控制算法很难获得良好的控制性能。因此，具有纯滞后特性对象属于比较难以控制的一类对象，对其控制需要采用特殊的处理方法。 大林算法的设计目标是