課程設(shè)計(jì)-基于模型滯后的控制設(shè)計(jì)

1引言1.1課題背景

在多數(shù)工業(yè)過程當(dāng)中,控制對(duì)象普遍存在著純時(shí)間滯后現(xiàn)象,如化工,熱工過程等.這種滯后時(shí)間的存在,會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,滯后嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性,在工業(yè)生產(chǎn)上產(chǎn)生事故.因此長(zhǎng)期以來(lái),純滯后系統(tǒng)就一直是工業(yè)過程中的難控制對(duì)象,人們也對(duì)它進(jìn)行了大量的研究.在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和理論研究中出現(xiàn)了多種控制方法,如PID控制、PID改進(jìn)控制、Smith預(yù)估算法控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等.而對(duì)于最基礎(chǔ)的一階純滯后系統(tǒng)常用的控制方法主要是PID控制、微分先行控制、中間微分反饋控制、史密斯補(bǔ)償控制等1.2課題綜述

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中自動(dòng)控制技術(shù)起著越來(lái)越重要的作用.自動(dòng)控是指在沒有人直接參與的情況下,利用外加的設(shè)備或裝置(稱控制裝置或控制器),使機(jī)器,設(shè)備或生產(chǎn)過程(統(tǒng)稱被控對(duì)象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控制量)自動(dòng)的按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行的控制技術(shù).

為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù),首先要根據(jù)設(shè)計(jì)要求將被控制對(duì)象和控制裝置按照一定的控制方式連接起來(lái),組成一個(gè)有機(jī)的總體,這就是自動(dòng)控制系統(tǒng).在自動(dòng)控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的輸出量即被控量是要嚴(yán)格加以控制的物理量,它可以要求保持為某一恒定值,例如溫度,壓力或飛行規(guī)跡等;而控制裝置則是對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體,它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,但最基本的一種是基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng).

在反饋控制系統(tǒng)中,控制裝置對(duì)被控裝置施加的控制作用,是取自被控量的反饋信息,用來(lái)不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量進(jìn)行控制的任務(wù),這就是反饋控制的原理.反饋過程中難免會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象,純滯后問題對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響越來(lái)越大,解決純滯后問題具有非常重要的意義2純滯后相關(guān)定義及其工藝過程2.1純滯后相關(guān)定義在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對(duì)象通常具有不同程度的純延遲。例如氣體物料、液體物料通常經(jīng)過管道傳送，固體物料通過傳送帶傳送。而在工業(yè)生產(chǎn)中利用改變物料的流量來(lái)調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程時(shí)，經(jīng)過輸送環(huán)節(jié)的傳送時(shí)間（滯后）后，物料的變化情況才能到達(dá)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的改變。這個(gè)輸送過程的傳送時(shí)間是一個(gè)純滯后時(shí)間。再如，在熱交換過程中，經(jīng)常將被加熱物料的輸出溫度作為被控制量，而把載熱介質(zhì)（如過熱蒸汽）的流量作為控制量，載熱介質(zhì)流量改變后，經(jīng)過一定時(shí)間才表現(xiàn)為輸出物料溫度的變化。

