基于大林算法的温度控制

基于大林算法的温度控制
基于大林算法的温度控制

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 (1)

1.1设计任务和要求 (1)

1.2大林算法 (1)

1.3 PID算法 (3)

第二章设计流程 (5)

2.1大林算法软件设计流程图 (5)

2.2 PID算法程序设计流程图 (5)

第三章设计过程及结果 (7)

3.1 GUI界面设计 (7)

3.1.1 GUI界面的建立 (7)

3.1.2 制作GUI界面 (9)

3.2 Simulink设计 (10)

3.2.1 大林算法Simulink (10)

3.2.2 PID控制算法Simulink (11)

3.3 程序设计 (12)

3.3.1 大林算法编程 (12)

3.3.2 PID控制算法编程 (14)

3.4 两种算法的比较 (16)

第四章总结 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

1、大林算法程序 (20)

2、PID控制器算法程序 (20)

第一章 系统方案

1.1设计任务和要求

已知电阻炉对象数学模型为

1

)(+=

-Ts ke

s G s

τ

其中,k=12, T=400, 60=τ,电阻炉的温度设定为1000℃. 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

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:

———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:

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()1(2)()()1()()

1()()(u -+--++--=--=?k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k D I P (2-7)

式中

δ1

=

P K 称为比例增益;

I

P

I T T K K = 称为积分系数;

T T K K D

P

D = 称为微分系数。

为了编程方便,可将式整理成如下形式

)

2()1()()(210-+-+=?k e q k e q k e q k u (1-8)

其中 ?????

?

?

?

?

=+-=+

+

=T T K q T T K q T T T T K q D

P

D P D I P 210)21()

1( (1-9)

第二章设计流程

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。

图2-1 大林算法设计程序流程图

2.2 PID算法程序设计流程图

PID控制算法种类繁多,各种控制条件下产生的响应又是有区别的。在本设计中采用的是普通PID控制算法。PID算法程序设计流程图如图2。

图2-2 PID算法程序设计流程图

第三章设计过程及结果

3.1 GUI界面设计

MATLAB可以创建图形用户界面GUI(GraphicalUserInterface),它是用户和计算机之间交流的工具。MATLAB将所有GUI支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法,随着版本的提高,这种能力还会不断加强。由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象(Ob2ject)构成的一个用户界面。用户通过一定的方法(如鼠标或键盘)选择、激活这些图形对象,使计算机产生某种动作或变化,比如实现计算、绘图等。假如科技工作者仅仅执行数据分析、解方程等工作,一般不会考虑GUI的制作。但是如果想向客户提供应用程序,想进行某种技术、方法的演示,想制作一个供反复使用且操作简单的专用工具,那么图形用户界面是最好的选择之一。Matlab为表现其基本功能而设计的演示程序demo是使用图形界面的最好范例。Matlab的用户在指令窗口中运行demo打开图形界面后,只要用鼠标进行选择和点击,就可浏览丰富多彩的内容。

开发实际的应用程序时应该尽量保持程序的界面友好,因为程序界面是应用程序和用户进行交互的环境。在当前情况下,使用图形用户界面是最常用的方法。提供图形用户界面可使用户更方便地使用应用程序,不需要了解应用程序怎样执行各种命令,只需要了解图形界面组件的使用方法;同时,不需要了解各种命令是如何执行的,只要通过用户界面进行交互操作就可以正确执行程序

3.1.1 GUI界面的建立

1、打开GUI或在MATLAB指令窗中运行guide得到如图3-1所示:

图3-1 创建GUI

2、选则Blank GUI

空白GUI设计工作台,如下图所示,包含以下4个功能区:

