基于Smith預(yù)估算法的電加熱管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文

1、 . . . 一、原始依據(jù)（包括設(shè)計(jì)或論文的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等。）工作基礎(chǔ)：了解時(shí)滯系統(tǒng)的基本概念，掌握Smith預(yù)估控制器的設(shè)計(jì)原理。研究條件：Smith預(yù)估控制器的基本原理以與大遲滯被控對(duì)象-電加熱管。應(yīng)用環(huán)境：采用Smith預(yù)估器與PID控制器相結(jié)合的方法，推導(dǎo)其控制算法，對(duì)被控對(duì)象電加熱管搭建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。工作目的：熟練掌握Smith算法的基本原理。 采用階躍響應(yīng)曲線法獲取被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，確定控制方案，搭建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。獲取符合要求的溫度控制曲線。二、參考文獻(xiàn)1 王志萍.帶有Smith預(yù)估器的模糊控制系統(tǒng)仿真研究

2、J.電力學(xué)院學(xué)報(bào).2004(02).2 儲(chǔ)岳中,永華. 基于MATLAB的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真J. 工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2004(01) .3 明,董振銀,宋利君.模糊PID在電爐溫度控制中的應(yīng)用J. 大學(xué)學(xué)報(bào). 2003(02) .4 濤,家啟.基于參數(shù)自整定模糊PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真J.交通與計(jì)算機(jī). 2001(S1).5 周荔丹,童調(diào)生.模糊PID在電阻加熱爐溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用J.自動(dòng)化與儀器儀表. 2001(05) .三、設(shè)計(jì)（研究）容和要求（包括設(shè)計(jì)或研究容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對(duì)學(xué)生提出具體要求。）1、掌握遲滯系統(tǒng)以與Smith算法的基本概念與

3、原理。2、獲取電加熱管的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型。3、采用Smith預(yù)估器與PID相結(jié)合的方式，推導(dǎo)被控對(duì)象的表達(dá)式。4、根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，確定溫度數(shù)值與模擬電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，搭建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并完成相關(guān)控制界面的設(shè)計(jì)。指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日審題小組組長(zhǎng)（簽字）年 月 日理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱基于Smith預(yù)估算法的電加熱管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系 名信息工程系專 業(yè)自動(dòng)化學(xué)生唐敏琪指導(dǎo)教師扈書(shū)亮一、課題來(lái)源與意義PID是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的一種控制規(guī)律。因算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，一直是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的控制器。然而，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線性、時(shí)變

4、不確定性，應(yīng)用常規(guī)PID控制不能達(dá)到理想的控制效果。這時(shí)，往往不得不采用模型預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制策略來(lái)獲得更好的控制性能。但是也存在多種原因阻礙這些先進(jìn)控制策略在實(shí)際中的應(yīng)用。因此，近年來(lái)越來(lái)越多的研究人員就上層采用模型預(yù)測(cè)控制這類先進(jìn)的控制算法，而底層保留傳統(tǒng)的PID控制算法，即所謂的預(yù)測(cè)PID控制算法，展開(kāi)了一系列的研究。滯后環(huán)節(jié)的存在使得整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)變壞甚至引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此今年來(lái)，對(duì)時(shí)滯控制系統(tǒng)的方法研究方興未艾。Smith預(yù)估控制是一種對(duì)被控對(duì)象的純滯后補(bǔ)償，在工業(yè)過(guò)程中有著比較廣泛的應(yīng)用。二、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀從50年代以來(lái)，時(shí)滯控制先后出現(xiàn)了基于模型的方法和無(wú)模

5、型兩大方法，PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種方法，在工業(yè)過(guò)程控制多數(shù)采用此方法。優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，魯棒性好。然而PID控制在純滯后系統(tǒng)中的應(yīng)用中有一定限制，對(duì)于滯后較大的系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制往往顯得無(wú)能為力。1958年，Smith提出了一種純滯后補(bǔ)償模型，即Smith預(yù)估控制。其最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。并在傳統(tǒng)Smith預(yù)估算法的理論基礎(chǔ)上，采用Smith預(yù)估器與PID控制器相結(jié)合的方法，推導(dǎo)出相應(yīng)的控制算法。三、研究目標(biāo)利用Smith預(yù)估控制的理論思想以與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件設(shè)備，被控對(duì)象為電加熱管，參閱有關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，在MATLAB環(huán)

6、境下，對(duì)控制電加熱管溫度的Smith控制算法進(jìn)行仿真研究，最終獲得對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線。四、研究容Smith預(yù)估法也叫純滯后補(bǔ)償法，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是引入一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)即Smith預(yù)估器，與被控對(duì)象相并聯(lián)。基于Smith預(yù)估器的溫控系統(tǒng)能有效克服大純滯后對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性好。由于電加熱管溫控系統(tǒng)本身為大時(shí)滯系統(tǒng)，對(duì)象參數(shù)變化較大，要建立精確的數(shù)學(xué)模型很困難。Smith預(yù)估控制對(duì)于大時(shí)滯系統(tǒng)具有良好的控制作用，它在估計(jì)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上用一個(gè)預(yù)估模型進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到一個(gè)沒(méi)有時(shí)滯的被調(diào)節(jié)量反饋到控制器。將 Smith預(yù)估器和PID控制器結(jié)合，具有較強(qiáng)的魯棒性，能克服系統(tǒng)模型不確

