基于大林算法的電阻爐一階系統(tǒng)溫度控制

1、摘要介紹了將達(dá)林算法用于電阻爐溫度的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)、原理。闡述了大林算法作為一種直接數(shù)字設(shè)計(jì)法，適用于被控對(duì)象為滯后的系統(tǒng)。電阻爐作為工業(yè)爐窯中的一種常用加熱設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。對(duì)電阻爐溫度控制精確與否將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)爐門(mén)、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過(guò)程，傳統(tǒng)的電阻爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的模型基礎(chǔ)上，難以保證加熱工藝要求。本文將PID控制算法引入到傳統(tǒng)的電阻爐控制系統(tǒng)中，借此提高其控制效果。設(shè)計(jì)一個(gè)控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定的電阻爐溫度控制系統(tǒng)是很有必要的。仿真結(jié)果表明,該算法優(yōu)于常規(guī)PID算法，是一種較好的

2、控制算法。關(guān)鍵詞：爐溫控制、PID算法、大林算法AbstractTliepaperintroducesDalilinAlgoritlunusedinresistancefiirnace'steniperatiirecomputercontrolsystem.DalilinAlgoritlunisadirectdigitaldesignmethocLitadaptstotheplantwithdelay.Resistancefimiacewaswidelyusedinindustrialproduction,theeffectofthetemperaturecontrolofResist

3、ancefimiacehasadirectimpactonproductqualityandproductivity.Tlierefore,thedesignofahigli-precisioncontrolandstableoperationoftheresistancefimiacetemperahnecontrolsystemhasaliigliapplicationvalue.SimulationsshowtliismethodisbetterthanordinaiyPIDalgorithm,itisagoodcontrolmethod.Keywordsifuinace,stemper

4、ature;DahlinAlgorithm;PIDcontrol;目錄第1章結(jié)論111電阻爐的簡(jiǎn)介11.2電阻爐溫度控制研究的目的及意義213電阻爐溫度控制系統(tǒng)的研究狀況21 3.1國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀313.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀314本論文的設(shè)計(jì)任務(wù)3第2章控制系統(tǒng)分析52 1被控對(duì)象分析52.1.1 純滯后介紹52.1.2 控制器分析52.2PID算法612.1 數(shù)字PID控制器712.2 2數(shù)字PID的參數(shù)整定813大林算法9第3章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真123.1 PID控制器控制下的系統(tǒng)仿真123.2 大林控制算法下的系統(tǒng)仿真153.3 大林控制算法和PID控制器的比較16第4章振鈴現(xiàn)象及擾動(dòng)分析18

5、41振鈴現(xiàn)象184.2擾動(dòng)下的系統(tǒng)性能分析18第5章課程設(shè)計(jì)心得19參考文獻(xiàn)20第1章緒論1.1 電阻爐的簡(jiǎn)介我們所講的普通電阻加熱爐屬于工業(yè)爐，而非是鍋爐，常見(jiàn)的鍋爐不屬于此類高溫匚業(yè)爐范疇,鍋爐屬于能源轉(zhuǎn)化設(shè)備,例如：采暖鍋爐是將煤轉(zhuǎn)化為熱能。而工業(yè)爐是利用其它能源對(duì)工件或物料進(jìn)行加熱，以達(dá)到對(duì)工件或物料進(jìn)行處理的目的。例如：為改善機(jī)械零件性能的熱處理爐，需要對(duì)特殊零件進(jìn)行焊接的釬焊爐，對(duì)粉末冶金類零件進(jìn)行燒結(jié)的燒結(jié)爐等等。相關(guān)這些爐子一般稱為工業(yè)爐。根據(jù)工業(yè)爐所用能源供給形式通常分為兩類:一是燃料加熱爐，二是電阻加熱爐。獲得高溫的設(shè)備一般稱高溫爐，現(xiàn)在使用高溫爐的能源大部分是電能。由于當(dāng)