系統(tǒng)這種表現(xiàn)可用含有純滯后的傳遞性描述。這類控制過程的特點(diǎn)是：當(dāng)控制作用產(chǎn)生后，在滯后時(shí)間范圍內(nèi)，被控參數(shù)完全沒有響應(yīng)，使得系統(tǒng)不能及時(shí)隨被控量進(jìn)行調(diào)整以克服系統(tǒng)所受的擾動(dòng)。因此這樣的過程必然會(huì)產(chǎn)生較時(shí)顯的超調(diào)量和需要較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。所以，含有純延遲的過程被公認(rèn)為是較難控制的過程，其難控制程度與過程的時(shí)間常數(shù)之比大于0.3時(shí)，該過程是大滯后過程。隨此比值的增加，過程的相位滯后增加而使超調(diào)增大，在實(shí)際生產(chǎn)過程中甚至?xí)驗(yàn)閲?yán)重超調(diào)而出現(xiàn)事故。在反饋控制系統(tǒng)中,控制裝置對(duì)被控裝置施加的控制作用,是取自被控量的反饋信息,用來(lái)不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實(shí)被控量進(jìn)行控制的任務(wù),這就是反饋控制的原理.反饋過程中難免會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象,純滯后問題對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響越來(lái)越大,解決純滯后問題具有非常重要的意義2.2純滯后工藝過程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，極大部分工藝過程的動(dòng)態(tài)特性往往是既包含一部分純滯后特性又包括一部分慣性特性，這種工藝過程就稱為具有純滯后的工藝過程。譬如對(duì)于大型檔案館的溫濕度控制，就是存在純滯后較大的實(shí)際對(duì)象。在長(zhǎng)沙地區(qū)，夏天的空氣相對(duì)濕度一般而言是比較大的，在檔案館進(jìn)行適當(dāng)?shù)某凉癫僮魇欠浅Ｓ斜匾?，而在進(jìn)行除濕動(dòng)作以后，檔案館內(nèi)的相對(duì)濕度要相應(yīng)得到降低則需要一段時(shí)間的延遲。當(dāng)然，對(duì)檔案館內(nèi)溫度的控制也是如此。純滯后環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系（如圖1）所示:圖1純滯后環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系除過程本身的純滯后以外，多個(gè)設(shè)備串聯(lián)也會(huì)引起系統(tǒng)的純滯后。例如，在生產(chǎn)過程中常有這樣的操作情況：一個(gè)流水作業(yè)線或物料加工過程終端產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)是用改變作業(yè)線起始端的輸入物料調(diào)節(jié)的。中間往往要經(jīng)過很多道加工工序，或是要經(jīng)過很多工藝設(shè)備。這時(shí)起始端物料流量的改變要引起終端產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)發(fā)生改變，必然要經(jīng)過一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔一方面包括物料由起始端到終端的傳輸時(shí)間，另一方面包括物料在中間設(shè)備中的停留時(shí)間和處理時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間有時(shí)甚至達(dá)數(shù)十分鐘。在這些過程中，由于純滯后的存在，使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)或系統(tǒng)的給定，即使測(cè)量信號(hào)到達(dá)調(diào)節(jié)器使得調(diào)節(jié)器立即工作，也需經(jīng)過純滯后時(shí)間以后(如圖1-1)，這時(shí)輸出才能作用到被控量上使之受到控制。所以，滯后過程必然會(huì)產(chǎn)生較明顯的超調(diào)和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。因此，調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在純滯后會(huì)造成閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)下降，純滯后愈大則系統(tǒng)控制品質(zhì)就愈差。另外，在一些工業(yè)對(duì)象的調(diào)節(jié)過程中，測(cè)量裝置會(huì)存在較大的純滯后。這在成份分析儀表及質(zhì)量?jī)x表中較常見。這種純滯后一般有兩種:一種是取樣脈沖導(dǎo)管太長(zhǎng)而引起的純滯后，另一種是測(cè)量系統(tǒng)中取樣后進(jìn)行處理分析和切換等待的時(shí)間所造成的純滯后(可達(dá)數(shù)分鐘以上)。在測(cè)量系統(tǒng)中存在的純滯后同樣會(huì)使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)不及時(shí)而導(dǎo)致系統(tǒng)控制品質(zhì)變差。2.2.1純滯后和大滯后在大多數(shù)的工業(yè)生產(chǎn)過程中，極大部分工藝過程的動(dòng)態(tài)特性往往是既包含一部分純滯后特性又包括一部分慣性特性，這種工藝過程就稱為具有純滯后的工藝過程。大多數(shù)的工業(yè)過程可以描述為如下兩種簡(jiǎn)化形式:（2-1）（2-2）式(1-1)所示的工業(yè)過程稱為具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，而式(1-2)所示的工業(yè)過程稱為具有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)。