基于大林算法的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真課程設(shè)計報告

1、<p>　　電氣工程與自動化學(xué)院</p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p><b>　?。刂苹A(chǔ)）</b></p><p>　　題 目：基于大林算法的爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真</p><p><b>　　摘 要</b></p>

2、;<p>　　在許多實際工程中 , 經(jīng)常遇到一些純滯后調(diào)節(jié)系統(tǒng),往往滯后時間比較長。對于這樣的系統(tǒng), 人們較為感興趣的是要求系統(tǒng)沒有超調(diào)量或很少超調(diào)量, 超調(diào)成為主要的設(shè)計指標(biāo)。尤其是具有滯后的控制系統(tǒng), 用一般的隨動系統(tǒng)設(shè)計方法是不行的, 而且 PID 算法效果往往也欠佳。在溫度控制技術(shù)領(lǐng)域中, 普遍采用控制算PID法。但是在一些具有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中, PID控制很難兼顧動、靜兩方面的性能, 而且多參數(shù)整定也很難實現(xiàn)最

3、佳控制。</p><p>　　IBM公司的大林于1968年提出一種針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含有純滯后的控制對象的控制算法，即大林算法。它具有良好的效果，采用大林算法的意義在于大林控制算法能在一些具有純滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中兼顧動靜兩方面的性能，若采用大林算法, 可做到無或者小超調(diào),無或小穩(wěn)態(tài)誤差，控制效果比較理想。對工程實際應(yīng)用具有很大的意義。下面就PID設(shè)計和大林算法設(shè)計比較，發(fā)現(xiàn)二者的不同之處，然后用Matlab的GUI

4、功能將兩者制作成可簡單操作的用戶圖形界面。</p><p>　　關(guān)鍵詞：大林算法；PID控制；GUI界面；Matlab；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 大林算法在爐溫控制中的應(yīng)用3</p><p>　　1.1大林算法簡介3</p><p>　　1.

5、2大林算法在爐溫控制中的設(shè)計思路3</p><p>　　1.3大林算法實現(xiàn)爐溫控制中的代碼算法及波形圖6</p><p>　　第二章 PID實現(xiàn)爐溫控制的仿真7</p><p>　　2.1 PID的原理及介紹7</p><p>　　2.2 PID爐溫控制算法程序設(shè)計8</p><p>　　第三章 大林

6、算法和PID實現(xiàn)爐溫控制的SIMULINK仿真11</p><p>　　3.1 大林算法SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖及波形11</p><p>　　3.2 PID的SIMULINK仿真12</p><p>　　3.3 大林算法和PID的比較13</p><p>　　第四章 GUI圖形用戶界面編程設(shè)計13</p>

7、<p>　　4.1 GUI簡介13</p><p>　　4.2 GUI界面的建立14</p><p>　　4.2.1編寫pushButton回調(diào)函數(shù)17</p><p>　　4.2.2仿真波形18</p><p><b>　　致 謝19</b></p><p><b

8、>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p>　　第一章 大林算法在爐溫控制中的應(yīng)用</p><p><b>　　1.1大林算法簡介</b></p><p>　　大林算法是由美國IBM公司的大林(Dahllin)于1968年針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含純滯后的控制對象的控制算法。該算法的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一個合適的數(shù)字控制器，使整個系統(tǒng)

9、的閉環(huán)傳遞函數(shù)為帶有原純滯后時間的一階慣性環(huán)節(jié)。</p><p>　　大林算法是運用于自動控制領(lǐng)域中的一種算法，是一種先設(shè)計好閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)再反過來綜合調(diào)節(jié)器的方法。設(shè)計的數(shù)字控制器（算法）使閉環(huán)系統(tǒng)的特性為具有時間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時間與被控對象的滯后時間相同，此算法具有消除余差、對純滯后有補償作用等特點。</p><p>　　1.2大林算法在爐溫控制中的設(shè)計思路</p&g

10、t;<p>　　已知電阻爐對象數(shù)學(xué)模型為</p><p>　　其中，k=12, T=400, ，電阻爐的溫度設(shè)定為1000℃.</p><p><b>　　要求：</b></p><p><b>　　設(shè)計大林控制算法；</b></p><p>　　設(shè)計PID控制器，并與PID算法進(jìn)行比

