第五组-基于大林算法的电阻炉(二阶系统)温度控制

1课程设计任务书课程设计名称计算机控制技术课程设计专业班级（学生人数）电气工程及其自动化BG1101（49人）指导教师张向锋本学期承担相应课程教学任务情况计算机控制技术计划学时48实验学时8课程设计目的及任务目的:计算机控制技术课程是一门应用性非常强的专业课程，综合了自动化专业学生所学过的许多专业知识。本课程设计是“计算机控制技术”课程整个教学环节的重要组成部分,为了帮助学生进一步理解、掌握和深化理论教学的内容，要求学生通过课程设计，综合运用所学的基础理论和专业知识，学会设计数字控制器的方法和步骤，培养分析问题和解决问题的独立工作能力，完成自动化初步的设计技术训练。任务:课程设计课题：课题一、基于大林算法的电阻炉（一阶系统）温度控制课题二、电阻炉（一阶）温度的史密斯控制方法课题三、退火炉温度控制系统的大林控制器设计：一阶系统课题四、基于史密斯预估器的退火炉温度控制系统设计：一阶系统课题五、基于大林算法的电阻炉（二阶系统）温度控制课题六、电阻炉（二阶）温度的史密斯控制方法课题七、退火炉温度控制系统的大林控制器设计：二阶系统课题八、基于史密斯预估器的退火炉温度控制系统设计：二阶系统2课程设计要求（1）熟练使用MATLAB编程软件，掌握编写m文件的设计思路和利用Simulink实现编程的设计方法。掌握程序调试的基本方法。（2）根据选题分析工作过程和控制要求，分别采用史密斯预估器或者大林算法克服纯滞后环节给系统性能带来的影响。（3）根据控制要求，设计合适的控制器，完成对编制的控制程序模拟调试。（4）书写课程设计说明书。格式如下：封面：按照学校统一格式的封面填写并装帧目录：2级标题正文内容：设计课题简介，系统控制流程图，程序设计的思路，Simulink编程图，系统调试报告，课程设计体会。课程设计目标使学生通过课程设计实现计算机控制技术知识的综合训练，并培养学生的创新精神，培育学生的控制系统集成设计意识，激发学生的学习兴趣，突出学生对所学理论知识的理解和应用。参考文献及资料李华、范多旺.计算机控制技术，机械工业出版社,2013课程考核要求（1）课程考核成绩构成平时（15%）：学习态度、纪律情况、辅导答疑、课题的讨论等；模拟调试（35%）：按照课题的控制要求设计控制器，并能在调试时，熟练地说明工作流程；课程设计说明书（25%）：撰写规范、资料齐备，方案设计论证、系统的原理说明、用户程序的设计思想、用户程序、调试说明、设计总结等；答辩（25%）：通过提问了解学生知识掌握情况，学生完成情况，重点检查本课程设计的程序。（2）评分办法和评分标准90-100分：控制系统原理正确，能独立分析、设计和解决实际问题，课程设计期间无违纪行为，圆满完成所规定的任务；80-89：能较好地完成课程设计任务，能正确回答问题，课程设计态度端正，期间无违纪行为；70-79：能完成基本功能和一半以上的功能，考核时能正确回答主要问题，课程设计期间无违纪行为；60-69：能完成基本功能，内容基本正确，但控制器设计不够系统。课程设计期间无违纪行为；60分以下:不能实现基本功能的一半以上，或参加课程设计时间为所规定时间的1/4以下者，或课程设计期间有严重的违纪行为。注意事项须在规定的时间内完成本课程设计，请学生注意课题布置、课题讨论、调试、答辩的时间节点。3课程设计计划表周次日期设计内容具体要求设计教室指导时间段1612月29日星期一1、上课，布置课程设计任务；2、了解课题设计任务。以班为单位进行一教301，指导时间:8:10～16:0012月30日星期二根据控制要求，设计控制器以小组为单位讨论技术中心A区702指导时间:8:10～16:0012月31日星期三完善控制器设计，分析是否存在振铃并找到克服方法以小组为单位讨论技术中心A区702指导时间:8:10～16:001月4日星期日（上周五课）现场调试以小组为单位调试技术中心A区702指导时间:8:10～16:00171月5日星期一现场调试以小组为单位调试技术中心A区702指导时间:8:10～16:001月6日星期二撰写课程设计报告每人根据自己的工作和对课程的理解撰写技术中心A区702指导时间:8:10～16:001月7日星期三课程设计答辩指导教师与学生一对一的进行交流，针对课题的内容进行提问技术中心A区702指导时间:指导时间:8:10～11:3545.基于大林算法的电阻炉(二阶系统)温度控制设计任务带有纯滞后的电阻炉温度模型可由纯滞后环节与二阶系统串联描述)12)(1()(ssesGs采样周期1T，期望闭环传递函数为：1)(sess电阻炉的温度设定为1000oC。设计控制器是系统满足：调整时间sts80，超调量%10p，稳态误差Ceos2。工作要求：1.查找资料，描述电阻炉的基本情况；2.设计大林控制算法，用Simulink实现；3.设计传统PID控制器，并将二者算法进行比较；4.分析系统是否存在振铃现象，若存在试消除振铃；5.改变模型结构，考察模型扰动下系统性能变化情况；6.按照格式和设计内容写《计算机控制技术课程设计》和课程设计心得。