嚴(yán)格而言，很多文獻(xiàn)將工藝過程的純滯后系數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)T的比值作為一個(gè)衡量純滯后大小的指標(biāo)。若<0.3則稱為一般具有純滯后的工藝過程，而當(dāng)>0.3則稱為具有較大純滯后(即大滯后)的工藝過程。2.2.2等效變純滯后一個(gè)工藝過程的動(dòng)態(tài)特性常常包括很多非線性因素，而且工藝參數(shù)也常顯分布狀態(tài)，很難用簡(jiǎn)單的線性集中參數(shù)來(lái)推導(dǎo)其動(dòng)態(tài)特性，所以常常借用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)取其動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于大多數(shù)工藝過程，所測(cè)得的反應(yīng)曲線常常（如圖2）所示。（a）穩(wěn)定的工藝對(duì)象（b）不穩(wěn)定的工藝對(duì)象圖2反應(yīng)曲線2.2.3變純滯后在一些工藝過程中，純滯后時(shí)間是一個(gè)變數(shù)，這樣的工藝過程稱為變純滯后工藝過程。例如，當(dāng)工藝過程的負(fù)荷改變會(huì)引起管道中物料的流速改變，這種純滯后時(shí)間也相應(yīng)改變。負(fù)荷減小使流速變慢，則純滯后時(shí)間增大，反之則減小。因考慮到變參數(shù)系統(tǒng)分析的復(fù)雜性，所以一般都處理為定純滯后系統(tǒng)。但值得注意的是，由于純滯后變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，在分析設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)對(duì)滯后變化應(yīng)加以適當(dāng)?shù)氖孪瓤紤]。2.3純滯后對(duì)象的控制問題純滯后對(duì)象的控制一直是人們研究的重要課題。純滯后工業(yè)對(duì)象本身往往為一個(gè)分布參數(shù)系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型難以確定，又往往存在大量的不確定因素，如環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化大、強(qiáng)隨機(jī)干擾、系統(tǒng)的滯后大而且變滯后、存在未建模的高頻特性等等，以上諸多因素使得控制非常困難，這概括表現(xiàn)為:（1）建模困難;（2）檢測(cè)困難;（3）過程噪聲難以消除或限制在許可的范圍以內(nèi);（4）難以保證長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。2.4純滯后對(duì)象的常規(guī)控制方法 純滯后對(duì)系統(tǒng)的影響，是使響應(yīng)遲緩和不穩(wěn)定。由于純滯后的存在，使得其控制具有特殊性。尤其是對(duì)于SISO(單輸入、單輸出)對(duì)象，人們研究了大量的控制方案，已經(jīng)非常成熟。在常規(guī)的控制算法有:大林算法、史密斯預(yù)估控制算法、無(wú)振蕩控制算法、最小方差和最優(yōu)控制算法等。（1）史密斯方法設(shè)對(duì)于無(wú)純滯后系統(tǒng)的串聯(lián)控制器為D(:)，閉環(huán)傳遞函數(shù)為:（2-3）其階躍響應(yīng)曲線對(duì)應(yīng)于圖2-3-a，顯然圖2-3-b的閉環(huán)傳遞函數(shù)為(2-4)對(duì)于純滯后系統(tǒng)，控制器為，系統(tǒng)方框圖（如圖3）：圖3純滯后系統(tǒng)方框圖其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：(2-5)根據(jù)史密斯原則，要求：(2-6)所以(2-7)實(shí)現(xiàn)的方框圖可為（如圖4）:圖4因此閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖為（如圖5）：圖5閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖注意在（如圖5）,控制對(duì)象是實(shí)際的系統(tǒng)，而虛線框中的與是人為的傳遞函數(shù)。史密斯方法可歸納為:首先按無(wú)純滯后對(duì)象設(shè)計(jì)控制器，然后根據(jù)控制對(duì)象的和組成（如圖5）所示的控制器。離散史密斯算法可以由連續(xù)算法直接得來(lái):,(2-8)其中D(z)為根據(jù)H(z)而設(shè)計(jì)的數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)，當(dāng)然，D(z)可以是簡(jiǎn)單的PID算法。采用史密斯預(yù)估控制器的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（如圖6）。圖6史密斯預(yù)估控制器的直接數(shù)字控制系統(tǒng)史密斯方法性能分析：Smith預(yù)估控制算法將廣義對(duì)象輸出的信號(hào)C(s)與預(yù)估補(bǔ)償器的輸出信號(hào)相加后才作為反饋信號(hào)，因此這種補(bǔ)償是超前的反饋補(bǔ)償。