菜单条、编辑工具条、控件模板区、设计工作区。

图形用户界面设计在该区域进行,引出图所示的界面设计工具。

用鼠标拖动“工作区”右下角的“小黑块”,使工作区的大小与图与图大小相当。

点击“轴Axes”控件图标,然后在工作区中的适当位置,拉出适当大小的绘图区。

类似上步操作,通过点击相应的“静态文本Static Text”、可编辑文本“Edit Text”、按键“Push Button”用鼠标拖拉出相应的控件,如图

图3-2 GUI空白页

3、图形窗口和控件的某些参数进行设置

双击工作区或控件可引出图形和相应控件的“属性编辑框Property Inspector”。图显示的是轴属性的编辑框。

图3-3属性框

4、创建菜单

点击“菜单编辑器”图标,引出空白菜单编辑对话窗

点击“菜单编辑对话窗”最左上方的“新菜单New Menu”图标,在左侧空白窗口中,出现“Untitled1”图标;再点击此图标,就在右侧引出类似于图右侧的填写栏;在“Lable”中填写Options;在“Tag”中填写optios;于是左侧的“Untiled1”图标变成“Options”图标。

先点亮左侧的“Options”图标,再点击菜单编辑对话窗上的“心菜单项New Menu Iterm”图标,就引出待定义的菜单项;在左侧的“Lable”填写Box on,在“Tag”填写box_on。重复该小步的操作,建立另一个菜单项Box off,如图:

图3-4 菜单项

界面的激活和回调函数生成

经以上操作后,工作台上所制作的界面外形及所含构件已经符合设计要求,但这个界面各构件之间的通讯还没有建立,为此必须激活处理。

点击工作台上“激活Activate Figure”工具图标,就引出2个界面:名为Myguil的图形用户界面;展示名为myguil的M函数文件的文件编辑器界面。在此同时,在当前目录上,由MATLAB自动生成2个文件,即Myguil.fig和目myguil.m。

3.1.2 制作GUI界面

首先找到所需要的相应控件,然后根据自己的设计想法进行摆正控件。本设计中所需要的控件主要是按钮,文本,波形图以及输入框。

按照自己的思路摆放成的总结面如下:

图3-5大林算法总界面图3-6 PID控制总界面

3.2 Simulink设计

3.2.1 大林算法Simulink

根据设计任务要求,进行数学建模。首先是大林算法的,根据第一章介绍的

算法过程中所得到的,进行数据代入,算出D(z)的最终表达式。

并根据任务要求进行参数的填入,如图所示:设置控制温度为1000℃

,系统时间周期为10,时间常数为60,最后得到大林算法的Simulink图:

图3-7 大林算法Simulink图

运行得到波形图:

图3-8大林算法Simulink 下的波形图

3.2.2 PID 控制算法Simulink

同理进行PID 控制器的Simulink 进行设计,根据第一章所得到的公式

[][]

)2()1(2)()()1()()

1()()(u -+--++--=--=?k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k D I P

????

?

?

?

?

?=+-=+

+

=T T K q T T K q T

T T T K q D

P

D P D I P 210)21()1(

进行参数数据的定义。给出q0=P,q1=I,q2=D 的数值,时

间周期为10

,时间常数为60

,最后的Simulink 仿真图为:

图3-9 PID 控制算法Simulink 图

运行得到波形图:

图3-10 PID控制算法Simulink下的波形图

3.3 程序设计

本次课程设计主要使用的是MATLAB编程语言。

早期用于科学计算的计算机语言,由于计算机内存容量和运算速度的限制等原因,常常要定义常量、变量、向量和矩阵等的不同的数据类型,结果导致编程过于复杂化。和这些语言不一样,MATLAB语言对他们进行了高度抽象,实现了数据类型的高度统一,即常量、变量、向量和矩阵等都具有相同的数据类型。MATLAB语言认为所有的数据都是一个对象类,都具有相同的属性。因此,用户不需要事先分别定义常量、变量、向量和矩阵等的数据类型就可以直接使用他们,当然MATLAB的这种设计思想是以高性能计算机的出现和普及作为前提条件的,编程得到了很大简化。

MATLAB语言是一种“数学形式的语言”。它的操作和功能函数指令就是用平时计算机和数学书上的英文单词和符号来表达的,比BASIC、FORTRAN和C 等语言更接近于人们书写的数学计算公式、更接近于人们进行科学计算的思维方式。用MATLAB语言编写程序犹如在演算纸上排列公式与求解问题,故有人称MATLAB编程语言为“演算纸”式科学算法语言。因此,MA TLAB语言简单自然,学习和使用更容易。

