基于MATLAB的炉温控制.docx

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基于MATLAB的炉温控制

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：

10级电气工程及其自动化

（1）班

姓　　名：

李权洋

指导教师：

梁绒香

学号：

201095014030

《计算机控制技术》

2010级期末考查题目

一、题目

基于MATLAB的电炉温度控制算法比较及仿真研究

二、说明:

设某电炉控制对象的控制模型为

，运用所学知识，对其控制算法进行比较研究并运用MATLAB编程或者simulink模块进行仿真，从而给出最优控制算法结论。

三、要求：

1.炉温变化范围：

0—200℃，要求实现80℃温度的恒温控制；

2.炉温变化参数要求：

≤80S；超调量

≤10℅；静态误差

≤2℃。

3.至少采用三种算法（如PID算法及其改进算法、Smith预估控制算法、达林算法或者其他算法等）做算法对比研究。

4、可以自己在基本要求基础上，增加其他算法研究，如：

各种PID改进算法、模糊控制算法等。

5、截取每种算法的算法连接图或者程序以及对应的仿真结果

四、报告书写：

实验完成后，用A4纸撰写研究报告，主要包括：

1、研究对象分析说明；

2、各算法设计部分包括：

1）算法简介；

2）仿真程序或者仿真连接图；

3）仿真结果；

4）仿真结果分析说明

3、对每种算法作总结比较，总结各自特点，讨论并最终得出本电炉温度控制的理想算法。

4、对本次设计整个过程做小结，说明自己在整个过程中面临的问题、解决的措施、心得及体会

四、时间安排：

设计时间两周，最迟6月7日之前完成。

五、其他事项说明：

1、首页封面包括题目、班级、学号、姓名；

2、报告中所用图应均为自己仿真完成，切忌抄袭、复制他人，一经发现，抄的和被炒的自我负责成绩，别怪老师手下不留情哦。

请大家自觉。

3、各班班长最后把每个班的仿真算法发给我，我随机运行你们的仿真结果。

大家在图号上最好包含自己名字缩写。

一、PID算法的设计及分析

1、控制算法的确定

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。

2、基于MATLAB仿真被控对象

simulink仿真模型

图2PIDsimulink仿真模型

利用拼凑法整定PID参数，经多次改变参数以达到设计要求，从而满足设计条件。

图3参数整定值

图4系统输出阶跃响应

图5参数整定值

图6系统输出阶跃响应

二、达林算法的设计及分析

1、达林算法介绍

达林（dahlin）针对一类带有纯滞后环节的工业对象在1968年美国IBM公司的提出的，适合用于没有超调或较小的超调，而对快速性要求不高的场合。

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：

（1-4-1）

（1-4-2）

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

（1-4-3）

于是数字控制器的脉冲传递函数为

（1-4-4）

D（z）可由计算机程序实现。

由上式可知，它与被控对象有关。

它分为一阶和二阶纯滞后环节两种情况。

2、基于MATLAB仿真被控对象

simulink仿真模型

图7dahlinsimulink仿真模型

图8参数整定值

图9系统输出阶跃响应

图10参数整定值

图11系统输出阶跃响应

图12参数整定值

图13系统输出阶跃响应

三、Smith算法

1、Smith算法介绍

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。

已知纯滞后负反馈控制系统，其中

其中D（s）为调节器传递函数，

为对象传递函数，其中G0（s）e-3s包

含纯滞后特性,纯滞后时间常数τ=3。

Smith控制的工作原理是将被控对象在基本扰动作用下的动态特性，简化为一个纯迟延与一个一阶惯性环节相串联的数学模型，预估器根据这个输入的数学模型，预先估计出所采用的控制作用对被控量的可能的影响，而不必等到被控量有所反映之后再去采取控制动作，这有利于改善控制系统的动态性能。

2、基于MATLAB仿真被控对象

simulink仿真模型

图14smithsimulink仿真模型

图15参数整定值

图16系统输出阶跃响应

图17参数整定值

图18系统输出阶跃响应

四、大林算法、PID算法、Smith预估控制算法三种算法比较

达林算法

许多实际工程中经常遇到一些纯滞后调节系统，滞后时间比较长，但要求系统具有较好的动态特性和稳定性、没有超调量或很少超调量。

这类系统采用PID算法控制效果往往欠佳，而大林算法对改善滞后给系统带来的不良影响具有良好的效果。

PID算法

在连续时间控制系统中，PID控制器应用非常广泛，其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活。

由于计算机程序的灵活性，数字PID控制比连续PID控制更为优越。

Smith算法

适合用于较大纯滞后系统的控制

综上可得smith算法可得比较好的控制结果

5、心得体会

在本次设计任务过程中我学习到了很多在课堂上学不到位的知识,不仅对于PID算法、达林算法和Smith算法了解更深，而且对于MATLAB软件的仿真过程及其参数设置都取得了更多的认识和掌握。

我深刻体会到通过完成课程设计来达到掌握课程知识的目的好处！

六、参考文献

1、黄安平马路刘慧敏主编MATLAB7.0/Simulink6.0建模方正开发与高级工程应用清华大学出版社2005.12

2、于海生主编计算机控制技术机械工业出版社2013.1