控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:（2-9）(2-10)由上述兩式可知，不論對(duì)于給定值作用還是負(fù)荷擾動(dòng)，閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式是相同的，即：（2-11）由于一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要決定于閉環(huán)特征方程式，而經(jīng)過Smith預(yù)估補(bǔ)償后，閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中不再含有純滯后環(huán)節(jié)，這也是Smith預(yù)估控制算法的特點(diǎn)。由于閉環(huán)系統(tǒng)經(jīng)補(bǔ)償后相當(dāng)于不存在純滯后，而分子中的僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時(shí)間軸上推遲一個(gè)時(shí)間，所以預(yù)估補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純滯后對(duì)過程的不利影響，系統(tǒng)品質(zhì)與無(wú)滯后過程完全相同，有可能提高調(diào)節(jié)器的增益，從而提高閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量。由式(1-20)可知，其閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項(xiàng)組成，第一項(xiàng)為干擾量擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響;第二項(xiàng)為用來(lái)補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)影響的控制作用。由于第二項(xiàng)有滯后，只有t>時(shí)產(chǎn)生控制作用，當(dāng)t<=時(shí)無(wú)控制作用，所以Smith預(yù)估補(bǔ)償控制算法對(duì)給定值的跟蹤效果比對(duì)干擾量擾動(dòng)的抑制效果要好。從理論上講，Smith預(yù)估控制能克服大滯后的影響。但是由于Smith預(yù)估器需要知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，而實(shí)際中往往很難獲得對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，故在應(yīng)用中總存在模型的不匹配。設(shè)為模型誤差，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:(2-12)(2-13)由上兩式得出，當(dāng)對(duì)象模型不匹配時(shí)，由于存在模型誤差使滯后環(huán)節(jié)進(jìn)入閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。特別是當(dāng)模型滯后時(shí)間與對(duì)象實(shí)際滯后時(shí)間有差距時(shí)，這種誤差的影響將會(huì)更大，系統(tǒng)的品質(zhì)要差的多，甚至?xí)环€(wěn)定。總之Smith預(yù)估控制算法將滯后環(huán)節(jié)移出了系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程外，提高了系統(tǒng)的品質(zhì)，但其要求對(duì)象有精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)外部擾動(dòng)的抑制能力較差，限制了它的應(yīng)用。3純滯后系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述本章系統(tǒng)講述了滯后控制系統(tǒng)的各種設(shè)計(jì)方法。首先講述了常規(guī)控制系統(tǒng)，包括微分先行控制系統(tǒng)和中間微分反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滯后補(bǔ)償?shù)脑砑霸O(shè)計(jì)方法，并對(duì)這兩種方法進(jìn)行了對(duì)比。其次講述了史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)，主要有純滯后補(bǔ)償?shù)幕驹?、史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)、完全抗干擾史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)、增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)、改進(jìn)型史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)方法，并對(duì)各種方法通過分析及實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比。