计算机控制技术大作业.docVIP

PAGE 7 PAGE 1 宝鸡文理学院 课 程 设 计 设计题目：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：09电气工程及其自动化（1）班 学 号： 200995014017 姓　 　名： 李 鑫 指 导 教 师： 梁绒香 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u 课 程 设 计 0 一.研究对象分析说明 2 二、各种算法分析 3 1.PID算法的设计及分析 3 （1）算法简介 3 （2）数字PID的控制算法。 3 基于MATLAB仿真被控对象 6 2. Smith预估控制算法设计的及分析 8 (1)算法简介 8 (2) 采用Matlab系统仿真 10 3、达林算法的设计及分析 12 (1)、达林算法介绍 12 (2)、基于MATLAB仿真被控对象 13 三、大林算法、PID算法、Smith预估控制算法三种算法比较 16 四、参考文献 17 一.研究对象分析说明 电阻炉是一种利用电流通过电热元件产生的热量加热工件的热处理设备，具有结构简单、操作简便及价格低廉等特点，广泛用于冶金、化工、机械、火工及食品等行业中，但都需对温度进行精确的控制。计算机测控技术的出现，使得传统的电子测量在原理、功能、精度和自动化程度上发生了巨大的变化，使科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。 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。本作业从PID算法、Smith预估控制算法、达林算法等三种不同的算法作为对比研究。并基于Matlab进行仿真研究。 要求：设某电炉控制算法模型为对其控制算法进行研究并运用MATLAB编程。该系统的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。电炉温度0~~500℃，超调量≤10℅；静态误差≤2℃。 二、各种算法分析 1.PID算法的设计及分析 （1）算法简介 在过程控制中，按偏差量的比例（p）、积分（I）和微分（D）进行的PID控制器是应用最广泛的控制器。比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。积分作用的引入，主要是为了保证被控量在稳态时对定值的无静差跟踪。微分作用通常与比例作用或积分作用联合作用，构成PD 控制或者PID 控制，微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态特性，如使超调量较小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。系统的机构框图如图1-1. 图1-1 （2）数字PID的控制算法。 在计算机控制系统中，可将模拟PID控制规律通过离散化方法获得数字PID控制算法： 式中：u(t)为控制器的输出；e(t)为偏差，即设定值与反馈值之差；KC 为控制器的放大系数，即比例增益；TI 为控制器的积分常数；TD 为控制器的微分时间常数。PID 算法的原理即调节KC，TI，TD 3 个参数使系统达到稳定。 在计算机控制系统中，使用比较普遍的也是PID 控制策略。此时，数字调节器的输出与输入之间的关系为： (2) 其中：T 为采样周期；k 为采样序号(k=0, 1, 2, …)； u(kT)为第k 次采样时刻的计算机输出值；e(kT)为第k 次采样时刻输入的偏差值；e(kT-T)为第e(K-l)次采样时刻输入的偏差值。如果采样周期足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID 算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。若在式 (2) 中，令: 式 (3) 即为离散化的位置式PID 控制算法的编程表 达式。可以看出，其计算复杂，因此推导了计算较 简单的递推算式。考虑到第(k-l)次采样时有 使式 (3) 两边对应减去式 (4)，得 ： 式 (6) 就是PID 位置式的递推形式。 基于MATLAB仿真被控对象 采用simulink仿真，通过simulink模块实现积分分离PID控制算示。设采样时间Ts=10s，被控对象为： simulink仿真模型 图2.simulink仿真模型 Kp=1;Ki=0.4;Kd=0.02 Kp=1;Ki=0.6;Kd=0.02 Kp=1;Ki=0.7;Kd=0.02 2. Smith预估控制算法设