6、前全球環(huán)境不斷惡化的要求，各國(guó)限制C02的排放幾乎成為共識(shí)，因此對(duì)于使用燃?xì)獾墓I(yè)爐而言，其發(fā)展前景喑淡，所以一般高溫爐在某種實(shí)際意義上就是指電阻加熱爐。根據(jù)加熱方式的不同，電爐乂分為電阻爐、電弧爐、電子束爐等等。其中用得比較多的是電阻爐。依據(jù)爐內(nèi)氣氛，乂細(xì)分出了氧化性氣氛狀態(tài)下的電阻爐、真空狀態(tài)下的真空電阻爐、氣氛狀態(tài)下的可控氣氛電阻爐、流動(dòng)粒子爐等等。工業(yè)電阻爐一般由爐襯部分即隔熱+耐火層、爐架、加熱元件、測(cè)溫及控溫系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機(jī)械傳達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)流系統(tǒng)等部分組成，無(wú)論哪種形式，它們結(jié)構(gòu)基本一致。在材料燒結(jié)、熱處理等工藝過(guò)程中，溫度控制是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞

7、。實(shí)驗(yàn)室人員根據(jù)材料的燒成制度來(lái)調(diào)節(jié)阻爐的輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐的溫度控制。一般的有兩種方法：第一種就是手動(dòng)調(diào)壓法，第二種控制方法在主回路中采取雙向可控硅裝置.，并結(jié)合一些簡(jiǎn)單的儀表，使得保溫階段能夠自動(dòng)，但這兩種方法的升溫過(guò)程都是依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，并不能精確的按照給定的升降溫的速度來(lái)調(diào)節(jié)。本文提出的基于大林算法的電阻爐（一階系統(tǒng)）溫度控制的系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠，大大提高了控制質(zhì)量及自動(dòng)化水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)電阻爐一般由爐襯部分即隔熱+耐火層、爐架、加熱元件、測(cè)溫及控溫系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、機(jī)械傳達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)流系統(tǒng)等部分組成，無(wú)論那種形式，它們結(jié)構(gòu)基本一致。如圖i-i所示。1.2 電阻爐溫度控制

8、研究的目的及意義電阻爐在化匚、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制精度低。常規(guī)的溫度控制方法以設(shè)定溫度為臨界點(diǎn)，超出設(shè)定允許范圍即進(jìn)行溫度調(diào)控：低于設(shè)定值就加熱，反之就停止或降溫。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、容易引起震蕩，達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的時(shí)間也長(zhǎng)，因此，只能用在精度要求不高的場(chǎng)合。電加熱爐是典型的工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。電加熱爐的溫度控制具有升溫單向性，大慣性，大滯后，時(shí)變性等特點(diǎn)。其升溫、保溫是依靠電阻絲加熱，降溫則是

9、依靠環(huán)境自然冷卻。當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無(wú)法用控制手段使其降溫，因而很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型和確定參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論和方法難以達(dá)到理想的控制。在溫度控制技術(shù)領(lǐng)域中，普通采用PID控制算法。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(dòng)、靜兩方面的性能，而且多參數(shù)整定也很難實(shí)現(xiàn)最佳控制。若采用大林算法，可做到無(wú)或者小超調(diào)，無(wú)或小穩(wěn)態(tài)誤差。大林算法是運(yùn)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域中的一種算法，是一種先設(shè)計(jì)好閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)再反過(guò)來(lái)綜合調(diào)節(jié)器的方法。設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器（算法）使閉環(huán)系統(tǒng)的特性為具有時(shí)間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時(shí)間與被控對(duì)象的滯后時(shí)間相同。此算法具有消除余差、對(duì)純滯后有補(bǔ)償作用等特點(diǎn)。