7、定性和外部干擾的影響。Smith預(yù)估器能夠估計(jì)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使得被延遲了的被控變量能夠超前反映到 PID控制器，通過(guò)整定PID控制器參數(shù)，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，將Smith預(yù)估器和PID控制器數(shù)字化。采用階躍響應(yīng)曲線法測(cè)取電加熱管的對(duì)象特性，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，在MATLAB環(huán)境下，對(duì)控制電加熱管溫度的Smith控制算法進(jìn)行仿真研究。結(jié)合Smith預(yù)估器與PID控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖五、研究方法與手段在充分了解Smith預(yù)估控制器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以與軟件設(shè)計(jì)與其相應(yīng)模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行電加熱管溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1. 通過(guò)查閱相關(guān)資料，理解Smith預(yù)估控

8、制的基本原理以與PID控制算法方面的基礎(chǔ)知識(shí)，從而將Smith預(yù)估器和PID控制器相結(jié)合。2. 分析系統(tǒng)硬件構(gòu)成，了解測(cè)取電加熱管對(duì)象特性的方法，由于軟件設(shè)計(jì)在 MATAB軟件平臺(tái)完成根據(jù)獲得的階躍響應(yīng)曲線,因此要了解其使用方法。3. 設(shè)計(jì)出基于Smith預(yù)估控制的加熱管溫控系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。4. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。六、進(jìn)度安排1、2014.12.07-2015.03.15 查找資料，了解Smith預(yù)估控制算法以與PID控制算法的原理等相關(guān)容，總結(jié)文獻(xiàn)綜述，完成開(kāi)題報(bào)告；2、2015.03.17-2015.03.23 仔細(xì)研究課題，完善開(kāi)題報(bào)告，找出不足查漏補(bǔ)缺；3、2

9、015.03.25-2015.04.15 獲取電加熱管的被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型；4、2015.04.17-2015.04.25 采用Smith預(yù)估器與PID相結(jié)合的方式，推導(dǎo)被控對(duì)象的表達(dá)式；5、2015.04.27-2015.05.10 參閱有關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，在MATLAB環(huán)境下，對(duì)控制電加熱管溫度的Smith控制算法進(jìn)行仿真研究；6、2015.05.10-2015.06.05 撰寫(xiě)論文，準(zhǔn)備答辯。七、方案可行性分析通過(guò)討論Smith預(yù)估控制的基本原理Smith預(yù)估器與 PID控制器結(jié)合，推導(dǎo)出相應(yīng)的控制算法，應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一階純滯后對(duì)象( 電加熱管) 的控制，可以達(dá)到實(shí)

10、驗(yàn)?zāi)康?。八、主要參考文獻(xiàn)1何克忠，偉.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)M.：清華大學(xué)，1998.2邵裕森.過(guò)程控制與儀表M.：交通大學(xué)，1995.1.3Smith O J H.A controller to overcome dead time J.ISA Transaction,1959,6(2):28-33.4樹(shù)學(xué)，萱.LabVIEW寶典M.：電子工業(yè)，2011.5連城.Smith預(yù)估控制的工程實(shí)現(xiàn)J.自動(dòng)化博覽，2012（4）：76-80.6順安，學(xué)軍，光臨.基于Smith預(yù)估器的PID自適應(yīng)控制與其應(yīng)用J.化工自 動(dòng)化與儀表，2004(1)：28-32.7洪鎮(zhèn)南，王旭東.Smith預(yù)估補(bǔ)償器與其應(yīng)用J.

11、 控制工程，2002（5）:69-71.8明,董振銀,宋利君.模糊PID在電爐溫度控制中的應(yīng)用J. 大學(xué)學(xué)報(bào). 2003(02) .9 濤,家啟.基于參數(shù)自整定模糊PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真J.交通與計(jì)算機(jī). 2001(S1).10周荔丹,童調(diào)生.模糊PID在電阻加熱爐溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用J.自動(dòng)化與儀器儀表. 2001(05i) .11Smith O J H.A controller to overcome dead time J.ISA Transaction,1959,6(2):28-33.選題是否合適： 是 否課題能否實(shí)現(xiàn)： 能 不能指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日選題是否合適： 是 否課題能否實(shí)

12、現(xiàn)： 能 不能審題小組組長(zhǎng)（簽字）年 月 日摘要在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中，許多被控對(duì)象都不同程度存在著時(shí)滯現(xiàn)象，由于它的存在導(dǎo)致系統(tǒng)在信號(hào)與能量的傳遞上會(huì)有延遲,控制器的調(diào)節(jié)作用經(jīng)歷一段時(shí)間才能體現(xiàn)到系統(tǒng)輸出。大時(shí)滯的存在嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的控制效果和穩(wěn)定性，導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)變大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)振蕩和發(fā)散,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)明顯變差。溫度控制就屬于比較難于控制的系統(tǒng)。 通常對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)，Smith預(yù)估控制是一種有效的時(shí)滯補(bǔ)償方法，Smith預(yù)估控制在理論上能夠去掉系統(tǒng)特征方程中的時(shí)滯環(huán)節(jié)，有效補(bǔ)償時(shí)滯，使控制性能大大提高。本設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)的Smith預(yù)估算法的理論基礎(chǔ)上，被控對(duì)象為電加熱管，

13、采用Smith預(yù)估器與PID控制器相結(jié)合的方法，推導(dǎo)出相應(yīng)控制算法，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，在MATLAB環(huán)境下，對(duì)控制電加熱管溫度的Smith控制算法進(jìn)行仿真研究。關(guān)鍵詞：時(shí)滯；Smith預(yù)估算法；電加熱管；MATLAB仿真ABSTRACTIn the process control industry,many controlled objects there are different degrees of the delay object, due to its character there will be time lag when the signal or ener

14、gy is transferring. The regulation of the controller will reflect to system output through a period of time. The big time delay phenomenon within the industry process is very widespread, its existence affected the stability of the system seriously, cause system overshot become big, adjust time to le