11、較；</p><p>　　改變模型參數(shù)，考察模型擾動下系統(tǒng)性能變化情況。</p><p><b>　　設(shè)計思路：</b></p><p><b>　　τ—溫控爐時間常數(shù)</b></p><p>　　K—調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的放大倍數(shù)</p><p>　　θ —系統(tǒng)的純滯后時間, 且θ

12、= N T , T 為采樣周期</p><p>　　在被控制對象前加一個零階保持器，將連續(xù)系統(tǒng)離散化，閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為:</p><p>　　D (z)為溫控爐按大林算法得出的數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型。為了計算機實現(xiàn)比較方便, 把D (z)進(jìn)一步簡化為:</p><p>　　根據(jù)流程圖編寫程序：</p><p>　　圖1—1 程序設(shè)計流

13、程圖</p><p>　　1.3大林算法實現(xiàn)爐溫控制中的代碼算法及波形圖</p><p><b>　　實驗程序及波形圖:</b></p><p><b>　　r=1000;</b></p><p><b>　　T=10;</b></p><p>　　sy

14、s=tf(12,[400 1],'inputdelay',60)</p><p>　　sys=c2d(sys,T,'zoh');</p><p>　　[num,den]=tfdata(sys,'v');</p><p>　　Tf=input('仿真時間Tf=');</p><p>

15、;　　Tm=input('采樣周期Tm=');</p><p><b>　　a0=1/12;</b></p><p>　　a1=exp(-Tm/400)/12;</p><p>　　b1=exp(-Tm/400);</p><p>　　b2=1-exp(-Tm/400);</p><p

16、>　　u1=0;u2=0;u3=0;u4=0;u5=0;u6=0;u7=0;e1=0;y=0;y1=0;t=0;</p><p>　　for i=1:Tf/Tm</p><p>　　e=r-y(end);</p><p>　　u=a0*e-a1*e1+b1*u1+b2*u7;</p><p>　　for j=1:Tm/T</p&g

17、t;<p>　　y=[y,-den(2)*y1+num(1)*u6+num(2)*u7];</p><p>　　t=[t,t(end)+T];</p><p><b>　　end</b></p><p>　　u7=u6;u6=u5;u5=u4;u4=u3;u3=u2;u2=u1;u1=u;y1=y(end);</p>

18、<p><b>　　e1=e;</b></p><p><b>　　end</b></p><p>　　plot(t,y) </p><p>　　圖1—2 大林算法實現(xiàn)爐溫控制波形圖</p><p><b>　　性能分析：</b></p><p&

19、gt;　　基于大林算法的爐溫控制系統(tǒng)仿真時，可以調(diào)節(jié)溫控爐時間常數(shù)T使閉環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)達(dá)到最佳。當(dāng)T很小時，響應(yīng)很快但穩(wěn)定性不好系統(tǒng)會產(chǎn)生震蕩；當(dāng)T增大，系統(tǒng)的響應(yīng)變慢，但穩(wěn)定性很好。而且由波形圖可見大林控制算法下系統(tǒng)幾乎無超調(diào)，響應(yīng)速度也很快，性能效果很好。</p><p>　　第二章 PID實現(xiàn)爐溫控制的仿真</p><p>　　2.1 PID的原理及介紹</p>&l

20、t;p>　　具有一階慣性純滯后特性的電阻爐系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型可表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　在PID調(diào)節(jié)中，比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分控制的作用是：只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制

21、將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以使減小超調(diào)量，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。將P、I、D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，可以使系統(tǒng)既快速敏捷，又平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三者強度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。</p><p>　　模擬PID控制規(guī)律為：</p><p><b>　?。?

