设计题目：电炉温度控制算法比较研究及仿真
系 别： 电子电气工程系 班 级： 2009级电气1班 姓 名： 徐 星 磊
学 号： 200995014022
指 导 教 师： 梁 绒 香
2012年5月
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目录
一、设计对象说明 ......................................................................................................2 1、设计对象说明..................................................................................................2 2、报告书写要求..................................................................................................2 二、PID算法的设计及分析 ........................................................................................ 3
1、控制算法的确定.............................................................................................. 4 2、基于MATLAB仿真被控对象 ....................................................................... 4 三、达林算法的设计及分析........................................................................................ 6
1、达林算法介绍.................................................................................................. 6 2、基于MATLAB仿真被控对象 ....................................................................... 7 四、 Smith算法 ......................................................................................................... 10
1、Smith算法介绍 ............................................................................................. 10 2、基于MATLAB仿真被控对象 ..................................................................... 10 五、大林算法、PID算法、Smith预估控制算法三种算法比较............................ 12 六、 参考文献............................................................................................................ 12
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一、设计对象说明 1、题目要求
设某电炉控制对象的控制模型为W(s)1e3s，运用所学知识，对其控110s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。
1）、 炉温变化范围：0~500ºC，要求实现某一温度的恒温控制 2）、炉温变化参数要求：
tS≤80S；超调量p≤10℅；静态误差ev≤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。
2、报告书写要求：
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。
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二、PID算法的设计及分析
1、控制算法的确定
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。
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2、基于MATLAB仿真被控对象
simulink仿真模型
图2 PID simulink仿真模型
利用拼凑法整定PID参数，经多次改变参数以达到设计要求，从而满足设计条件。
Kp=1;Ki=0.7;Kd=0.02
图3
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Kp=1;Ki=0.3;Kd=0.02
图4
图5 PID参数整定值
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图6 整定好PID参数的系统输出阶跃响应
三、达林算法的设计及分析
1、达林算法介绍
达林（dahlin）针对一类带有纯滞后环节的工业对象在1968年美国IBM公司的提出的，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。 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：
（1-4-1）
其中
（1-4-2）
为被控对象的纯延迟时间，为了简化，
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为被控对象的时间常数，
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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
于是数字控制器的脉冲传递函数为
（1-4-3）
（1-4-4）
D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。它分为一阶和二阶纯滞后环节两种情况。
2、基于MATLAB仿真被控对象
simulink仿真模型
图 7 dahlin simulink仿真模型
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图 8参数整定值及系统输出阶跃响应
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图 9参数整定值及系统输出阶跃响应
图 10 参数整定值及系统输出阶跃响应
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四、Smith算法
1、Smith算法介绍
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
e3s其中D(s)为调节器传递函数，G(s)为对象传递函数，其中G0(s)e-3s包
10s1含纯滞后特性,纯滞后时间常数τ=3。
Smith控制的工作原理是将被控对象在基本扰动作用下的动态特性，简化为一个纯迟延与一个一阶惯性环节相串联的数学模型，预估器根据这个输入的数学模型，预先估计出所采用的控制作用对被控量的可能的影响，而不必等到被控量有所反映之后再去采取控制动作，这有利于改善控制系统的动态性能。
2、基于MATLAB仿真被控对象
simulink仿真模型
图11 smith simulink仿真模型
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图 12 参数整定值
图13系统输出阶跃响应
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五、大林算法、PID算法、Smith预估控制算法三种算法比较
达林算法
许多实际工程中经常遇到一些纯滞后调节系统，滞后时间比较长，但要求系统具有较好的动态特性和稳定性、没有超调量或很少超调量。这类系统采用PID算法控制效果往往欠佳，而大林算法对改善滞后给系统带来的不良影响具有良好的效果。 PID算法
在连续时间控制系统中，PID控制器应用非常广泛，其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活。由于计算机程序的灵活性，数字PID控制比连续PID控制更为优越。 Smith算法
适合用于较大纯滞后系统的控制
综上可得smith算法可得比较好的控制结果
六、参考文献
1、夏扬 主编.计算机控制技术 机械工业出版社 2007.2 2、李铁桥，张虹 主编 .计算机控制理论与应用 2005.7
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