15、ngthen consumedly, even appear to flap and dissipation, the dynamic quality of the system becomes obviously bad. Temperature control belongs to the system which is more difficult to be controlled. Usually for delay systems, Smith predictor control is an effective method of time-delay compensation, S

16、mith predictor control in theory, be able to remove the characteristic equation of time delay unit, effective compensation for delays, the control performance is greatly improved.On the basis of traditional Smith predictive control theory，using existing devices，we apply Smith predictor with PID cont

17、roller to computer controlsystem for controlling thetemperature of electrical heating tube.Systems designed using MATLAB simulation, and obtained the simulation results to be analyzed.Keywords:Time delay; Smith predictor algorithm; Electric heating tube; MATLAB0 / 58目 錄第一章緒論11.1研究背景與意義11.2時(shí)滯發(fā)展現(xiàn)狀21.3

18、國(guó)外溫度控制研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)21.4課題研究容3第二章PID控制器與Smith預(yù)估器42.1PID控制原理介紹42.2數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器62.3Smith預(yù)估器102.4基于Smith預(yù)估的數(shù)字PID控制器10第三章控制系統(tǒng)MATLAB仿真123.1MATLAB系統(tǒng)概述123.2Simulink仿真基礎(chǔ)13第四章電加熱管溫度控制系統(tǒng)的Simth預(yù)估算法仿真174.1硬件結(jié)構(gòu)174.2軟件調(diào)試18第五章總結(jié)與展望235.1總結(jié)235.2展望23參考文獻(xiàn)24外文資料中文譯文致第一章緒論1.1研究背景與意義1.1.1時(shí)滯現(xiàn)象狀況當(dāng)今社會(huì)科技迅猛發(fā)展，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，對(duì)他

19、們的控制也是越來(lái)越困難，并且大多數(shù)的系統(tǒng)中被控對(duì)象都存在時(shí)滯特征，這是使控制系統(tǒng)復(fù)雜化的一個(gè)主要原因。在實(shí)際的生產(chǎn)控制系統(tǒng)當(dāng)中時(shí)滯現(xiàn)象很普遍，可以看得見(jiàn)摸得著的時(shí)滯比如傳送帶傳輸?shù)呢浳锏?，抽象的時(shí)滯比如能量、信號(hào)之類傳遞等等。時(shí)滯的存在使控制系統(tǒng)中的控制作用不能立刻反映到被控對(duì)象，所以就可能是系統(tǒng)的輸出出現(xiàn)振蕩甚至發(fā)散，導(dǎo)致系統(tǒng)的各方面性能都有所下降。即使是先進(jìn)的控制器也會(huì)因?yàn)檫@個(gè)原因使控制系統(tǒng)的性能品質(zhì)降低。對(duì)于被控對(duì)象是一階環(huán)節(jié)時(shí)，根據(jù)時(shí)滯系統(tǒng)中時(shí)滯因子與時(shí)間常數(shù)比值的大小，可以分為大時(shí)滯系統(tǒng)(/T>0.3)和一般時(shí)滯系統(tǒng)(/T0.3)。如果系統(tǒng)是大時(shí)滯的，普通的控制器去對(duì)它作用很難

20、收到令人滿意的效果?？偨Y(jié)起來(lái)時(shí)滯就是一個(gè)困難而又不得不解決的問(wèn)題，如果被控對(duì)象的時(shí)滯時(shí)間參數(shù)越大，那么對(duì)系統(tǒng)的控制就越艱難，而且對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)控制的效果如何直接影響實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程，如果可以對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，工業(yè)生產(chǎn)的多數(shù)問(wèn)題就都會(huì)解決了。問(wèn)題都出現(xiàn)在時(shí)滯環(huán)節(jié)。所以，能提出可以解決時(shí)滯問(wèn)題的方法對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于純滯后的存在，使得被控變量不能與時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)。因此，這樣的過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。一般認(rèn)為純滯后時(shí)間與過(guò)程的時(shí)間常數(shù)之比大于0.5，就屬于大時(shí)滯過(guò)程。當(dāng)純滯后時(shí)間與過(guò)程時(shí)間常數(shù)的比值增加，過(guò)程中相位滯后增加，使上述現(xiàn)象更為突

21、出。有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)槌{(diào)嚴(yán)重而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等停產(chǎn)事故，有時(shí)則可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，被調(diào)量超過(guò)安全限，從而危與設(shè)備與人身安全。因此大時(shí)滯過(guò)程一直受到人們的關(guān)注，成為重要的研究課題之一。對(duì)于時(shí)滯過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，一個(gè)“好”的控制器應(yīng)該根據(jù)“未來(lái)”的參考輸入信號(hào)和過(guò)程輸出產(chǎn)生合適的“當(dāng)前”控制信號(hào)，以使過(guò)程輸出在時(shí)滯時(shí)間之后趨近于參考信號(hào)，一般來(lái)講，“未來(lái)”的過(guò)程輸出是通過(guò)對(duì)象模型進(jìn)行預(yù)測(cè)得出的。因此，高性能的控制方法一般都需要對(duì)象的模型或在控制算法中隱含對(duì)象的模型。在基礎(chǔ)控制級(jí)，時(shí)滯過(guò)程的控制方法主要有PID以與其他改進(jìn)的PID，離散域的大林算法，基于時(shí)滯補(bǔ)償思想的Smith預(yù)估控制和?？刂品椒āＴ谠O(shè)