22、-2）</b></p><p>　　式中：稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中為給定值，為被測變量值；為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；為調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號。</p><p>　　因為計算機只能處理數(shù)字信號，故上述數(shù)字方程式必須加以變換。設(shè)采樣周期為T，第次采樣得到的輸入偏差為，調(diào)節(jié)器的輸出為，作如下近似：</p><p><

23、;b>　?。ㄓ貌罘执嫖⒎郑?lt;/b></p><p><b>　?。ㄓ们蠛痛娣e分）</b></p><p>　　這樣，式（2-2）便可改寫為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其中， 為調(diào)節(jié)器第次輸出值；、分別為第次和第次采樣時刻的偏差值。由式

24、可知： 是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置一一對應(yīng)，所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，而且輸出的控制量不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實際中當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可采用增量型PID算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進(jìn)電機、電動調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用

25、增量型PID控制算法。</p><p>　　2.2 PID爐溫控制算法程序設(shè)計</p><p>　?。?）“PID控制”控制算法程序框圖如圖3—1所示。</p><p>　?。?）“PID控制”控制算法程序代碼如下：</p><p>　　kp=input（‘比例Kp=’）;</p><p>　　ki=input（‘積

26、分Ki=’）;</p><p>　　kd=input（‘微分Kd=’）;</p><p>　　K=input（‘K=’）;</p><p><b>　　ts=10;</b></p><p>　　sys=tf([K],[400,1],'inputdelay',60);</p><p>

27、;　　dsys=c2d(sys,ts,'zoh');</p><p>　　[num,den]=tfdata(dsys,'v');</p><p>　　u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;</p><p><b>　　ud_1=0;</b></p><p>　　y_1

28、=0;y_2=0;y_3=0;</p><p>　　error_1=0;</p><p><b>　　ei=0;</b></p><p>　　for k=1:1:400</p><p>　　time(k)=k*ts;</p><p>　　rin(k)=1000;</p><p&

29、gt;　　yout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;</p><p>　　error(k)=rin(k)-yout(k);</p><p>　　ei=ei+error(k)*ts;</p><p>　　gama=0.50;</p><p><b>　　Td=kd/kp;</b></p>

30、<p><b>　　Ti=1;</b></p><p>　　c1=gama*Td/(gama*Td+ts);</p><p>　　c2=(Td+ts)/(gama*Td+ts);</p><p>　　c3=Td/(gama*Td+ts);</p><p>　　u(k)=kp*error(k)+kd*(error

31、(k)-error_1)/ts+ki*ei;</p><p>　　u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);</p><p>　　y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);</p><p>　　error_2=error_1;</p><p>　　error_1=error(k);<

32、/p><p><b>　　end</b></p><p>　　plot(time,rin,'r',time,yout,'b');</p><p>　　xlabel('time(s)');</p><p>　　ylabel('rin,yout');</p&g

33、t;<p>　?。?）“PID控制”控制算法波形圖如下：</p><p>　　圖3—2 “PID控制”控制算法波形圖</p><p>　　由圖3—2可知，PID控制調(diào)節(jié)器超調(diào)量較大，控制效果不太理想。</p><p>　　第三章 大林算法和PID實現(xiàn)爐溫控制的SIMULINK仿真</p><p>　　3.1 大林算法SIM

34、ULINK仿真結(jié)構(gòu)圖及波形</p><p>　　圖2—1 大林算法實現(xiàn)爐溫控制的SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2—2 大林算法實現(xiàn)爐溫控制的SIMULINK仿真波形圖</p><p>　　3.2 PID的SIMULINK仿真</p><p>　　圖2—3 PID實現(xiàn)爐溫控制的SIMULINK仿真結(jié)構(gòu)圖</p&

35、gt;<p>　　圖2—2 大林算法實現(xiàn)爐溫控制的SIMULINK仿真波形</p><p>　　3.3 大林算法和PID的比較</p><p>　　大林算法適合用于沒有超調(diào)或較小的超調(diào)而對快速性要求不高的場合。</p><p>　　PID控制多年來受到廣泛的的應(yīng)用，PID在解決快速性、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量等問題上具有很好的應(yīng)用。PID的調(diào)整時間，動態(tài)性

36、能都很好，但是PID也有需要改進(jìn)的地方。如：積分項的改進(jìn)在PID控制中，積分作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是很多時候積分作用又會對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)造成不良影響，是系統(tǒng)產(chǎn)生大的超調(diào)或時間震蕩。具體的改進(jìn)有：</p><p>　?。?）積分項的改進(jìn)有積分分離法、抗積分飽和法；</p><p>　?。?）微分項的改進(jìn)有不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法。</p>