10、本設(shè)計(jì)主要采用大林算法來(lái)實(shí)現(xiàn)爐溫控制，并與PID算法進(jìn)行比較。1.3 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的研究狀況1.3.1際發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)自6。年代計(jì)算機(jī)進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，國(guó)外許多國(guó)家就開(kāi)始了網(wǎng)帶式電阻爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制的研究及應(yīng)用。70年代中后期，國(guó)際上對(duì)網(wǎng)帶式電阻爐數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)優(yōu)化控制策略的研究日益活躍，控制系統(tǒng)在網(wǎng)帶式電阻爐上的應(yīng)用不斷完善。80年代末期，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，己普遍實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)帶式電阻爐計(jì)算機(jī)雙級(jí)控制，且將各種先進(jìn)的智能控制方法應(yīng)用于溫度控制,在爐溫控制中取得了良好的控制效果。在大型分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大多采用具有各種智能控制算法和通信功能的溫度控制單回路調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。1.3

11、.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)從8。年代初開(kāi)始進(jìn)入網(wǎng)帶式電阻爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制應(yīng)用階段。多年來(lái),我國(guó)的科學(xué)工作者進(jìn)行了大量的卓有成效的研究工作，取得了許多重要的研究成果。將數(shù)學(xué)模型與爐溫控制相結(jié)合，引入人工智能的方法，在電阻爐上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制。與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的電阻爐計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制理論水平已趕上國(guó)際先進(jìn)水平，但起步晚，并且發(fā)展十分不平衡。電阻爐的自動(dòng)控制，它是微機(jī)軟、硬件自動(dòng)控制、電阻爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，無(wú)論是基地式儀表階段，還是單元組合式儀表階段，都是利用各種儀表對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)節(jié)、控制。對(duì)于較復(fù)雜的系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制精度不高。爐子的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)在電阻爐的生產(chǎn)

12、運(yùn)行中具有關(guān)鍵作用。采用微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)不但能真實(shí)反映爐內(nèi)熱匚參數(shù)的變化，還有利于實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的H動(dòng)調(diào)節(jié)，可從根本上克服其調(diào)節(jié)精度差、可靠性不高的缺點(diǎn)。此類系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠、維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)，而且可以采用先進(jìn)的控制算法以進(jìn)一步提高控制性能和控制精度，取得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗和少污染的效果。L4本論文的設(shè)計(jì)任務(wù)基于大林算法的電阻爐（一階系統(tǒng)）溫度控制系統(tǒng)帶有純滯后的電阻爐溫度模型可由純滯后環(huán)節(jié)與一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)描述其中K=15,=320,。=36,采樣周期T=6,期望閉環(huán)傳遞函數(shù)為：=zs+1其中二12°,電阻爐的溫度設(shè)定為800（。設(shè)計(jì)控制器是系統(tǒng)滿足：調(diào)整時(shí)間44800s,超調(diào)量

13、bp<1。,穩(wěn)態(tài)誤差e,<2。工作要求：（1）杳找資料，描述電阻爐的基本情況；（2）設(shè)計(jì)大林控制算法，用Simiilink實(shí)現(xiàn)：（3）設(shè)計(jì)傳統(tǒng)PID控制器，并將二者算法進(jìn)行比較；（4）分析系統(tǒng)是否存在振鈴現(xiàn)象，若存在試消除振鈴；（5）改變模型結(jié)構(gòu)，考察模型擾動(dòng)下系統(tǒng)性能變化情況：（6）按照格式和設(shè)計(jì)內(nèi)容寫(xiě)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)心得。第2章控制系統(tǒng)分析2.1 被控對(duì)象分析電阻爐控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，帶有純滯后的電阻爐溫度模型可由純滯后環(huán)節(jié)與一階系統(tǒng)串聯(lián)描述：qs+1本控制系統(tǒng)具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、控制精度低。2.1.1