22、定點(diǎn)優(yōu)化控制級(jí)，主要采用模型預(yù)測(cè)控制。1.2時(shí)滯發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1PIDPID是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的一種控制規(guī)律。因算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，一直是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的控制器。然而，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線性、時(shí)變不確定性，應(yīng)用常規(guī)PID控制不能達(dá)到理想的控制效果。這時(shí)，往往不得不采用模型預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制策略來(lái)獲得更好的控制性能。但是也存在多種原因阻礙這些先進(jìn)控制策略在實(shí)際中的應(yīng)用。因此，近年來(lái)越來(lái)越多的研究人員就上層采用模型預(yù)測(cè)控制這類先進(jìn)的控制算法，而底層保留傳統(tǒng)的PID控制算法，即所謂的預(yù)測(cè)PID控制算法，展開(kāi)了一系列的研究。從50年代以來(lái)，時(shí)滯控制先

23、后出現(xiàn)了基于模型的方法和無(wú)模型兩大方法，PID控制是迄今為止應(yīng)用最廣泛的一種方法，在工業(yè)過(guò)程控制多數(shù)采用此方法。優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，魯棒性好。然而PID控制在純滯后系統(tǒng)中的應(yīng)用中有一定限制，對(duì)于滯后較大的系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制往往顯得無(wú)能為力。1.2.2Smith預(yù)估控制 1957年美國(guó)教授Smith提出了用預(yù)估器克服純滯后，為解決純滯后指出了一條新的出路，現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以很方便的實(shí)現(xiàn)純滯后補(bǔ)償了。自發(fā)明以來(lái)，Smith預(yù)估補(bǔ)償控制最初由于受硬件條件限制，很少在實(shí)際中被應(yīng)用，近幾年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，Smith預(yù)估控制在實(shí)際中應(yīng)用得越來(lái)越多。 Smith預(yù)估控制的特點(diǎn)是預(yù)

24、先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，再由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程控制技術(shù)。它的基本思想是按過(guò)程特性設(shè)計(jì)出一種模型加人到反饋控制系統(tǒng)中，以補(bǔ)償過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使滯后了的被控量超前反映到控制器，使控制器提前動(dòng)作，從而明顯地減少超調(diào)量，加速調(diào)節(jié)過(guò)程特別是對(duì)于那些被控對(duì)象具有不同程度的純滯后，而被控對(duì)象又不能與時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)的控制系統(tǒng)，Smith預(yù)估控制技術(shù)獲得了廣泛的運(yùn)用。1.3國(guó)外溫度控制研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，溫度控制界逐漸發(fā)展了串級(jí)控制、前饋控制、Smith預(yù)估控制、比值控制、選擇性控制和多變量解耦控制等策略與算法，稱為復(fù)雜控制。他們?cè)诤艽蟪潭壬?/p>

25、滿足了復(fù)雜過(guò)程工業(yè)的一些特殊控制要求。他們?nèi)匀灰越?jīng)典控制理論為基礎(chǔ)，但是在結(jié)構(gòu)與應(yīng)用上各有特色，而且目前仍在繼續(xù)改進(jìn)與發(fā)展。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，在現(xiàn)代控制理論和人工智能發(fā)展的理論基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)過(guò)程的非線性、時(shí)變性、耦合性和不確定性等特性，提出了許多行之有效的解決方法，如推理控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，常統(tǒng)稱為先進(jìn)過(guò)程控制。近十年來(lái)，以專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法為主要方法的基于知識(shí)的智能處理方法已經(jīng)成為過(guò)程控制的一種重要技術(shù)，先進(jìn)控制方法可以有效的解決那些采用常規(guī)儀表控制效果差，甚至無(wú)法控制的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的控制問(wèn)題。實(shí)踐證明，先進(jìn)控制方法能取得更高的控

26、制品質(zhì)和更大的經(jīng)濟(jì)利益，具有廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)今國(guó)外的溫度控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的重要部分：測(cè)量比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好的糾正系統(tǒng)，PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年的歷史，由于PID具有簡(jiǎn)單、直觀、魯棒性好的特點(diǎn)，成為了工業(yè)過(guò)程控制最為常用的控制方式。溫度控制系統(tǒng)在國(guó)外各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平并不高，與日本、英國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有較大的差距。但隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)政府以與相關(guān)企業(yè)的重視，使

27、我國(guó)溫度等儀表工業(yè)得到迅速發(fā)展。1.4課題研究容將 Smith預(yù)估器和PID控制器結(jié)合，具有較強(qiáng)的魯棒性，能克服系統(tǒng)模型不確定性和外部干擾的影響。Smith預(yù)估器能夠估計(jì)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使得被延遲了的被控變量能夠超前反映到 PID控制器，通過(guò)整定PID控制器參數(shù)，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，將Smith預(yù)估器和PID控制器數(shù)字化。本設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)的Smith預(yù)估算法的理論基礎(chǔ)上，被控對(duì)象為電加熱管，采用Smith預(yù)估器與PID控制器相結(jié)合的方法，推導(dǎo)出相應(yīng)控制算法，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，在MATLAB環(huán)境下，對(duì)控制電加熱管溫度的Smith控制算法進(jìn)行仿真研究

28、。第二章PID控制器與Smith預(yù)估器2.1PID控制原理介紹實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制(Proportional Intergral Derivative)，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。是一種經(jīng)典的控制理論方法。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，自從自動(dòng)控制理論發(fā)展以來(lái)，PID獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，現(xiàn)在的工業(yè)生活當(dāng)中90%以上用到的都是PID控制，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一，在人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中的作用舉足輕重。當(dāng)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)

29、控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能有效測(cè)量手段來(lái)獲系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。伴隨計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了一系列先進(jìn)的控制策略，但是PID控制器因?yàn)橛泻?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，控制起來(lái)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)仍被廣泛使用。2.1.1模擬PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。 被控對(duì)象微分積分比例r(t) + e(t) + u(t) y(t