5目录第一章课题背景知识介绍........................................................................61.1摘要……………………………………………………………….61.2设计任务和要求............................................................................61.3大林算法........................................................................................71.4PID算法.........................................................................................9第二章控制系统分析..............................................................................102.1被控对象分析.............................................................................102.1.1纯滞后介绍……………………………………………………102.2控制器分析…………………………………………………….10第三章控制系统的仿真..........................................................................193.1PID控制器控制下的系统仿真………………………………..123.2大林控制算法下的系统仿真………………………………….133.3大林控制算法和PID控制器的仿真………………………….14第四章振铃现象分析………………………………………………..…17第五章扰动下的系统性能分析………………………………………..18课程设计心得…………………………………………………………..19参考文献………………………………………………………………..206第一章系统方案1.1摘要电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于二阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。电加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制。在温度控制技术领域中，普通采用PID控制算法。但是在一些具有纯滞后环节的系统中，PID控制很难兼顾动、静两方面的性能，而且多参数整定也很难实现最佳控制。若采用大林算法，可做到无或者小超调，无或小稳态误差。大林算法是运用于自动控制领域中的一种算法，是一种先设计好闭环系统的响应再反过来综合调节器的方法。设计的数字控制器（算法）使闭环系统的特性为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。本设计主要采用大林算法来实现炉温控制，并与PID算法进行比较。1.2设计任务和要求带有纯滞后的电阻炉温度模型可由纯滞后环节与二阶系统串联描述)12)(1()(ssesGs采样周期1T，期望闭环传递函数为：1)(sess电阻炉的温度设定为1000oC。7设计控制器是系统满足：调整时间sts80，超调量%10p，稳态误差Ceos2。工作要求：7.查找资料，描述电阻炉的基本情况；8.设计大林控制算法，用Simulink实现；9.设计传统PID控制器，并将二者算法进行比较；10.分析系统是否存在振铃现象，若存在试消除振铃；11.改变模型结构，考察模型扰动下系统性能变化情况；12.按照格式和设计内容写《计算机控制技术课程设计》和课程设计心得。1.3大林算法在一些实际工程中，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：1)(10SKesGs)1S)(1()(210SKesGs其中1、2为被控对象的时间常数，NT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1)(sess，其中NT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811)1(]11[)Z(/)1(/zezeseseTNTNTsTs于是数字控制器的脉冲传递函数为)(])1(1[)1()()](1[)()()1(/1/)1(/zGzezezezGzzzDNTTNT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1)(10SKesGs的传递函数可知，其脉冲传递函数为：1/)1(/101)1(])1()1([)](1[)(zezeksseeksGsezGTNTNTsTsTs将此式代入（2-4），可得)()](1[)()(zGzzzD)z(G]z)e1(ze1[z)e-1)1N(/T1/T)1N(/T（)1N(/T1/T/T1/T/Tz)e1(ze1)[e1(k)ze1)(e1(11