计算机控制作业霍志兵Word格式文档下载.docx

计算机控制作业霍志兵Word格式文档下载.docx

《计算机控制作业霍志兵Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制作业霍志兵Word格式文档下载.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

学号：

200995014044

指导教师：

梁绒香

一、题目

二、要求:

设某电炉控制对象的控制模型为

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

三、要求

1.炉温变化范围：

0~500º

C，要求实现某一温度的恒温控制

2.炉温变化参数要求：

≤80S；

超调量

≤10℅；

静态误差

≤2℃。

3.至少采用PID算法、Smith预估控制算法、达林算法等三种不同算法作对比研究。

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算法、模糊控制算法等。

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、各算法简介；

3、各仿真程序或者仿真连接图；

4、各仿真结果；

5、每种仿真结果的小结；

6、对每种算法作总结比较，总结各自特点，讨论得出本电炉温度控制的理想算法。

一、PID算法的设计及分析

1.PID控制算法

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.数学模型的建立

具有一阶惯性纯滞后特性的系统，其数学模型可表示为：

（2-1）

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。

系统的结构框图如下：

系统的结构方框图

3、采用MATLAB仿真

采用simulink仿真，通过simulink模块实现PID控制算法。

设采样时间Ts=3s，被控对象为：

Simulink仿真图如图2-1所示。

KP=1.95KI=0.2KD=0（采用试凑法）

二、Smith预估控制算法设计的及分析

1、Smith预估器控制理论

由于Smith预估器能通过模型把对象的滞后预算出来并实现补偿，被认为是解决时滞系统控制问题的有效办法，于是在实验中加入史密斯预估器，经过补偿后的控制系统，消除了滞后部分对滞后系统的影响，于是算法中的滞后不在影响系统的稳定性，只是在系统的输出在时间上滞后一个一个时间，而调节器的设计及参数的选择任然和么有滞后环节一样，实时控制达到稳定的效果！

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-0.1s包含纯滞后特性,纯滞后时间常数τ=0.1。

系统的特征方程为：

由于闭环特征方程中含有

项，产生纯滞后现象，有超调或震荡，使系统的稳定性降低，甚至使系统不稳定。

为了改善系统特性，引入Smith预估器，使得闭环系统的特征方程中不含有

项。

Smith纯滞后补偿的计算机控制系统为:

上图所示

为零阶保持器，传递函数：

并且有：

（

为大于1的整数，T为采样周期）。

2、改进型Smith控制理论

Smith预估补偿控制实质上是PID调节器连续的向补偿器传递，作为输入而产生补偿器输出。

补偿器与过程特性有关，而过程的数学模型与实际过程之间又有误差，所以这种控制方法的缺点是模型的误差会随时间累积起来，也就是对过程特性变化的灵敏度很高。

为了克服这一缺点，可采用增益自适应预估补偿控制。

它在Smith补偿模型之外加了一个除法器，一个导前微分环节（识别器）和一个乘法器。

除法器是将过程的输出值除以模型的输出值。

导前微分环节（识别器）的，它使过程与模型输出之比提前进加法器。

乘法器是将预估器的输出乘以导前微分环节的输出，然后送到调节器。

这三个环节的作用量要根据模型和过程输出信号之间的比值来提供一个自动校正预估器增益的信号。

增益自适应Smith预估补偿控制

本系统采用PID控制算法，系统框图为：

KP=2KI=0.75KD=0

（采用试凑法，先KP后KI最后KD）

3、大林算法

1、算法简介设计及分析

在适当的超调量，以尽可能地缩短调节时间。

人们更感兴趣的是要求系统没有超调量或只有很小超调量，而调节时间在一些实际工程中，经常遇到纯滞后调节系统，它们的滞后时间比较长。

对于这样的系统，往往允许系统存则允许在较多的采样周期内结束。

也就是说，超调是主要设计指标。

对于这样的系统，用一般的随动系统设计方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。

针对这一要求，IBM公司的大林（Dahlin）在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法。

其目标就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。

该算法具有良好的控制效果。

大林算法中D（z）的基本形式

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：

（2-1）

（2-2）

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

（2-3）

于是数字控制器的脉冲传递函数为

（2-4）

D（z）可由计算机程序实现。

由上式可知，它与被控对象有关。

下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。

一阶惯性环节的大林算法的D（z）基本形式

当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为：

将此式代入（2-4），可得

（2-5）

式中：

T——采样周期：

———被控对象的时间常数；

———闭环系统的时间常数。

二阶惯性环节大林算法的D（z）基本形式

当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（2-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为

其中，

将式G（z）代入式（2-3）即可求出数字控制器的模型：

（2-6）

由此，我们可以设计出控制器的传递函数，利用MATLAB工具在SIMULINK里画出整个控制系统，给定一个阶跃信号就可得到整个控制系统的响应曲线。

二、采用MATLAB仿真

数据分析

4、大林算法、PID算法、Smith预估控制算法三种算法比较

PID算法

PID控制多年来受到广泛的的应用，PID在解决快速性、稳态误差、超调量等问题上具有很好的应用。

PID的调整时间，动态性能都很好。

达林算法

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。

Smith预估控制算法

适合用于较大纯滞后系统的控制

五、小结:

通过本次设计，我还了解了微机控制中DDC算法的基本概念及其对系统设计的相关应用。

什么样的课程设计都离不开理论与实际相结合的真理，设计过程中的方案选择和参数设定使我进一步深刻认识到算法的控制对整个系统的重要作用。

一个细小的参数设定出现偏差，可能导致最后的性能指标不和标准。

所以选择一个优良的方案对于实验至关重要。