30、) + - +圖2-1 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖（1）比例（P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 （2）積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)

31、隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加

32、的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。2.1.2PID控制算法 PID控制分為模擬式PID控制和數(shù)字式PID控制。模擬式PID控制是以模擬的連續(xù)控制為基礎(chǔ)的，理想的模擬式PID控制算法為 （2-1）式中 比例放大系數(shù)；積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)。另外，為系統(tǒng)輸入和輸出在t時(shí)刻的偏差值。 理想PID控制器的傳遞函數(shù)為 （2-2） P作用的輸出與偏差成比例，稱為比例控制作用；I作用的輸出與偏差的積分

33、成比例，成為積分控制作用；D作用的輸出與偏差的微分成比例，成為微分控制作用。 由于純微分環(huán)節(jié)物理上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，實(shí)際中應(yīng)用的模擬PID控制器傳遞函數(shù)為帶有慣性的PID控制器即 (2-3) 式中 微分增益。PID控制算式的控制系統(tǒng)示意圖如圖2-2：PID算法控制元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象r(k) -y(k)圖2-2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖2.2數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化PID控制算法得到了大量應(yīng)用，采用式（2-1）所示的轉(zhuǎn)換公式可將模擬PID控制算法近似轉(zhuǎn)換到數(shù)字化的控制算法，即（2-4）式中 ¾系統(tǒng)的采樣周期。2.2.1數(shù)字式PID控制算法的形式 根據(jù)模擬PID控制算法，

34、可得到如下三種數(shù)字PID控制算法的形式。1位置式PID控制算法（見(jiàn)式（2-5） （2-5）式中 ¾比例系數(shù)； ¾積分系數(shù)； ¾微分系數(shù)。2增量式PID控制算法（見(jiàn)式（2-6） （2-6）3.速度式PID控制算法（見(jiàn)式（2-7）增量輸出與采樣周期之比為 （2-7）從應(yīng)用的利弊看：1）采用增量算法和速度算法時(shí)，手動(dòng)/自動(dòng)切換相當(dāng)方便，他們可以從手動(dòng)時(shí)的u(k-1)出發(fā)，直接計(jì)算出在投入自動(dòng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取的增量或變化速度；同時(shí)，它們不會(huì)引起積分飽和現(xiàn)象，因?yàn)樗蟪龅臑樵隽炕蛩俣?，即使偏差長(zhǎng)期存在，一次輸出u(k)值是限幅的不會(huì)超越規(guī)定的上或下限，執(zhí)行器也達(dá)不到極限位置；一

35、旦e(k)換向，輸出立即退出上下限。2）對(duì)于位置算法，需增加一些必要措施來(lái)解決手/自動(dòng)切換和積分飽和等問(wèn)題。三種數(shù)字控制算法中，增量式PID控制算法應(yīng)用最廣泛。數(shù)字式PID增量式控制算法的程序框圖如圖2-3所示。回路處于自動(dòng)？NY調(diào)內(nèi)存取 形成采樣指令e(k)計(jì)算增量輸出形成輸出采樣指令并輸出送內(nèi)存圖2-3 數(shù)字式PID增量式控制算法程序框圖2.2.2數(shù)字式PID控制算法的特點(diǎn)與模擬PID控制算法相比較，數(shù)字控制算法具有下列特點(diǎn)： 1）P、I、D三種控制作用是獨(dú)立的，沒(méi)有控制器參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。 2）由于不受硬件電路的制約，數(shù)字式控制器的參數(shù)可在更大圍設(shè)置。 3）數(shù)字控制器采用采樣控制，引入采樣

36、周期，即引入一個(gè)純時(shí)滯為 的滯后環(huán)節(jié)，使控制系統(tǒng)品質(zhì)變差。 4）由于數(shù)字控制系統(tǒng)引入滯后，因此，數(shù)字控制器的控制效果不如模擬控制器，用控制度表示模擬控制與數(shù)字控制品質(zhì)的差異程度。控制度定義為 控制度= (2-8)式中 DDC¾直接數(shù)字控制； ANA¾模擬連續(xù)控制； min(ISE) ¾最小平方誤差積分指標(biāo)。 控制度越大，表示數(shù)字控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)越差。系統(tǒng)的控制度與采樣周期有關(guān)。此外，控制度還與被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)、時(shí)滯有關(guān)。 5）采樣周期大小的選擇影響數(shù)字控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。2.2.3PID的發(fā)展與存在的問(wèn)題當(dāng)前隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，很多行業(yè)都在追求生產(chǎn)的自動(dòng)化，這

37、不但可以大大節(jié)省人力物力，還體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平， PID作為自動(dòng)控制理論發(fā)展水平的代表而廣受關(guān)注，PID控制由于它原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)而被廣泛使用 ,它所需要整定的參數(shù)只有三個(gè):比例(kp)、積分(ki)、微分(kd)，將三個(gè)參數(shù)整定好就可以了，而且PID的參數(shù)還可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整，使用起來(lái)非常方便。PID控制以其特有的優(yōu)勢(shì)而被廣泛使用,針對(duì)這種經(jīng)典控制理論的控制器層出不窮 ,各種改進(jìn)的PID控制器也大量出現(xiàn),比如：微分先行、積分分離等，與智能算法結(jié)合的PID控制器也大量涌現(xiàn) ，這些控制器產(chǎn)品已被開(kāi)發(fā)出來(lái)并且投入到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，很多公司根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況 , 對(duì)智能算法盡量開(kāi)發(fā) ,

