基于MATLAB的电炉温度控制算法比较及仿真研究 2

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1、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：2010级自动化1班学号：201095034041姓　　名：薛晶晶指导教师：梁绒香任务书一、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

2、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、心得及体会一引言随着社会的进一步发展，各个领域对温度控制系统的精度、稳定性等要求越来越高。本课题提

3、出了基于采用PID算法、Smith预估控制算法、达林算法三种算法作对比研究的工业电阻炉温度计算机控制系统的设计，并利用仿真软件MATLAB／SIMULINK对控制算法进行了仿真，同时对先进的控制算法进行了研究。二课程设计的目的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。可控硅控制器输入为0~5V时对应电炉温度0~~200℃，温度传感器测量值对应也为0~5V，炉温变化曲线要求参数：≤80s；超调量≤10℅；静态误差≤2℃。三PID、SMITH、达林算法设计及对比一、PID算法的设计及分析1.1、PID

4、控制算法确定PID控制器是一种基于偏差在“过去、现在和将来”信息估计的有效而简单的控制算法。而采用PID控制器的控制系统其控制品质的优劣在很大程度上取决于PID控制器参数的整定。PID控制器参数整定，是指在控制器规律己经确定为PID形式的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由被控对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标[6]。在本课题中我们采用数字式控制算法，系统的结构框图如下图所示：1.2数学模型的建立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：比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少

5、偏差。比例系数k的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。k越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，也就是对偏差的分辨率(重视程度)越高，但将产生超调，甚至导致系统不稳定。k取值过小，则会降低调节精度，尤其是使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏，使得系统变得不稳定。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数τ，τ越大，积分作用越弱，反之则越强。积分作用系数越大，系统静态误差消除越大，但积分作用过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若积分作用系数过小，将使系统静差难以消除，影响系统的调节精度。微分

6、环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。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。（2-2）式中：称为偏差值，可作为温度调节器的输入信号，其中为给定值，为被测变量值；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数；为调节器的输出控制电压信号。在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式HD控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时

7、刻的偏差值计算控制量，故对式(2-1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式(2-1)，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可以作如下的近似变换:(2-3)显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。将式(2-3)代入式(2-1)，可以得到