計(jì)算機(jī)控制技術(shù)大作業(yè)

.5-精選范本計(jì)算機(jī)控制技術(shù)大作業(yè)題目:基于MATLAB的電爐溫度控制算法比較及仿真研究系別：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：09級(jí)電氣（2）班姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：梁絨香目錄一、PID算法的設(shè)計(jì)及分析 -3-1.1、PID控制算法簡(jiǎn)介 -3-1.2、基于MATLAB仿真被控對(duì)象 -4-1.3、PID控制器參數(shù)確定 -5-二、Smith預(yù)估控制算法設(shè)計(jì)及分析 -6-2.1Smith算法簡(jiǎn)介 -6-2.2、數(shù)字Smith預(yù)估控制系統(tǒng) -7-2.3采用Matlab系統(tǒng)仿真 -7-三、達(dá)林算法設(shè)計(jì)及分析 -8-3.1達(dá)林算法簡(jiǎn)介 -8-3.2確定期望閉環(huán)傳遞函數(shù) -9-3.3基于MATLAB仿真被控對(duì)象 -10-四、PID算法、數(shù)字Smith預(yù)估控制算法、達(dá)林算法三種算法比較 -11-五、參考文獻(xiàn) -13-研究對(duì)象的分析該系統(tǒng)的被控對(duì)象為電爐，采用熱阻絲加熱，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來(lái)改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變電爐爐內(nèi)的溫度。爐溫變換范圍為0~500℃，爐溫變化曲線要求參數(shù)：過(guò)渡時(shí)間≤80s；超調(diào)量≤10℅；靜態(tài)誤差≤2℃。該系統(tǒng)利用單片機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的選擇與設(shè)定，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程中控制。它采用溫度傳感器熱電偶將檢測(cè)到的實(shí)際爐溫進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再送入計(jì)算機(jī)中，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差。對(duì)此偏差進(jìn)行調(diào)整，得出對(duì)應(yīng)的控制量來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)電爐的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度智能控制，能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)換、并進(jìn)行控制和鍵盤終端處理（各參數(shù)數(shù)值的修正）及顯示。在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意，采樣周期不能太短，否則會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程過(guò)于頻繁，這樣不但執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能反應(yīng)，而且計(jì)算機(jī)的利用率也大為降低；采樣周期不能太長(zhǎng)，否則會(huì)使干擾無(wú)法及時(shí)消除，使調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。一、PID算法的設(shè)計(jì)及分析1.1、PID控制算法簡(jiǎn)介在一個(gè)控制系統(tǒng)中，將偏差的比例（P），積分（I）和微分（D）的增益通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，成為PID控制。PID控制是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟的、應(yīng)用最廣泛的一種控制算方法。它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的PID控制，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變型，如PI、PD控制及改進(jìn)的PID控制等。它具有許多特點(diǎn)，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等，特別是在微機(jī)控制系統(tǒng)中，對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的被控制對(duì)象來(lái)說(shuō)，數(shù)字PID完全可以代替模擬PID調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，使用性更強(qiáng)。所以該系統(tǒng)采用PID控制算法。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示.控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象溫度檢測(cè)與變送圖1-1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可表示為：在PID調(diào)節(jié)中，比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以使減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。將P、I、D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，可以使系統(tǒng)既快速敏捷，又平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三者強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。1.2、基于MATLAB仿真被控對(duì)象采用simulink仿真，通過(guò)simulink模塊實(shí)現(xiàn)積分分離PID控制算法。設(shè)采樣時(shí)間Ts=100s，被控對(duì)象為：Simulink仿真圖如圖1-2所示。圖1-2Simulink仿真圖1.3、PID控制器參數(shù)確定各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響：增大比例系數(shù)Kp，一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差，但過(guò)大的Kp會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。增大積分時(shí)間Ti，有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。增大微分時(shí)間Td，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)。根據(jù)PID控制器的參數(shù)Kp,Ki,和Kd分別會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響，因此通過(guò)“湊試法”反復(fù)調(diào)節(jié)才能使控制達(dá)到最佳狀態(tài)，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)Kp,Ki和Kd，得到一組較優(yōu)參數(shù)：Kp=1.75,Ki=0.11,Kd=0，在該組參數(shù)控制下，最大超調(diào)量≤10%，調(diào)節(jié)時(shí)間≤80s，穩(wěn)定誤差≤2℃，綜合性能較好，滿足被控要求。