38、 推出智能調(diào)節(jié)器 ，這種智能PID的優(yōu)點(diǎn)就是控制器的三個(gè)參數(shù)可以自動(dòng)調(diào)整,一般對(duì)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整部分采用的算法是模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)等。目前市面上出售的許多可編程控制器(PLC)產(chǎn)品，一般都具有PID控制功能，在一些PC系統(tǒng)中也具備這樣的功能，通過(guò)介紹可知PID控制器帶來(lái)了控制領(lǐng)域的重要變革，彰顯了強(qiáng)大的生命力。 但是在實(shí)際的工業(yè)場(chǎng)合有很多復(fù)雜的控制系統(tǒng)，比如有些大時(shí)滯、大慣性環(huán)節(jié)的存在，這個(gè)時(shí)候PID控制器的不足之處顯露無(wú)遺，如果以一組整定參數(shù)去調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)顯然不行，我們所熟悉的PID控制器能調(diào)節(jié)的很好的都是線性系統(tǒng)，被控對(duì)象的模型可以掌握的系統(tǒng)，所以單純的依靠PI

39、D控制器去調(diào)節(jié)一些時(shí)滯、慣性環(huán)節(jié)很大的系統(tǒng)是不可取的。由此驗(yàn)證了每種控制方法都有它的不足之處，PID控制也不例外。2.3Smith預(yù)估器2.3.1Smith預(yù)估原理Smith預(yù)估控制是瑞典科學(xué)家Smith于1957年提出的一種解決時(shí)滯系統(tǒng)控制問(wèn)題的預(yù)估控制方法，其控制基本思路是預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償控制，使被延遲了的被調(diào)量提前反映到調(diào)節(jié)器，并使之動(dòng)作，以此來(lái)減小超調(diào)量與加速調(diào)節(jié)過(guò)程Smith 預(yù)估控制的基本原理是: 引入一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)與被控對(duì)象并聯(lián)，用來(lái)補(bǔ)償被控對(duì)象中的純滯后部分，該環(huán)節(jié)稱為預(yù)估器。當(dāng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為時(shí)，預(yù)估器的傳遞函數(shù)為。圖2-4為補(bǔ)償后

40、的系統(tǒng)框圖,補(bǔ)償后的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為: (2-9)上式中，在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由拉普拉斯變換位移定理,只是將控制作用在時(shí)間軸上推移了一段時(shí)間，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程與性能指標(biāo)都與對(duì)象特性為G(s)時(shí)完全一樣。D(s) r(t) +e(t)u(t)y(t)+圖2-4 帶Smith預(yù)估器的系統(tǒng)框圖2.4基于Smith預(yù)估的數(shù)字PID控制器將Smith 預(yù)估器和PID 控制器結(jié)合，具有較強(qiáng)的魯棒性，能克服系統(tǒng)模型不確定性和外部干擾的影響。Smith 預(yù)估器能夠估計(jì)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使得被延遲了的被控變量能夠超前反映到PID 控制器，通過(guò)整定PID 控制器參數(shù)，可以減

41、小系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。將Smith 預(yù)估器和PID 控制器數(shù)字化，可以構(gòu)成如圖2-5所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。R(s) +D(z) -Y(z)ZOHT +T T T 圖2-5 結(jié)合Smith 預(yù)估器與PID控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖圖2-5中，ZOH 為零階保持器，其傳遞函數(shù)為: (2-10)并且有: = NT ( N 為正整數(shù)，T為采樣周期) 。D( z) 為PID 控制器，為Smith預(yù)估器。為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，為廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。第三章控制系統(tǒng)MATLAB仿真3.1MATLAB系統(tǒng)概述3.1.1MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB名字由MATrix和LABoratory兩詞的前三個(gè)字母組

42、合而成，由MathWorks公司開(kāi)發(fā)。MATLAB的核采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，除具有的數(shù)值計(jì)算功能外，還具備了數(shù)據(jù)圖視等功能。1980年美國(guó)Cleve Moler博士研制的MATLAB語(yǔ)言從它一誕生就引起了控制界學(xué)者的注目，它的簡(jiǎn)潔和高效對(duì)后來(lái)的控制理論以與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)起到了巨大的推動(dòng)作用。MATLAB是以復(fù)數(shù)矩陣作為基本編程單元的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它提供了各種矩陣的運(yùn)算操作，并具有較強(qiáng)的繪圖功能。MATLAB在應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。在國(guó)際學(xué)術(shù)界，MATLAB已經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件。隨著新版本的

43、不斷推出，MATLAB無(wú)論在界面上還是在容上都得到不斷完善，并擁有了很多應(yīng)用在控制領(lǐng)域的工具箱，MATLAB已經(jīng)成為當(dāng)今國(guó)際控制界應(yīng)用最廣也是最受人們喜愛(ài)的一種軟件環(huán)境。 MATLAB具有用法簡(jiǎn)易、可靈活運(yùn)用的特點(diǎn)，利用其豐富的函數(shù)資源，可使編程人員從繁瑣的代碼中解脫出來(lái)。MATLAB用更直觀、更符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C語(yǔ)言和FORTRAN語(yǔ)言的冗長(zhǎng)代碼，給用戶帶來(lái)的是最直觀、最簡(jiǎn)潔的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。MATLAB語(yǔ)言的主要特點(diǎn)如下：1) 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活。MATLAB程序的書(shū)寫(xiě)格式自由，數(shù)據(jù)的輸入、輸出語(yǔ)句簡(jiǎn)潔，很短的代碼就可以完成其他語(yǔ)言要使用大量代碼才能完成的復(fù)雜工作。2)