MATLAB程序文件是一个纯文本文件,扩展名为.m,用任何字处理软件都可以对它进行编辑。MATLAB本身就像一个解释系统,对其中的函数程序的执行以一种解释执行的方式进行,程序不必经过编译就可以直接运行,而且能够及时报告出现的错误,进行出错原因分析。因此,程序调试容易、编程效率高。MATLAB 的用户界面精致,接近Windows的标准界面,人机交互性强,操作简单。新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统,极大地方便了用户的使用。

3.3.1 大林算法编程

首先根据所画的界面图可知,需先得到放大倍数K,时间常数T,仿真时间Tf 和采样周期Tm的输入值,所以这里就用到get()和str2double()两条语句,具体程序如下:

a=get(handles.edit1,'String'); /得到handles.edit1的数值;

Tf=str2double(a); /把值赋给Tf;

b=get(handles.edit2,'String');

Tm=str2double(b);

c=get(handles.edit5,'String');

K=str2double(c);

d=get(handles.edit4,'String');

Ti=str2double(d);

接下来就是设计任务给定的控制温度,及时间周期,r=1000,T=10。数学模型G(s)的表达式[A,B,C,D]=tf2ss(K,[Ti 1]),[G,H,Cd,Dd]=c2dt(A,B,C,T,60)。

然后就是根据第一章所介绍的大林算法的计算过程进行程序编译,具体如下:

a0=1/8;

a1=exp(-Tm/400)/8;

b1=exp(-Tm/400);

b2=1-exp(-Tm/400);

u1=0;u2=0;u3=0;u4=0;u5=0;u6=0;u7=0;e1=0;y=0;y1=0;t=0;x=zeros(size(G,1 ),1);

for i=1:Tf/Tm

e=r-y(end);

u=a0*e-a1*e1+b1*u1+b2*u7;

for j=1:Tm/T

x=G*x+H*u;

y=[y,Cd*x+Dd*u];

t=[t,t(end)+T];

end

u7=u6;u6=u5;u5=u4;u4=u3;u3=u2;u2=u1;u1=u;y1=y(end);

e1=e;

end

最后把编出的程序放到运行按钮的callback下,即在

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

这条语句下进行编程。

完成编译,写入K=12,T=10,Tf=4000,Tm=10,运行得到图形如下:

图3-11 大林算法波形图

3.3.2 PID控制算法编程

与大林算法的步骤基本相同,只是在算法编程过程中改变了。

这里同样用到get()和str2double()两条语句,并写出G(s)的表达式和给定的控制温度及时间周期。具体如下:

a=get(handles.edit4,'String');

K=str2double(a);

b=get(handles.edit5,'String');

T=str2double(b);

c=get(handles.edit1,'String');

kp=str2double(c);

d=get(handles.edit2,'String');

ki=str2double(d);

e=get(handles.edit3,'String');

kd=str2double(e);

ts=10;

sys=tf([K],[T,1],'inputdelay',60);

dsys=c2d(sys,ts,'zoh');

[num,den]=tfdata(dsys,'v');

在根据第一章所介绍的PID简单控制算法进行算法的编程,得到的具体程序如下:

u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;

ud_1=0;

y_1=0;y_2=0;y_3=0;

error_1=0;

ei=0;

for k=1:1:400

time(k)=k*ts;

rin(k)=1000;

yout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;

error(k)=rin(k)-yout(k);

ei=ei+error(k)*ts;

gama=0.50;

Td=kd/kp;

Ti=0.5;

c1=gama*Td/(gama*Td+ts);

c2=(Td+ts)/(gama*Td+ts);

c3=Td/(gama*Td+ts);

u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)-error_1)/ts+ki*ei;

if u(k)>=1500

u(k)=1500;

end

if u(k)<=-1500

u(k)=-1500;

end

u_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);

end

同样把编出的程序放到运行按钮的callback下,即在

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

这条语句下进行编程。

完成编译,写入K=1,T=400,Kp=1,Ki=0.005,Kd=0,运行得到图形如下:

图3-12 PID控制算法波形图

3.4 两种算法的比较

大林算法

适合用于没有超调或较小的超调,而对快速性要求不高的场合。

需要消除振铃现象

PID算法

PID控制多年来受到广泛的的应用,PID在解决快速性、稳态误差、超调量等问题上具有很好的应用。PID的调整时间,动态性能都很好。但是PID也有需要改进的地方。

改进:积分项的改进在PID控制中,积分作用是消除稳态误差,提高控制精度。但是很多时候积分作用又会对系统的动态响应造成不良影响,是系统产生大的超调或时间震荡。具体的改进有(1)积分项的改进有积分分离法抗积分饱和法(2)微分项的改进有不完全微分PID控制算法微分先行PID控制算法在大林算法得到的波形图中,超调量趋近于零,上升时间1000s,稳态误差趋近于零。而在PID控制算法中,存在静差,是有差调节,对于扰动较大,且惯性也较大的系统,若采用单纯的比例调节,则很难兼顾动态和静态特性仿真结果。说明采用大林算法可显著减小超调,也可做到很小的稳态误差。从系统设计中我们可以看出,大林算法的输出不仅是以偏差为依据的,还和前N次的输出有关,但所起的作用不尽相同。大林算法由于参考了历史输出情况,且滞后越大,参考时间越长,因此能更有效的抑制超调。可见大林算法的适应能力很强,跟踪速度比较快,是具有较大滞后对象的一种较理想的控制算法。

第四章总结

本文首先从电阻炉在当今社会的生产和发展,进而介绍其控制系统的优缺点,导出大林算法和PID控制器及其算法。从而引出我们对这两种控制算法的理解和仿真具有重大意义,介绍了这两种控制技术的发展历史和研究进展。进而提出什么是大林算法,什么是PID控制算法、控制算法的基本结构。通过网上资料找到了大林算法的定义及由来,找到普通PID控制算法。在学习的基础上,自定义了自由导入参数来查看其波形图。并进行了在同参数的情况下,对大林算法和PID控制器算法进行对比。本次课程设计的控制方法知识规则的推理都大部分借助计算机程序,因此对这种控制器的开发需要有比较专业的计算机语言,在这里用到的MATLAB语言以及所属的Simulink仿真控件。

在整个设计过程中,使我对所学知识进行了一个比较大的综合巩固,让我学会了各种查阅资料以及整理所需材料的能力,通过这次的课题设计,也让我学习到了不少新知识,在几个星期的学习实践中学到的东西比以往学到的都要丰富,因为我不仅学到了一些新的专业知识还锻炼了自己解决问题的能力,这是不可多得的。但是,在设计过程中我也遇到了不少困难,感觉自己对所学专业知识的欠缺,让自己增加了紧迫感,要抓紧弥补自己的欠缺,学无止境,这也让我体会到了不管以后走上什么样的工作岗位,都不要抛弃自己的学习,不进则退,别人的进步自己的停滞不前终将导致自己的被淘汰,这是我在整个课题设计过程中最大的体会。

大林算法课程设计

摘要 在控制系统应用中,纯滞后环节往往是影响系统动态特性的不利因素。工业过程中如钢铁,热工和化工过程中往往会有纯滞后环节。对这类系统,控制器如果设计不当,常常会引起系统的超调和持续振荡。由于纯延迟的存在,使被控量对干扰、控制信号不能即时的反映。即使调节机构接受控制信号后立即动作,也要经过纯延时间t后才到达被控量,使得系统产生较大的超调量和较长的调节时间。当t>=0.5T(T为对象的时间常数)时,实践证明用PID控制很难获得良好的控制品质。对这类具有纯滞后环节系统的控制要求,快速性往往是次要的,通常要求系统稳定,要求系统的超调量要小,而调整时间允许在较多的采样周期内结束。 这样的一种大时间滞后系统采用PID控制或采用最少拍控制,控制效果往往不好。本课程设计介绍能满足上述要求的一种直接数字控制器设计方法——大林(Dahlin)算法。 关键字:纯滞后、大林(Dahlin)算法

目录 0引言 (1) 1被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成 (2) 1.1被控对象 (2) 2大林算法 (3) 2.1一阶被控对象的达林算法 (3) 3振铃现象和消除方法 (4) 3.1振铃现象的产生 (4) 3.1.1振铃现象的分析 (4) 3.2振铃幅度RA (6) 3.3振铃现象的消除 (6) 3.4Simulink 仿真 (7) 4一种改进的消除振铃现象的方法 (9) 5总结 (10) 参考文献 (11)