3.1常規(guī)控制系統(tǒng)在純滯后系統(tǒng)控制中，為了充分發(fā)揮PID的作用，改善滯后問題，主要采用常規(guī)PID的變形形式：微分先行控制和中間微分控制。微分先行控制和中間微分控制都是為了充分發(fā)揮微分作用提出的。3.1.1微分先行控制微分的作用是導(dǎo)前，根據(jù)變化規(guī)律提前求出其變化率，相當(dāng)于提取信息的變化趨勢(shì)，所以對(duì)滯后系統(tǒng)，充分利用微分作用，可以提前預(yù)知變化情況，進(jìn)行有效的提前控如圖。圖7微分先行控制3.1.2中間微分反饋控制與微分先行控制方案的設(shè)想類似，采用中間微分反饋控制方案，加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度進(jìn)而改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。中間微分反饋控制方框圖（如圖8）所示。圖8中間微分反饋控制方框圖系統(tǒng)的微分只是對(duì)系統(tǒng)輸出起作用，并作為控制量的一部分，這樣的方式能在被控參數(shù)變化時(shí)，及時(shí)根據(jù)其變化的速度大小起附加校正作用。微分校正作用與PI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)無(wú)關(guān)，僅在動(dòng)態(tài)時(shí)起作用，而在靜態(tài)時(shí)或在被控參數(shù)變化速度恒定時(shí)就失去作用。微分先行和中間微分反饋方法都能有效地克服超調(diào)現(xiàn)象，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，而且不需特殊設(shè)備。因此，這兩種控制形式都具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但是這兩種控制方式都仍有較大超調(diào)且響應(yīng)速度很慢，不適于應(yīng)用在控制精度要求很高的場(chǎng)合。3.2史密斯補(bǔ)償控制純滯后補(bǔ)償控制的基本思路是：在控制系統(tǒng)中某處采取措施（如增加環(huán)節(jié)，或增加控制支路等），使改變后系統(tǒng)的控制通道以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母不含有純滯后環(huán)節(jié)，從而改善控制系統(tǒng)的控制性能及穩(wěn)定性等。3.2.1純滯后補(bǔ)償?shù)幕驹砥浼儨笱a(bǔ)償原理公式（3-1）及其方框圖（如圖9）：（3-1）圖9純滯后補(bǔ)償原理通過（如圖9）所示附加并聯(lián)環(huán)節(jié)的補(bǔ)償處理。在和在之間傳遞函數(shù)不再表現(xiàn)為滯后特性。3.2.2史密斯滯后補(bǔ)償控制其史密斯滯后補(bǔ)償原理公式（3-1）及其方框圖（如圖10）：（3-2）圖10史密斯滯后補(bǔ)償原理可見，經(jīng)補(bǔ)償后，傳遞函數(shù)特征方程中已消除時(shí)間滯后項(xiàng)，也就是消除了時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。下面用實(shí)例說明史密斯控制方案的應(yīng)用。對(duì)于某熱熔比較大的溫度控制系統(tǒng)燃料階躍輸入，溫度輸出測(cè)試數(shù)據(jù)如下表一：表一T/s052030405060708090100110T/0005801302502602802902973003.3史密斯滯后控制補(bǔ)償及實(shí)例仿真設(shè)計(jì)要求（1）：請(qǐng)依據(jù)上述數(shù)據(jù)，利用兩點(diǎn)法或者切線法確定系統(tǒng)的一階慣性控制模型，并要求對(duì)模型曲線與原有數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行合理逼真仿真。設(shè)計(jì)要求（2）：請(qǐng)依據(jù)模型，分別設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制算法和控制結(jié)構(gòu)，并完成控制系統(tǒng)的控制方塊圖，最好采用多種控制方案進(jìn)行仿真選擇比較。設(shè)計(jì)要求（3）：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)系統(tǒng)主要擾動(dòng)量（主要是模型不準(zhǔn)確的影響），并利用仿真分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)要求（4）：請(qǐng)采用PLC或者單片機(jī)完成控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)?！涌陔娐泛虸/O通道的擴(kuò)充▲組合邏輯或時(shí)序邏輯電路▲供電電源 ▲光電隔離▲電平轉(zhuǎn)換▲驅(qū)動(dòng)放大電路▲A/D、D/A轉(zhuǎn)換▲流量檢測(cè)▲自動(dòng)、手動(dòng)轉(zhuǎn)換▲報(bào)警電路▲緊急故障停車電路▲鍵盤顯示電路（人機(jī)交互）設(shè)計(jì)要求（5）：完成該控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。