基于大林算法的温度控制.doc

电气工程及自动化学院 课程设计报告 （控制基础实践） 题 目：基于大林算法的炉温控制仿真 专业班级：自动化101班 姓 名：周 强 学 号：33号 指导老师：杨国亮 2012年12月22日 摘要 电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。??常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。大林算法是运用于自动控制领域中的一种算法，是一种先设计好闭环系统的响应再反过来综合调节器的方法。设计的数字控制器（算法）使闭环系统的特性为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。第一章 系统方案 1 1.1设计任务和要求 1 1.2大林算法 1 1.3 PID算法 3 第二章 设计流程 5 2.1大林算法软件设计流程图 5 2.2 PID算法程序设计流程图 5 第三章 设计过程及结果 7 3.1 GUI界面设计 7 3.1.1 GUI界面的建立 7 3.1.2 制作GUI界面 9 3.2 Simulink设计 10 3.2.1 大林算法Simulink 10 3.2.2 PID控制算法Simulink 11 3.3 程序设计 12 3.3.1 大林算法编程 12 3.3.2 PID控制算法编程 14 3.4 两种算法的比较 16 第四章 总结 17 致谢 18 参考文献 19 附录 20 1、大林算法程序 20 2、PID控制器算法程序 20 第一章 系统方案 1.1设计任务和要求 已知电阻炉对象数学模型为 其中，k=12, T=400, ，电阻炉的温度设定为1000℃. 要求： 设计大林控制算法； 设计PID控制器，并与PID算法进行比较； 改变模型参数，考察模型扰动下系统性能变化情况。 1.2大林算法 在一些实际工程中，经常遇到纯滞后调节系统，它们的滞后时间比较长。对于这样的系统，往往允许系统存在适当的超调量，以尽可能地缩短调节时间。人们更感兴趣的是要求系统没有超调量或只有很小超调量，而调节时间则允许在较多的采样周期内结束。也就是说，超调是主要设计指标。对于这样的系统，用一般的随动系统设计方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。 针对这一要求，IBM公司的大林(Dahlin)在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法。其目标就是使整个闭环系统的传递函数 相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节。该算法具有良好的控制效果。 算法中D(z)的基本形式 设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为： （-1） （-2） 其中为被控对象的时间常数，为被控对象的纯延迟时间，为了简化，设其为采样周期的整数倍，即N为正整数。 由于大林算法的设计目标是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即 ，其中 由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是 （-3）于是数字控制器的脉冲传递函数为 （-4）D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。 一阶惯性环节的大林算法的D(z)基本形式 当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 将此式代入（-4），可得 （-5） 式中：T——采样周期： ———被控对象的时间常数； ———闭环系统的时间常数。 二阶惯性环节大林算法的D(z)基本形式 当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 其中， 将式G(z)代入式（-3）即可求出数字控制器的模型： （-6） （2-7） 式中 称为比例增益； 称为积分系数； 称为微分系数。 为了编程方便，可将式整理成如下形式 （1-8） 其中 （1-9） 第二章 设计流