14、純滯后介紹對(duì)于純滯后環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入一個(gè)信號(hào)后它的輸出不會(huì)立即有反應(yīng)，而是經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才會(huì)反應(yīng)出來(lái)，而且輸入和輸出在數(shù)值上相同，僅是在時(shí)間上有一定的滯后，稱這段時(shí)間為純滯后時(shí)間，常用了表示。由電阻爐溫度控制系統(tǒng)的溫度模型：我們可以看出，本次控制對(duì)象的純滯后時(shí)間工=320so2.1.2 控制器分析C(T)k圖2-1大林算法設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖大多數(shù)工業(yè)對(duì)象具有較大的純滯后時(shí)間，可以近似用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)來(lái)表示，其傳遞函數(shù)為一階對(duì)象：G0(s)=手;，大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)4(S)相當(dāng)廣一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即（S）=總+1,其中。=NT,并希

15、望整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間和被控對(duì)象的純滯后時(shí)間相同。其中為閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，本電阻爐溫度模型的控制對(duì)象為一階對(duì)象：G(s)=入s+1320s+1根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。首先是大林算法的，根據(jù)介紹大林算法過(guò)程中所得到的：(z)=(1一十八)(17/£)k(l-e-T/rO1-e-z-1-(1-e-T/r)z-(1I+1)進(jìn)行數(shù)據(jù)代入,K=15,T=6,N=7,=120,T=320,代入后算出D（Z）的最終表達(dá)式：48.8-47.892322T279-265.3848z-1-13.6152z-72.2PID算法根據(jù)偏差的比例（P）、積分（D、微分（D）進(jìn)行控制（簡(jiǎn)稱PID控制

16、），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到滿意的效果。不過(guò)，用計(jì)算機(jī)'丈現(xiàn)PID控制，不是簡(jiǎn)單地把模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合，使PID控制更加靈活，更能滿足生產(chǎn)過(guò)程提出的要求。它的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-2PID結(jié)構(gòu)圖PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用分析：（1）比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一月出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。(2)積分調(diào)節(jié)作用：是

17、使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，枳分調(diào)節(jié)輸出一個(gè)常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。(3)微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系

18、統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。PID控制器有簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)，在實(shí)際工作中乂較易于整定，因此在工業(yè)過(guò)程控制中有最廣泛的應(yīng)用。221數(shù)字PID控制器在連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問(wèn)題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法。當(dāng)采樣周期足夠小時(shí)，在模擬調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值逼

19、近的方法，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭Ｓ眠@種近似方法，可以得到以下兩種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字PID控制算法。1、數(shù)字PID位置型控制算法此式表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k),所以被稱為數(shù)字PID位置型控制算法。2、數(shù)字PID增量型控制算法由上式可以看出，位置型控制算法不夠方便，這是要累積偏差e(j),它不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫(xiě)程序，為此可以對(duì)其進(jìn)行如下修改。根據(jù)上式不難寫(xiě)出u(k-i)的表達(dá)式，即u(k-1)=Kve優(yōu)-1)+(2e(j)+Td-'+gJ-0/讓兩式相減，即得到數(shù)字PID增量型控制算法為u(A)=必)-必-1)=Ae

20、(A)-ek-1)+K】e(k)+%卜。)-2e(k-1)4-e(k-2)式中Q比例增益：T4=K,積分系數(shù)；A=&J微分系數(shù)。2.2.2數(shù)字PID的參數(shù)整定數(shù)字PID控制器參數(shù)整定的任務(wù)是確定Kp、Ki、Kd和采樣周期T。1、采樣周期的選擇從Shannon采樣定理可知，只有當(dāng)采樣頻率達(dá)到系統(tǒng)信號(hào)最高頻率的兩倍或兩倍以上，才能使采樣信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)原來(lái)的信號(hào)。選擇采樣周期T,一般考慮以下因素：采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多。采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)的周期。當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)按純滯后大小選擇T?？紤]執(zhí)行器的響應(yīng)速度，T應(yīng)大于執(zhí)行器的響應(yīng)速度。2、PID參數(shù)的工程整定法(1

21、)擴(kuò)充臨界比例度法選擇合適的采樣周期。投入純比例控制，逐漸增大比例系數(shù)Kp,使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。選擇控制度?？刂贫榷x為：數(shù)字控制系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的模擬控制系統(tǒng)誤差平方的積分之比，即9minJr2(fit控制度=?也minJ/求出采樣周期T,比例系數(shù)Kp,積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Tdo（2）湊試法首先整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，并且對(duì)響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)先將積分時(shí)間設(shè)定到一個(gè)比較大的值，然