圖1-3MATLAB仿真波形二、Smith預(yù)估控制算法設(shè)計(jì)及分析2.1Smith算法簡(jiǎn)介已知純滯后負(fù)反饋控制系統(tǒng)其中D(s)為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，為對(duì)象傳遞函數(shù)，其中G0(s)e-0.1s包含純滯后特性,純滯后時(shí)間常數(shù)τ=0.1。系統(tǒng)的特征方程為：由于閉環(huán)特征方程中含有項(xiàng)，產(chǎn)生純滯后現(xiàn)象，有超調(diào)或震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了改善系統(tǒng)特性，引入Smith預(yù)估器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中不含有項(xiàng)。Smith純滯后補(bǔ)償?shù)挠?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為:圖2-1Smith純滯后補(bǔ)償?shù)挠?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)上圖所示為零階保持器，傳遞函數(shù)：并且有：（為大于1的整數(shù)，T為采樣周期）。針對(duì)純滯后系統(tǒng)閉環(huán)特征方程含的影響系統(tǒng)控制品質(zhì)的純滯后問(wèn)題，1957年Smith提出了一種預(yù)估補(bǔ)償控制方案，即在PID反饋控制基礎(chǔ)上，引入一個(gè)預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使閉環(huán)特征方程不含有純滯后項(xiàng)，以提高控制質(zhì)量。2.2、數(shù)字Smith預(yù)估控制系統(tǒng)數(shù)字Sminth預(yù)估控制系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。圖中反饋控制器采用數(shù)字PID控制器。數(shù)字PID控制算法和數(shù)字Smith預(yù)估器算法均由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字PIDSmith預(yù)估器r(k)數(shù)字PIDSmith預(yù)估器--圖2-2數(shù)字Smith預(yù)估控制系統(tǒng)框圖2.3采用Matlab系統(tǒng)仿真本系統(tǒng)采用PI控制算法，用matlab下的Simulink工具箱搭建閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，加以500的階躍信號(hào)，PI控制器系數(shù)，取反饋系數(shù)為1，使用Smith預(yù)估補(bǔ)償器的仿真結(jié)構(gòu)和輸出曲線分別如圖2-3,2-4所示：系統(tǒng)框圖為：圖2-3Smith預(yù)估補(bǔ)償器的仿真結(jié)構(gòu)圖圖2-3輸出曲線三、達(dá)林算法設(shè)計(jì)及分析3.1達(dá)林算法簡(jiǎn)介一般的，當(dāng)對(duì)象的滯后時(shí)間與對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)Tm之比超過(guò)0.5時(shí)，采用常規(guī)的控制算法很難獲得良好的控制性能。因此，具有純滯后特性對(duì)象屬于比較難以控制的一類對(duì)象，對(duì)其控制需要采用特殊的處理方法。因此，對(duì)于滯后被控對(duì)象的控制問(wèn)題一直是自控領(lǐng)域比較關(guān)注的問(wèn)題。1968年美國(guó)IBM公司的達(dá)林針對(duì)被控對(duì)象具有純滯后特性的一類對(duì)象提出了達(dá)林算法這一控制算法。達(dá)林算法要求在選擇閉環(huán)Z傳遞函數(shù)時(shí)，采用相當(dāng)于連續(xù)一節(jié)慣性環(huán)節(jié)的W（z）來(lái)代替最少拍多項(xiàng)式。如果對(duì)象含有純滯后，W（z）還應(yīng)包含有同樣純滯后環(huán)節(jié)（即要求閉環(huán)控制系統(tǒng)的純滯后時(shí)間等于被控對(duì)象的純滯后時(shí)間）。圖3-1鐘罩式電阻爐的控制系統(tǒng)對(duì)一階慣性對(duì)象，達(dá)林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制器，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，其中純滯后環(huán)節(jié)的滯后時(shí)間與被控對(duì)象的純滯后時(shí)間完全相同，這樣就能保證使系統(tǒng)不產(chǎn)生很小的超調(diào)，同時(shí)保證其穩(wěn)定性。整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳函為：3.2確定期望閉環(huán)傳遞函數(shù)本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)中采用的保持器為零階保持器，采用加零階保持器的Z變換，則與W（s）相對(duì)應(yīng)的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)為：由此，可得出達(dá)林算法所設(shè)計(jì)的控制器D（z）為：其中又因?yàn)橛谑堑玫綌?shù)字控制器為根據(jù)以上計(jì)算公式和被控對(duì)象的控制模型以及被控要求，經(jīng)計(jì)算得到達(dá)林?jǐn)?shù)字控制器為3.3基于MATLAB仿真被控對(duì)象Simulink仿真圖如圖2-1示。圖3-1Simulink仿真圖輸出曲線如圖3-2所示。圖3-2MATLAB仿真曲線四、PID算法、數(shù)字Smith預(yù)估控制算法、達(dá)林算法三種算法比較PID算法：PID控制多年來(lái)受到廣泛的的應(yīng)用，PID在解決快速性、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量等問(wèn)題上具有很好的應(yīng)用。PID的調(diào)整時(shí)間，動(dòng)態(tài)性能都很好。但是PID也有需要改進(jìn)的地方。改進(jìn)：1、積分項(xiàng)的改進(jìn)在PID控制中，積分作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是很多時(shí)候積分作用又會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)造成不良影響，是系統(tǒng)產(chǎn)生大的超調(diào)或時(shí)間震蕩。具體的改進(jìn)有（1）積分項(xiàng)的改進(jìn)有積分分離法抗積分飽和法（2）微分項(xiàng)的改進(jìn)有不完全微分PID控制算法微分先行PID控制算法達(dá)林算法：適合用于沒有超調(diào)或較小的超調(diào)，而對(duì)快速性要求不高的場(chǎng)合。需要消除振鈴現(xiàn)象Smith預(yù)估控制算法：適合用于較大純滯后系統(tǒng)的控制總結(jié)：經(jīng)過(guò)對(duì)以上三種算法得到的Matlab仿真波形圖可以看出大林算法和數(shù)字Smith預(yù)