基于matlab的电炉温度控制算法比较及仿真研究.doc

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1、课程设计《计算机控制技术》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：2010级电气工程及其自动化（4）班学号：201095014170姓名：吴昊一研究对象分析说明温度控制的关键在于测温和控温两个方面。温度测量是温度控制的基础，这方面的技术比较成熟。但由于控制对象的越来越复杂，在温度控制方面还存在许多问题。本论文提出了基于采用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仿真设计，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。该系统

2、的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用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~~500℃，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℃。二总设计1PID算法的设计及分析1.1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

3、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

4、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。在PID调节中，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，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

5、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。模拟PID控制规律为：（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，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法，当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。1.2PID控制仿真模型整定好的PID参数的系统输出阶跃响应图1.3仿真结果分析从图中可看出，超调量约为1.9％﹤10％，上升时间4s，稳态误差很小，调节时间53s。仿真结果

6、说明采用PID算法可以十分有效的减少甚至消除稳态。2Smith预估控制算法的设计及分析2.1算法简介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。Smith预估控制原理是：与D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后环节部分。这个补偿环节称为预估器，其传递函数为，为纯滞后时间。本设计中纯滞后补偿的数字控制器由两部分组成：一部分是数字PID控制器（由离散化得到）；一部分就是预估器。Smith纯滞后补偿的计算机控制系统为:上图

7、所示为零阶保持器，2.2PID控制仿真模型整定好的PID参数的系统输出阶跃响应图2.3仿真结果分析从图中看出，调节时间45s，稳态误差趋近于零，超调很小。仿真结果说明采用Smith算法课显著减小超调，也可做到很小的稳态误差。3大林算法的设计及分析3.1算法简介在本设计中，被控对象含有较大的纯滞后特性。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，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