37、<p>　　第四章 GUI圖形用戶界面編程設(shè)計</p><p>　　4.1 GUI簡介</p><p>　　MATLAB是控制系統(tǒng)計算機輔助分析與設(shè)計的一個卓越平臺，具有開放的環(huán)境、功能極強的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、各種工具箱以及像“草稿紙”一樣的工作空間等許多優(yōu)點，為控制工程基礎(chǔ)的教學(xué)提供了一個連續(xù)的、有實用價值的工具。但命令繁多，分析起來過于零散，難于對控制系統(tǒng)的性

38、質(zhì)有個整體的掌握，困此．編制一個輔助教學(xué)工具箱是必要的。在MATLAB開發(fā)平臺中，有可視化編程能力很強的圖形用戶界面GUI，設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)輔助課程教學(xué)工具箱是完全可行的。</p><p>　　圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱 GUI，又稱圖形用戶接口）是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面。與早期計算機使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說在視覺上更易于接受。<

39、/p><p>　　借助 MATLAB語言有中具有可視化編程能力很強的圖形用戶界面GUI，構(gòu)建控制系統(tǒng) CAI課程教學(xué)應(yīng)用軟件的使用環(huán)境，開發(fā)出操作簡捷，形式靈活，界面友好，實用性強的人機對話窗口，提供一個方便的軟件操作平臺，計算機輔助分析與設(shè)計得到簡化，同時也能提高學(xué)生動手分析與設(shè)計系統(tǒng)的主動性和創(chuàng)造性。 </p><p>　　使用本軟件教學(xué)系統(tǒng)，除了控制系統(tǒng)模型的參數(shù)設(shè)置通過鍵盤輸入以外，其

40、他的全部工作都只需用鼠標(biāo)選擇菜單的操作來完成，且無需任何編程操作。</p><p>　　4.2 GUI界面的建立</p><p>　　1、打開GUI或在MATLAB指令窗中運行g(shù)uide得到如圖3-1所示：</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p>　　2、選則 Blank GUI </p&

41、gt;<p>　　空白GUI設(shè)計工作臺，如下圖所示，包含以下4個功能區(qū)：</p><p><b>　　菜單條</b></p><p><b>　　編輯工具條</b></p><p><b>　　控件模板區(qū)</b></p><p>　?。?） 設(shè)計工作區(qū)：圖形用戶界

42、面設(shè)計在該區(qū)域進(jìn)行，引出圖所示的界面設(shè)計工具。</p><p>　　用鼠標(biāo)拖動“工作區(qū)”右下角的“小黑塊”，使工作區(qū)的大小與圖與圖大小相當(dāng)</p><p>　　點擊“軸Axes”控件圖標(biāo)，然后在工作區(qū)中的適當(dāng)位置，拉出適當(dāng)大小的繪圖區(qū)。</p><p>　　類似上步操作，通過點擊相應(yīng)的“靜態(tài)文本Static Text”、可編輯文本“Edit Text”、按鍵“Pus

43、h Button”用鼠標(biāo)拖拉出相應(yīng)的控件，如圖</p><p><b>　　圖 4—2</b></p><p>　　3、圖形窗口和控件的某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置</p><p>　　雙擊工作區(qū)或控件可引出圖形和相應(yīng)控件的“屬性編輯框Property Inspector”。圖顯示的是軸屬性的編輯框。</p><p><b&g

44、t;　　圖4—3</b></p><p>　　Tex控件用以表示各編輯框的名稱，使界面友好；AXES控件在當(dāng)前界面顯示仿真波形；菜單欄顯示說明部分；控件Pushbutton來控制仿真。</p><p><b>　　GUI界面如圖:</b></p><p><b>　　圖4—4</b></p>&l

45、t;p><b>　　圖4—5</b></p><p>　　4.2.1編寫pushButton回調(diào)函數(shù)</p><p>　　界面中，“返回”按鈕用于回到主界面，回調(diào)函數(shù)為：</p><p>　　function back2_Callback(hObject, eventdata, handles)</p><p>&