包括：▲確定具體要求▲軟件規(guī)劃▲程序流程編制▲算法仿真設(shè)計(jì)要求（1）的結(jié)果如下所示：程序一：（原始數(shù)據(jù)擬合）x=[052030405060708090100110];y=[000580130250260280290297300];axis([0120-1350])p=polyfit(x,y,6);p1=0:1:115;u1=polyval(p,p1);holdonplot(p1,u1,'-')Grid圖11原始數(shù)據(jù)仿真曲線程序二：x=[052030405060708090100110];y=[000580130250260280290297300];axis([02000350]);x1=polyfit(x,y,7);y1=polyval(x1,x);figure(1);plot(x,y,'o',x,y1,'b-')holdonxx=0:1:110;yy=spline(x,y);dyy=fnder(yy);x1_55=ppval(dyy,49.5);yy1=interp1(x,y,xx,'cublic');holdon;x=0:1:110;plot(x,11.1652*(x-50.98)+157.4,'r')holdonplot(x,300,'g.')plot(x,0,'g.')圖12切線曲線程序三：x=[052030405060708090100110];y=[000580130250260280290297300];x1=polyfit(x,y,6);y1=polyval(x1,x);figure(2);plot(x,y,'o',x,y1,'b-')holdonnum=[300];den=[181];sys=tf(num,den,'inputdelay',33);t=[0:0.1:120];y=step(sys,t);plot(t,y,'r-')圖13擬合曲線設(shè)計(jì)要求（2）：?jiǎn)伍]環(huán)流程圖如下，PID控制器參數(shù)整定，系統(tǒng)等幅震蕩曲線仿真圖如下，P=0.0061；圖14等幅震蕩曲線系統(tǒng)P控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線仿真圖如下，P=0.00305；圖15P控制時(shí)單位階躍響應(yīng)曲線系統(tǒng)PI控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線仿真圖如下，P=0.003,I=0.000075;圖16PI控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線系統(tǒng)PID控制時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線仿真無(wú)法實(shí)現(xiàn)；綜上相比，PI的系統(tǒng)穩(wěn)定效果最好，即選擇PI整定。經(jīng)過精細(xì)調(diào)對(duì)PI參數(shù)分別為P=0.00215，I=0.0000745。單閉環(huán)仿真圖：圖17經(jīng)IP正定后的單閉環(huán)仿真曲線用Simulink畫出史密斯控制結(jié)構(gòu)的流程圖如下，PI參數(shù)分別為P=0.025，I=0.00125。史密斯控制結(jié)構(gòu)的仿真圖：圖18史密斯仿真曲線內(nèi)膜控制結(jié)構(gòu)的流程圖如下：內(nèi)膜控制結(jié)構(gòu)的仿真圖：圖19內(nèi)膜仿真曲線單閉環(huán)、史密斯與內(nèi)膜三者的比較流程圖如下：?jiǎn)伍]環(huán)、史密斯與內(nèi)膜三者的仿真比較：圖20三種控制結(jié)構(gòu)的曲線仿真分析：由上圖可知，在三種方式中，只有單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是不適合的。PID+Smith預(yù)估控制方案和內(nèi)模控制方案是可行的。設(shè)計(jì)要求（3）史密斯控制結(jié)構(gòu)的仿真比較（K=200，300，400）：圖21史密斯模型不準(zhǔn)確曲線內(nèi)膜控制結(jié)構(gòu)的仿真比較（K=200，300，400）：圖22內(nèi)膜模型不準(zhǔn)確曲線加入干擾后的史密斯與內(nèi)膜控制系統(tǒng)的流程圖如下：加入干擾后的史密斯與內(nèi)膜控制系統(tǒng)的仿真圖23如下：圖23加入干擾后三種控制方案的比較圖曲線分析：由上圖可知，加上擾動(dòng)后的smith控制系統(tǒng)，在一個(gè)小幅的波動(dòng)下又回到了穩(wěn)定位置，此時(shí)說明此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。其原因是史密斯預(yù)估控制方案具有比較好的適應(yīng)性和魯棒性。內(nèi)模控制系統(tǒng)在加擾動(dòng)的情況下，還是趨于穩(wěn)定的。因?yàn)閮?nèi)?？刂品桨妇哂蟹€(wěn)定性和無(wú)余差性。而且系統(tǒng)采用的是改進(jìn)型的內(nèi)?？刂品桨?，所以同時(shí)還具有較強(qiáng)的魯棒性。因此能保證系統(tǒng)是穩(wěn)定的。