计算机课程设计--基于MATLAB的电炉温度控制算法比较及仿真研究

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1、 课课 程程 设设 计计 题目：题目：基于基于 MATLABMATLAB 的电炉温度控制算法比较及仿真研的电炉温度控制算法比较及仿真研 究究 2013 年 5 月 2 目录 一、研究对象分析说明 .2 二、PID 算法的设计及分析 4 1、算法简介 . 4 2、数学模型的建立 . 5 3、simulink 仿真连接图.8 4、Matlab 仿真曲线图,8 三、施密斯（Smith）预估控制算法的分析与设计11 1、施密斯预估控制原理11 2、具有纯滞后补偿的数字控制. 12 3 3、施密斯预估器设计.13 4、采用 simulink 系统仿真15 5、使用 Matlab 仿真被控对象15 四、达

2、林（Dahlin）控制算法的分析与设计17 1、算法简介17 2、算法具体设计 17 3.simulink 仿真连接图. .19 4、使用 Matlab 仿真被控对象19 5、振铃现象 20 五、大林算法、PID 算法、Smith 预估控制算法三种算法比较 22 六、设计小节与心得体会2323 七、 参考文献 24 3 一、一、研究对象分析说明研究对象分析说明 该设计电炉温度控制对象的控制模型为 s e s sW 2 201 1 )( ，是一阶 惯性加滞后模型，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，

3、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。此外，系统要求： 1. 炉温变化范围：0200，要求实现 80温度的恒温控制； 2.炉温变化参数要求： S t80S；超调量 p 10；静态误差 v e2。 现对该系统控制算法进行设计。 4 算法设计 二二、PIDPID 算法的分析与设计算法的分析与设计 1 1、 算法简介算法简介 根据偏差的比例（P） 、积分（I） 、微分（D）进行控制（简称 PID 控制） ，当采用 PID 算式时，积分作用和微

4、分作用与采样周期 T 的选择有关。选择采样周期 T 太小，将使微分积分作用不明显。因为 当 T 小到一定程度后，由于受计算精度的限制，偏差 e（k）始终为 零。然而 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。其中又分为模拟 PID 控制器和数字 PID 控制器，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。实际运行的经 验和理论的分析都表明，这种控制规律对许多工业过程进行控制时， 都能得到满意的效果。 所以该系统采用 PID 控制算法。系统的结构框 图如图 1-1 所示： 图 1-1

5、 系统结构框图 5 2 2、数学模型的建立、数学模型的建立 2.1 具有一阶惯性纯滞后特性的系统，其数学模型可表示为： 1 ( ) 1 s K e G s T s ， 对于典型的 PID 控制器 C G（s） = P K（1+ sT I 1 + D Ts） , 有 Ziegler-Nichols 整定公式： P K= t K T2.1 I T=2 （1-1） D T=0.5 式中， P K为比例增益； I T为积分时间常数； D T为微分时间常数。实 际应用中，通常根据阶跃响应曲线，人工测量出 K、T、 参数，然 后按照公式（2-1）计算 P K、 I T、 D T。 2.2、模拟 PID 控制规律为： 0 1( ) ( ) ( )( ) t pD I de t u tKe te t dtT Tdt （1-2） 式中：( )( )( )e tr ty t称为偏差值， 可作为温度调节器的输入信号， 其中( )r t为给定值，( )y t为被测变量值； p K为比例系数； I T为积分时 间常数； D T为微分时间常数；( )u