46、lt;b>　　h=gcf;</b></p><p>　　fangzhengui03;</p><p><b>　　close(h);</b></p><p>　　由三個edit控件可獲得其返回值，通過 str2double(get(hObject,'String'))將返回值轉(zhuǎn)換成整形變量，即</p&g

47、t;<p>　　Tm=str2double(get(handles.Tm,'String')); Tf=str2double(get(handles.Tf,'String'));</p><p>　　T=str2double(get(handles.T,'String'));</p><p>　　在pushbutton的回調(diào)

48、函數(shù)中編寫基于大林算法的爐溫控制程序，并繪制仿真圖形，</p><p>　　其回調(diào)函數(shù)代碼如下：</p><p>　　function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)</p><p>　　Tm=str2double(get(handles.Tm,'String')); Tf=st

49、r2double(get(handles.Tf,'String'));</p><p>　　T=str2double(get(handles.T,'String'));</p><p><b>　　r=1000;</b></p><p>　　[A,B,C,D]=tf2ss(12,[T 1])</p>

50、<p>　　[G,H,Cd,Dd]=c2dt(A,B,C,Tm,60)</p><p><b>　　a0=1/12;</b></p><p>　　a1=exp(-Tm/T)/12;</p><p>　　b1=exp(-Tm/T);</p><p>　　b2=1-exp(-Tm/T);</p>&

51、lt;p>　　u1=0;u2=0;u3=0;u4=0;u5=0;u6=0;u7=0;e1=0;y=0;y1=0;</p><p>　　t=0;x=zeros(size(G,1),1);</p><p>　　for i=1:Tf/Tm</p><p>　　e=r-y(end);</p><p>　　u=a0*e-a1*e1+b1*u1+b

52、2*u7;</p><p>　　x=G*x+H*u;</p><p>　　y=[y,Cd*x+Dd*u];</p><p>　　t=[t,t(end)+Tm];</p><p>　　u7=u6;u6=u5;u5=u4;u4=u3;u3=u2;u2=u1;u1=u;y1=y(end);</p><p><b>

53、　　e1=e;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　plot(t,y)</b></p><p><b>　　4.2.2仿真波形</b></p><p><b>　　得到波形界面如圖：</b></

54、p><p><b>　　圖4-6</b></p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本課題在設(shè)計過程中得到xx老師的悉心指導(dǎo)，每次設(shè)計遇到問題時老師不辭辛苦的講解才使得我的設(shè)計順利的進(jìn)行，給予我很大的支持和鼓勵。從設(shè)計的選題到資料的搜集直至最后設(shè)計的修改的整個過程中，花費了xx老師很多的寶貴時間和精力，

55、在此向xx老師表示衷心地感謝！楊老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，開拓進(jìn)取的精神和高度的責(zé)任心都將使我們受益終生！在此，謹(jǐn)向xx老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意，他在學(xué)習(xí)方面給了我很大的幫助，并為我們提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓我學(xué)到了知識，掌握了學(xué)習(xí)的方法，也獲得了實踐鍛煉的機會。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度對我的嚴(yán)格要求以及為人處世的坦蕩將使我終身受益。</p><p>　　還要感謝和我同一設(shè)計小組的幾位同學(xué)，是你們在我平時設(shè)計中和我一起探

56、討問題，并指出我設(shè)計上的誤區(qū)，使我能及時的發(fā)現(xiàn)問題把設(shè)計順利的進(jìn)行下去，沒有你們的幫助我不可能這樣順利地完成，在此表示深深的謝意。</p><p>　　在今后，我們將會更加努力，不管自己是否會走嵌入式系統(tǒng)技術(shù)這條道路，我們?nèi)匀贿€是會在課余時間繼續(xù)對其進(jìn)行更深入學(xué)習(xí)和探討，為將來就業(yè)打下一個良好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

57、<p>　　【1】楊國亮，梁禮明 基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真實驗軟件編制 中國電力教育 （2012）02-0080-02</p><p>　　【2】于爽,張燕,肖軍.基于MATLAB的過程控制系統(tǒng)課程仿真實驗軟件. 遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2005.12</p><p>　　【3】柴瑞娟.基于MATLAB GUI的線性控制系統(tǒng)教學(xué)仿真軟件的設(shè)計. 計算機與現(xiàn)代化，200