44、 數(shù)值算法穩(wěn)定可靠，庫(kù)函數(shù)十分豐富。MATLAB的一個(gè)最大特點(diǎn)是具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，它提供了許多調(diào)用十分方便的數(shù)學(xué)計(jì)算函數(shù)，使人們可以隨意使用而不必考慮數(shù)值的穩(wěn)定性。3) 運(yùn)算符豐富。MATLAB是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，所以MATLAB提供了和C語(yǔ)言幾乎一樣多、一樣豐富的運(yùn)算符，而且還重載了一些運(yùn)算符，給他們賦予了新的含義。4) MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句（if、for、while），又支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。5) 語(yǔ)法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。6) 程序的可移植性好。MATLAB程序幾乎不用修改就可以移植到其他的機(jī)型和操作系統(tǒng)中運(yùn)行。7) MATLAB的圖形功能強(qiáng)大，支持?jǐn)?shù)據(jù)的可視

45、化操作，方便的顯示程序的運(yùn)行結(jié)果。8) 具有強(qiáng)大的工具箱。MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分有幾百個(gè)核心部函數(shù)，工具箱則是由各個(gè)領(lǐng)域的高水平專家編寫(xiě)的，所以用戶不必編寫(xiě)該領(lǐng)域的基礎(chǔ)程序就可以直接進(jìn)行更高層次的研究。9) 源程序的開(kāi)放性、系統(tǒng)的可擴(kuò)充能力強(qiáng)。除了部函數(shù)外，所有的MATLAB核心文件和工具箱文件都提供了MATLAB源文件，用戶可通過(guò)對(duì)源文件的修改生成自己所需要的工具箱。10) MATLAB是解釋執(zhí)行語(yǔ)言。MATLAB程序不用編譯生成可執(zhí)行文件就可以運(yùn)行，解釋執(zhí)行時(shí)程序的執(zhí)行速度慢，效率比C等高級(jí)語(yǔ)言低，而且無(wú)法脫離MATLAB環(huán)境運(yùn)行MATLAB程序，這

46、是MATLAB的缺點(diǎn)。但是MATLAB的編程效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的高級(jí)語(yǔ)言，這使人們可以把大量的時(shí)間花費(fèi)在對(duì)控制系統(tǒng)的算法研究上，而不是浪費(fèi)在大量的代碼上。3.1.2MATLAB集成環(huán)境的組成MATLAB是一個(gè)軟件平臺(tái)，而不僅僅是一門(mén)語(yǔ)言，下面簡(jiǎn)單介紹它的組成。 1)MATLAB語(yǔ)言。2)MATLAB工作環(huán)境。包括程序編輯器、變量查看器、系統(tǒng)仿真器。 3)MATLAB圖形系統(tǒng)。用MATLAB的圖形句柄，可以實(shí)現(xiàn)二維、三維數(shù)據(jù)的可視化、圖像處理，也可以完全或局部修改圖形窗口，還可以方便地設(shè)計(jì)圖形界面。4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)。5)MATLAB API.這是MATLAB的應(yīng)用程序接口，它提供了MAT

47、LAB和C語(yǔ)言、FORTRAN語(yǔ)言之間的接口程序庫(kù)，使用戶可以在C、FORTRAN程序里調(diào)用MATLAB程序。3.2Simulink仿真基礎(chǔ)作為MATLAB的重要組成部分，Simulink具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法，它是對(duì)基于信號(hào)流圖的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、建模和分析的軟件包，它不但支持連續(xù)、線性系統(tǒng)的仿真，而且也支持離散、非線性系統(tǒng)的仿真。Simulink提供了對(duì)系統(tǒng)信號(hào)流圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺(tái)，通過(guò)Simulink模塊庫(kù)建立系統(tǒng)的仿真模型，可直觀、方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。3.2.1Simulink的基本操作1.運(yùn)行Simulink運(yùn)行Simulink有三種方式：1） 在MATLAB的命令窗口

48、直接鍵入“Simulink”并回車(chē)；2） 單擊MATLAB工具條上的Simulink圖標(biāo)；3） 在MATLAB菜單上選FileNewModel。運(yùn)行后會(huì)顯示如圖3-1所示的Simulink模塊庫(kù)瀏覽器，單擊工具條左邊建立新模型的快捷方式，則顯示如圖3-2所示的新建模型窗口，在模型窗口中用戶可通過(guò)選擇模塊庫(kù)中的仿真模塊，建立自己的仿真模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。圖3-1Simulink模塊庫(kù)瀏覽器圖3-2新建模型窗口2.常用的標(biāo)準(zhǔn)模塊打開(kāi)simulink模塊庫(kù)窗口的方法非常簡(jiǎn)單，以連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)（continuous）為例，在Simulink模塊庫(kù)瀏覽窗口中選中Simulink，然后單擊鼠標(biāo)右鍵，這時(shí)

49、會(huì)在鼠標(biāo)指針的位置彈出一行上下文菜單，用鼠標(biāo)左鍵單擊open theSimulinkLibrary項(xiàng)，出現(xiàn)Simulink基本庫(kù)窗口，并選擇continuous模塊庫(kù)的圖標(biāo)雙擊即可進(jìn)入連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)，并選擇相應(yīng)的模塊圖標(biāo)拖至編輯窗口。3.2.2系統(tǒng)仿真與參數(shù)設(shè)置在Simulink中建立起系統(tǒng)模型框圖后，運(yùn)行菜單SimulationStarti就可以用Simulink對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真了。一般在仿真運(yùn)行前需要對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)行菜單SimulationParameters完成設(shè)置，如圖3-3所示。圖3-3Solver設(shè)置1.算法設(shè)置（Solver）在Solver里需要設(shè)置仿真起始和終止時(shí)間、