22、后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略為縮?。ㄒ话憧s小為原值的。.8）,然后減小積分時(shí)間，使得系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過(guò)程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反友改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。如果在上述調(diào)整過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程反復(fù)調(diào)整還不能得到滿意的結(jié)果,則可以加入微分環(huán)節(jié)。首先把微分時(shí)間D設(shè)置為o,在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。2.3大林算法在一些實(shí)際工程中，經(jīng)常遇到純滯后調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們的滯后時(shí)間比較長(zhǎng)。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，往往允許系統(tǒng)存在適當(dāng)?shù)某{(diào)量，以盡可能地縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。人們更感興趣的

23、是要求系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量或只有很小超調(diào)量，而調(diào)節(jié)時(shí)間則允許在較多的采樣周期內(nèi)結(jié)束。也就是說(shuō)，超調(diào)是主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，用一般的隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是不行的，用PID算法效果也欠佳。針對(duì)這一要求，IBM公司的大林（Dahlin）在1968年提出了一種針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中含有純滯后對(duì)象的控制算法。其目標(biāo)就是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。該算法具有良好的控制效果。大林算法中D（z）的基本形式設(shè)被控對(duì)象為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：其中、%為被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，夕=NT為被控對(duì)象的純延遲時(shí)間，為了簡(jiǎn)化，設(shè)其為采樣周期的整數(shù)倍，即N為正整數(shù)。由于大林算法的設(shè)計(jì)目

24、標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即ee(s)=,其中6=NTzs+1由于一般控制對(duì)象均與一個(gè)零階保持器相串聯(lián)，所以相應(yīng)的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)是BZ)=z三£STS+1于是數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為。=(Z)1-(z)G(z)1-e-7/fz-x-(1-D(z)可由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。由上式可知，它與被控對(duì)象有關(guān)。下面對(duì)一階純滯后環(huán)節(jié)進(jìn)行討論。一階慣性環(huán)節(jié)的大林算法的D(z)基本形式當(dāng)被控對(duì)象是帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，由改式的傳遞函數(shù)可知：G°(s)=z;S+1其脈沖傳遞函數(shù)為:i_Q-r$C(z)=Z一G0(s)=Zss(qs+1)A(

25、l-產(chǎn)”*)-1_產(chǎn)3-將此式代入:D(z)=(z)1-6(z)負(fù)z)1-e-T,tz-(1-/，)z-("TG(z)可得:(Z)_(le-T")zrNN)- 1-e-T,rz-1-a-G(z)_Q_e-T")Q_e-ThzT)- k(l-e'T,ri)l-e-T,rz-1=(i-eT-)(13")-k(l-e-T/ri)1-ez-1-(1-e-T/f)z-(H+1)式中：T采樣周期：I被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；T閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)由此，我們可以設(shè)計(jì)出控制器的傳遞函數(shù)，利用MATLAB工具在SIMULINK里畫(huà)出整個(gè)控制系統(tǒng)，給定一個(gè)幅值的階躍信號(hào)就可

26、得到整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。第3章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行參數(shù)的填入，如圖所示：設(shè)置控制溫度為800C,系統(tǒng)時(shí)間周期為6,時(shí)間常數(shù)為320,最后得到大林算法與PID控制的Simulink圖，并對(duì)其進(jìn)行比較分析。3.1 PID控制器控制下的系統(tǒng)仿真將控制對(duì)象G(s)=七二=-輸入，在Simulink環(huán)境下建立zs+1320s+1如圖3-1所示的結(jié)構(gòu)圖(傳統(tǒng)PID控制)，得到被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性如圖所示:圖3T傳統(tǒng)PID控制算法的Simulink仿真方框圖令Kp=0.2,Ki=0.0008,Kd=0時(shí)圖3-2傳統(tǒng)PID控制算法時(shí)的仿真圖從仿真圖可以看出，溫度控制系統(tǒng)可以達(dá)到指定電阻爐溫度

