1、电气工程及自动化学院课程设计报告（控制基础实践）题 目：基于大林算法的炉温控制仿真专业班级：自动化 101 班姓 名：周 强学 号：33 号指导老师：杨国亮2012 年 12 月 22 日摘要电阻炉在化工、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。其控制系统属于一阶纯滞后环节，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。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。 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
2、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
3、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。关键词：PID 控制；大林算法；控制算法；MATLAB目录第一章 系统方案 .11.1 设计任务和要求 .11.2 大林算法 .11.3 PID 算法 .3第二章 设计流程 .52.1 大林算法软件设计流程图 .52.2 PID
4、 算法程序设计流程图 .5第三章 设计过程及结果 .73.1 GUI 界面设计 .73.1.1 GUI 界面的建立 .73.1.2 制作 GUI 界面 .93.2 Simulink 设计 .103.2.1 大林算法 Simulink .103.2.2 PID 控制算法 Simulink113.3 程序设计 .123.3.1 大林算法编程 123.3.2 PID 控制算法编程 143.4 两种算法的比较 .16第四章 总结 17致谢 .18参考文献 .19附录 .201、大林算法程序 202、PID 控制器算法程序 .20基于大林算法的炉温控制仿真实践1第一章 系统方案1.1 设计任务和要求已知
5、电阻炉对象数学模型为1)(TskeG其中，k=12, T=400, ，电阻炉的温度设定为 1000.60要求：(1)设计大林控制算法；(2)设计 PID 控制器，并与 PID 算法进行比较；(3)改变模型参数，考察模型扰动下系统性能变化情况。1.2 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
6、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： （1-1）（1-2）其中 为被控对象的时间常数， 为被控对象的纯延迟时间，为了基于大林算法的炉温控制仿真实践2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
7、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 （1-3）于是数字控制器的脉冲传递函数为 （1-4）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（1-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为 ：将此式代入（2-4） ，可得 （1-5）式中：T采样周期： 基于大林算法的炉温控制仿真实践3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（1-1）的传递函数可知，其脉冲传递函
8、数为 其中， 将式 G(z)代入式（1-3）即可求出数字控制器的模型： （1-6）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。1.3 PID 算法根据偏差的比例（P） 、积分（I） 、微分（D）进行控制（简称 PID 控制） ，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。不过，用计算机实现 PID 控制，不是简单地把模拟 PID 控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使 PID 控制
9、更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。它的结构如图 1.1 所示：基于大林算法的炉温控制仿真实践4图 1-1 PID 结构图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。数字 PID 增量型控制算式为（2-)2()1(2)()1()(u kekeKkeKuDIP7）式中 称为比例增益；1P称为积分系数；IPITK称为微分系数。DP为了编程方便，可将式整理成如下形式（1-)2()1()(0 keqkeqku8）其中 （1-TKqTDPDIP210)(9）基于大林算法的炉温控制仿真实践5第
10、二章 设计流程2.1 大林算法软件设计流程图数字控制器是控制系统的核心，用它对被测参数进行自动调节，这里采用直接程序设计法继续设计。程序设计流程图如图 1。基于大林算法的炉温控制仿真实践6初始化采集被控对象的输出 I n p u t fI n p u t f 延迟 N 步求 E ( k ) = 温度设定值 - I n p u t fU ( k ) = a 0 E ( k ) - a 1 E ( k - 1 ) + b 1 U ( k - 1 ) + b 0 U ( k - U - 1 )输出 U （ k ）E ( k ) 1 = E ( k ) U ( k - N - 1 ) 更新 画被控对象第 J 点输出 I n p u t fJ + 1J =1500u(k)=1500;endif u(k)=1500u(k)=1500;endif u(k)=-1500u(k)=-1500;endu_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);error_2=error_1;error_1=error(k);endplot(time,rin,r,time,yout,b);xlabel(time(s);ylabel(rin,yout);