4采用單片機(jī)完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體圖4.1硬件圖各模塊說明4.1.1輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊本電路使用了ADC0808芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ADC0808是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0808是ADC0809的簡(jiǎn)化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時(shí)采用ADC0808進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)際使用時(shí)采用ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。用兩個(gè)滑動(dòng)變阻器模擬傳感器測(cè)量的模擬量，當(dāng)改變滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí)，輸入的模擬量發(fā)生變化，并將模擬量顯示在顯示器上。圖24數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接圖25數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接4.1.2單片機(jī)處理模塊由80C51單片機(jī)協(xié)調(diào)外圍電路的工作。對(duì)矩陣鍵盤、AD轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)送給顯示器、DA轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路、調(diào)節(jié)閥的指示燈。單片機(jī)通過尋址方式訪問外接電路，外接電路地址分配如表1所示。使用AT89C51作為主處理芯片，P0.0，P0.7作為輸入輸出端口，外接74LS138譯碼器及74LS373寄存器。它的主要功能為電壓值讀取、電壓值校正、給定值輸入、鍵盤控制、顯示部分。單片機(jī)系統(tǒng)含有的74LS373用來(lái)是P0和P2口聯(lián)合輸出地址進(jìn)行外部器件的尋址。其連接圖如圖26。表1外接電路地址分配表地址功能0x1ffc鍵盤輸入0x1ffd報(bào)警0x9f87模數(shù)轉(zhuǎn)換通道10x9f8f模數(shù)轉(zhuǎn)換通道20x5fff數(shù)模轉(zhuǎn)換通道10x7fff數(shù)模轉(zhuǎn)換通道2圖26單片機(jī)處理模塊硬件圖4.1.3矩陣鍵盤模塊使用8155及若干部件設(shè)計(jì)鍵盤顯示模塊。其中數(shù)碼管選位和矩陣鍵盤掃描部分，由74LS138譯碼器對(duì)8155輸出的掃描信號(hào)進(jìn)行譯碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，使其能夠隨時(shí)掃描鍵盤和顯示端口。鍵盤電路能夠很穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，包括啟動(dòng)、停車輸入給定值等。顯示屏選用LM061L。圖27矩陣鍵盤模塊硬件圖4.1.4D/A轉(zhuǎn)換模塊單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后（DAC0832），送給調(diào)節(jié)閥，如圖28，這里用兩個(gè)燈模擬主副調(diào)節(jié)閥，當(dāng)有調(diào)節(jié)作用時(shí)，相應(yīng)的燈亮。圖28DA轉(zhuǎn)換模塊硬件圖4.1.5報(bào)警電路模塊為了保證系統(tǒng)安全正常運(yùn)行，還需設(shè)置報(bào)警電路，當(dāng)調(diào)節(jié)閥作用60秒，還沒達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，外部尋址0x1ffd，寫0xfc，自行報(bào)警，提醒工作人員。如下圖29所示。圖29報(bào)警電路模塊4.1.6放大電路，用于電壓信號(hào)的放大。圖30放大電路模塊硬件圖4.1.7自動(dòng)/手動(dòng)切換電路與緊急停車電路當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，切換到手動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，若手動(dòng)調(diào)節(jié)也不起作用，緊急停車，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，如圖31，自動(dòng)/手動(dòng)切換電路與緊急停車電路圖31自動(dòng)/手動(dòng)切換電路與緊急停車硬件圖軟件功能：過程控制系統(tǒng)中的溫度控制常常存在較大滯后，當(dāng)滯后時(shí)間和控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，傳統(tǒng)的控制方案很難達(dá)到較好的控制效果，此時(shí)我們采用內(nèi)?？刂品桨竵?lái)克服系統(tǒng)滯后的影響。系統(tǒng)流程圖：首先，通過設(shè)置按鍵，設(shè)定恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值，并且用顯示屏顯示這個(gè)溫度值。