27、，但是有一定的超調(diào)，和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間600s超調(diào)量5%穩(wěn)態(tài)誤差W2c(2)令&=0.173,Ki=0.0007,Kd=0時(shí)得圖3-3傳統(tǒng)PID控制算法時(shí)的仿真圖從仿真圖可以看出，溫度控制系統(tǒng)可以達(dá)到指定電阻爐溫度，但是有一定的超調(diào)，和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間700s超調(diào)量6.25%穩(wěn)態(tài)誤差W2c(3)令&二0.15,K,=0.000787,KD=0時(shí)得圖3-4傳統(tǒng)PID控制算法時(shí)的仿真圖從仿真圖可以看出，溫度控制系統(tǒng)可以達(dá)到指定電阻爐溫度，但是有一定的超調(diào)，和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間750s超調(diào)量10%穩(wěn)態(tài)誤差W2c(4)令根=0.3,Ki=0.0009,KD=0時(shí)得

28、SOO圖3-5傳統(tǒng)PID控制算法時(shí)的仿真圖從仿真圖可以看出，溫度控制系統(tǒng)可以達(dá)到指定電阻爐溫度，有一定的超調(diào),但調(diào)節(jié)時(shí)間較短。調(diào)節(jié)時(shí)間220s超調(diào)量7.5%穩(wěn)態(tài)誤差W2c(5)令&=0.173,Ki=0.0007,KD=0時(shí)得圖3-6傳統(tǒng)PID控制算法時(shí)的仿真圖從仿真圖可以看出，溫度控制系統(tǒng)可以達(dá)到指定電阻爐溫度，但是有一定的超調(diào)，而且調(diào)節(jié)時(shí)間比較適合。調(diào)節(jié)時(shí)間400s超調(diào)量6.25%穩(wěn)態(tài)誤差W2C3.2 大林控制算法下的系統(tǒng)仿真根據(jù)由2.2中分析得到的D(Z)函數(shù)式，代入：z48.8-47.89232z-1D(z)=z279-265.3848Z-1-13.6152z-將控制對(duì)象輸入:

29、張“上1人qs+1320s+1在Simulink環(huán)境下建立如圖3-7所示的結(jié)構(gòu)圖(大林控制)，得到被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性如圖3出所示：圖3-7大林控制算法的Simulink仿真方框圖圖3-8大林控制算法的控制器輸出U(z)仿真圖從該仿真圖可以看出，溫度控制系統(tǒng)的控制器輸出是離散的。IT圖3-9大林控制算法時(shí)的仿真圖從達(dá)林算法仿真圖可以看出，溫發(fā)控制系統(tǒng)可以達(dá)到指定電阻爐溫度，沒(méi)有超調(diào)，而且調(diào)節(jié)時(shí)間比較適合。調(diào)節(jié)時(shí)間600s超調(diào)量0%穩(wěn)態(tài)誤差W2CKe-%G(s)=將控制對(duì)象3.3 大林控制算法和PID控制器的比較RS+1輸入，在Simulink環(huán)境下建立如圖3-8所示的結(jié)構(gòu)圖(傳統(tǒng)PID控制與大林

30、算法比較)，得到被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性如圖3-8所示：atpiStepsScopo圖3-10傳統(tǒng)PID控制與大林算法比較的Simulink仿真方框圖圖3-11傳統(tǒng)PID控制與大林算法比較的Simulink仿真圖設(shè)計(jì)控制器是系統(tǒng)滿足：調(diào)整時(shí)間匕4800s,超調(diào)量<1°小，穩(wěn)態(tài)誤差4<20CSA大林算法適合用于沒(méi)有超調(diào)或較小的超調(diào)，而對(duì)快速性要求不高的場(chǎng)合。需要消除振鈴現(xiàn)象。PID算法PID控制多年來(lái)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(wèn)題上具有很好的應(yīng)用。PID的調(diào)整時(shí)間，動(dòng)態(tài)性能都很好。但是PID也有需要改進(jìn)的地方。改進(jìn)：積分項(xiàng)的改進(jìn)在PID控制中，積分作