50、選擇合適的解法（Solver），并指定參數(shù)、設(shè)置一些輸出選擇。(1) 設(shè)置起始時(shí)間和終止時(shí)間（Simulation time）選擇菜單SimulationStart time設(shè)置起始時(shí)間，而選擇菜單Stop time設(shè)置終止時(shí)間，單位為“s”。(2)算法設(shè)置（Solver options） 1)算法類型設(shè)置：仿真的主要過(guò)程一般是求解常微分方程組，選擇菜單Solver optionsType用來(lái)選擇仿真算法的類型是變化的還是固定的。變步長(zhǎng)解法可以在仿真過(guò)程中根據(jù)要求調(diào)整運(yùn)算步長(zhǎng)，在采用變步長(zhǎng)解法時(shí)，應(yīng)該先指定一個(gè)容許誤差限（Relative tolerance 或 Absolute tolera

51、nce）,使得當(dāng)誤差超過(guò)誤差限時(shí)自動(dòng)修正仿真步長(zhǎng)：最大步長(zhǎng)=（終止時(shí)間-起始時(shí)間）/50.選取定步長(zhǎng)解法時(shí)，通過(guò)選擇菜單ModeMultiTasking、SingTasking和auto來(lái)選擇模型類型，其中多任務(wù)模型指模型中的有些模塊具有不同的采樣速率，并對(duì)模塊間的采樣速率傳遞進(jìn)行檢測(cè)。單一任務(wù)模型的各個(gè)模塊采樣速率是一樣的，不檢測(cè)采樣速率的傳遞，auto則根據(jù)模型中模塊的采樣速率是否一樣決定采用單一任務(wù)模型還是多任務(wù)模型。(3)設(shè)置輸出選項(xiàng)對(duì)同樣的信號(hào)，選擇不同的輸出選項(xiàng)，則得到輸出設(shè)備上的信號(hào)是不完全一樣的。要根據(jù)需要選擇合適的輸出選項(xiàng)以達(dá)到滿意的輸出效果。2.工作空間設(shè)置工作空間設(shè)置窗口

52、可以設(shè)置Simulink和當(dāng)前工作空間的數(shù)據(jù)輸入、輸出。通過(guò)設(shè)置，可以從工作空間輸入數(shù)據(jù)、初始化狀態(tài)模塊，也可以把仿真結(jié)果、狀態(tài)變量、時(shí)間數(shù)據(jù)保存到當(dāng)前工作空間。(1)從工作空間讀入數(shù)據(jù)Simulink通過(guò)設(shè)置模型的輸入端口，實(shí)現(xiàn)在仿真過(guò)程中從工作空間讀入數(shù)據(jù)，常用的輸入端口模塊為信號(hào)與系統(tǒng)模塊庫(kù)中的In1模塊。設(shè)置的方法是選中input前的復(fù)選框，并在后面的編輯框鍵入輸入數(shù)據(jù)的變量名，并可以用命令窗口或M文件編輯器輸入數(shù)據(jù)。Simulink根據(jù)輸入端口參數(shù)中設(shè)置的采樣時(shí)間讀取輸入數(shù)據(jù)。(2)保存數(shù)據(jù)到工作空間可以選擇保存的選項(xiàng)有：時(shí)間、端口數(shù)出、狀態(tài)、最終狀態(tài)。選中選項(xiàng)前面的復(fù)選框并在選項(xiàng)后

53、面的編輯框輸入變量名，就會(huì)把相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存到指定的變量中。常用的輸出模塊為信號(hào)與系統(tǒng)模塊庫(kù)中的Out1模塊和輸出方式庫(kù)中的To Workspace模塊。(3)初始化狀態(tài)模塊 狀態(tài)化模塊初始化的方法有兩種：使用模塊本身的參數(shù)設(shè)置和從工作空間讀入。用于初始化狀態(tài)變化中的元素個(gè)數(shù)要和狀態(tài)模塊數(shù)目一致，而且當(dāng)從空間載入數(shù)據(jù)時(shí)，模塊本身的參數(shù)設(shè)置初始值無(wú)效。第四章電加熱管溫度控制系統(tǒng)的Smith預(yù)估算法仿真4.1硬件結(jié)構(gòu)4.1.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電加熱管、測(cè)量元件和變送器。圖4-1為本實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)框圖。控制器D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象A/D變送器測(cè)量元件

54、r(t) +e(t)y(t)圖4-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖控制器由控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，D/A 和A/D的功能由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為PWM變換器，被控對(duì)象為電加熱管（可等效為一階純滯后對(duì)象），測(cè)量元件為熱電阻，變送器將熱電阻的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為010V的電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡采用研華的PCI-1711板卡，具有16通道的模擬量/數(shù)字量輸入，16通道數(shù)字量輸出。2通道模擬量輸出，采樣頻率最高可達(dá)100KHz。數(shù)據(jù)采集卡插在控制計(jì)算機(jī)的板卡上，通過(guò)信號(hào)線連接至被控平臺(tái)的相應(yīng)信號(hào)端。圖4-2 計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備圖 圖4-3電加熱管4.1.2電加熱管對(duì)象特性的測(cè)取響應(yīng)曲線法是工業(yè)過(guò)程中較為常用的系統(tǒng)辨識(shí)的方法。使被控過(guò)程的控制輸入產(chǎn)生一個(gè)階躍變化，將被控量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線記錄下來(lái)，再根據(jù)記錄的響應(yīng)曲線來(lái)求取過(guò)程輸出與輸入之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)中采用階躍響應(yīng)曲線法測(cè)取電加熱管的對(duì)象特性。給定電加