计算机控制作业4

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1、《计算机控制技术》2009级期末考查大作业系别：电子电气工程系班级：09级电气（2）班姓　　名：学号：指导教师：梁绒香14目录一、PID算法的设计及分析21.1PID控制算法简介21.2基于MATLAB仿真被控对象3二、大林算法52.1大林算法简介52.2确定期望闭环传递函数62.3基于MATLAB仿真被控对象73.1Smith算法简介93.2数字Smith预估控制系统103.3采用Matlab系统仿真11四、PID算法、大林算法、数字Smith预估控制算法三种算法比较12五、参考文献1414基于MATLAB的电炉温度控制算法比较及仿真研究一、PID算法

2、的设计及分析1.1PID控制算法简介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1-1所示：图1-1系统结构框图具有一阶惯性纯滞后特性的电阻炉系统，其数学模型可表示为：（1-1）在PID调节

3、中，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，14的加大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以使减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。1.2基于MATLAB仿真被控对象采用

4、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=100s，被控对象为：Simulink仿真图如图1-2所示。图1-2凑试法确定PID控制器参数各参数对系统性能的影响：14增大比例系数Kp，一般将加快系统的响应，有利于减小静差，但过大的Kp会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间Ti，有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间Td，有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。根据PID控制器的参数Kp,K

5、i,和Kd分别会对系统性能产生不同的影响，因此通过“凑试法”反复调节才能使控制达到最佳状态，经过调节Kp,Ki和Kd，得到一组较优参数：Kp=1.75,Ki=0.11,Kd=0，在该组参数控制下，最大超调量≤10%，调节时间≤80s，稳定误差≤2℃，综合性能较好，满足被控要求。MATLAB仿真波形如图1-3所示。14图1-3MATLAB仿真波形二、大林算法2.1大林算法简介一般的，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

6、理方法。因此，对于滞后被控对象的控制问题一直是自控领域比较关注的问题。1968年美国IBM公司的大林针对被控对象具有纯滞后特性的一类对象提出了大林算法这一控制算法。14大林算法要求在选择闭环Z传递函数时，采用相当于连续一节惯性环节的W（z）来代替最少拍多项式。如果对象含有纯滞后，W（z）还应包含有同样纯滞后环节（即要求闭环控制系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间）。钟罩式电阻炉的控制系统对一节惯性对象，大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一节惯性环节的串联，其中纯滞后环节的滞后时间与被控对象的纯

7、滞后时间完全相同，这样就能保证使系统不产生很小的超调，同时保证其稳定性。整个闭环系统的传函为：2.2确定期望闭环传递函数本设计中系统中采用的保持器为零阶保持器，采用加零阶保持器的Z变换，则与W（s）相对应的整个闭环系统的闭环Z传递函数为：由此，可得出大林算法所设计的控制器D（z）为：其中14又因为于是得到数字控制器为根据以上计算公式和被控对象的控制模型以及被控要求，经计算得到大林数字控制器为2.3基于MATLAB仿真被控对象Simulink仿真图如图2-1示。图2-114输出波形如图2-2所示。14图2-2MATLAB仿真波形数字Smith预估控制算法设

8、计的及分析3.1Smith算法简介已知纯滞后负反馈控制系统，其中其中D(s)为调