31、用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是很多時(shí)候積分作用乂會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)間震蕩。具體的改進(jìn)有（1）積分項(xiàng)的改進(jìn)有積分分離法抗積分飽和法（2）微分項(xiàng)的改進(jìn)有不完全微分PID控制算法微分先行PID控制算法在PID控制算法中，存在靜差，是有差調(diào)節(jié)，對(duì)于擾動(dòng)較大，且慣性也較大的系統(tǒng)，若采用單純的比例調(diào)節(jié)，則很難兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性仿真結(jié)果。說(shuō)明采用大林算法可顯著減小超調(diào)，也可做到很小的穩(wěn)態(tài)誤差。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們可以看出，大林算法的輸出不僅是以偏差為依據(jù)的，還和前N次的輸出有關(guān)，但所起的作用不盡相同。大林算法由于參考了歷史輸出情況，且滯后越大，參考時(shí)間越長(zhǎng)，因此能更有效

32、的抑制超調(diào)。可見(jiàn)大林算法的適應(yīng)能力很強(qiáng)，跟蹤速度比較快，是具有較大滯后對(duì)象的一種較理想的控制算法。第4章振鈴現(xiàn)象及擾動(dòng)分析4.1 振鈴現(xiàn)象如果信號(hào)傳輸過(guò)程中感受到阻抗的變化，就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。這個(gè)信號(hào)可能是驅(qū)動(dòng)端發(fā)出的信號(hào)，也可能是遠(yuǎn)端反射回來(lái)的反射信號(hào)。根據(jù)反射系數(shù)的公式，當(dāng)信號(hào)感受到阻抗變小，就會(huì)發(fā)生負(fù)反射,反射的負(fù)電壓會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生下沖。信號(hào)在驅(qū)動(dòng)端和遠(yuǎn)端負(fù)載之間多次反射，其結(jié)果就是信號(hào)振鈴。大多數(shù)芯片的輸出阻抗都很低，如果輸出阻抗小于PCB走線的特性阻抗，那么在沒(méi)有源端端接的情況下，必然產(chǎn)生信號(hào)振鈴。此次大林算法控制仿真中并未出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。4.2 擾動(dòng)下的系統(tǒng)性能分析如圖5-1所示，在

33、正弦擾動(dòng)信號(hào)下分析系統(tǒng)性能變化情況，正弦擾動(dòng)信號(hào)幅值設(shè)置為100。圖4-1正弦擾動(dòng)信號(hào)卜.的大林控制算法的Siirrulink仿真方框圖圖4-2正弦擾動(dòng)信號(hào)下的大林控制算法的Simulink仿真圖如上圖所示，在正弦擾動(dòng)信號(hào)下，電阻爐溫度控制系統(tǒng)將不維持穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。第5章課程設(shè)計(jì)心得本文首先介紹了電阻，進(jìn)而介紹其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，導(dǎo)出大林算法和PID控制器及其算法。從而引出我們對(duì)這兩種控制算法的理解和仿真具有重大意義,介紹了這兩種控制技術(shù)的發(fā)展歷史和研究進(jìn)展。進(jìn)而提出什么是大林算法，什么是PID控制算法、控制算法的基本結(jié)構(gòu)。通過(guò)網(wǎng)上資料找到了大林算法的定義及由來(lái)，找到普通PID控制算法。在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，自定義了自由導(dǎo)入?yún)?shù)來(lái)查看其波形圖。并進(jìn)行了在同參數(shù)的情況下，對(duì)大林算法和PID控制器算法進(jìn)行對(duì)比。本次課程設(shè)計(jì)的控制方法知識(shí)規(guī)則的推