0引言 大林算法是由美国IBM公司的大林(Dahllin)于1968年针对工业生产过程中含纯滞后的控制对象的控制算法。该算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器,使整个系统的闭环传递函数为带有原纯滞后时间的一阶惯性环节。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。

基于大林算法的炉温控制系统

计算机控制技术课程设计2015/2016学年第二学期 设计课题:基于大林算法的炉温控制系统

目录

1 课题简介 课题目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容,是达到教学目标的重要环节,是综合性较强的实践教学环节,它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制系统》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程,课程设计环节应占有更加重要的地位。通过课程设计,加深对学生控制算法设计的认识,学会控制算法的实际应用,使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成,掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤,编程调试,为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 课题任务 设计以89C51单片机和AD 、DA 驱动电路、控制电路、滤波电路、被控对象电路等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计:89C51最小系统加上模入电路(用ADC0809等)和模出电路(用DAC0832和运放等);由运放实现的被控对象。 2. 控制算法:大林控制算法。 3. 软件设计:主程序、中断程序、A/D 转换程序、大林算法控制程序、D/A 输出程序等。 4.仿真设计:用Matlab 仿真闭环控制系统。 设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入(-5V~+5V ),模出电路能输出双极性电压(-5V~+5V )。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 选择被控对象:G (),3.341 s c e s T s τ-= =+ 4. 对象的纯延迟环节s e τ-用软件通过数组单元移位实现。 5. 定时中断间隔选取50ms ,采样周期T 既要是采样中断间隔的整数倍,又满足 (0.2~1)T τ=。 6. 闭环系统时间常数T τ按倍的被控对象最大时间常数选择。 2 大林算法控制系统方案设计 大林算法总体介绍 + )(r t ) (t e D(Z) U(Z) s e Ts --1G(S) C(T) - 图2-1 大林算法设计的闭环控制系统方框图 在控制系统设计中,纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素,这种系统如果控制器设计不当,常常会引起系统产生大的超调或振荡。对这类系统的控制要求,快速性是次要的,

大林算法课程设计报告

微型计算机控制技术课程设计报告 班级:自动化901 A B C

一、课题名称 大林算法控制系统设计 二、课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容,是达到教学目标的重要环节,是综合性较强的实践教学环节,它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程,课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程,它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。通过课程设计,加深对学生控制算法设计的认识,学会控制算法的实际应用,使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成,掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤,编程调试,为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 三、课程设计内容 已知被控对象的传递函数为: 采样周期为T=0.5s ,用大林算法设计数字控制器D(z),并分析是否会产生振铃现象。 四、课程设计要求 1、用大林算法设计数字控制器D(z) ; 2、在 Simulink 仿真环境画出仿真框图及得出仿真结果,画出数字控制; 3、绘制并分析数字控制器的振铃现象; 4、对振铃现象进行消除; 5、得出仿真结果并进行仿真分析; 6、程序清单及简要说明; 7、成设计说明书(列出参考文献,以及仿真结果及分析)。 五、大林算法控制系统方案设计 在控制系统应用中,纯滞后环节往往是影响系统动态特性的不利因素。工业过程中如钢铁,热工和化工过程中往往会有纯滞后环节。对这类系统,控制器如果设计不当,常常会引起系统的超调和持续振荡。 由于纯延迟的存在,使被控量对干扰、控制信号不能即时的反映。即使调节机构接受控制信号后立即动作,也要经过纯延时间t 后才到达被控量,使得系统产生较大的超调量和较长的调节时间。当t >=0.5T (T 为对象的时间常数)时,实践证明用PID 控制很难获得良好的控制品质。 对这类具有纯滞后环节系统的控制要求,快速性往往是次要的,通常要求系统稳定,要求系统的超调量要小,而调整时间允许在较多的采样周期内结束。 这样的一种大时间滞后系统采用PID 控制或采用最少拍控制,控制效果往往不好。本节介绍能满足上述要求的一种直接数字控制器设计方法 ——达林(Dahlin)算法 ()1s e G s s -=+

基于大林算法的电阻炉温度控制系统的设计

目录 摘要..................................................... 错误!未定义书签。Abstract................................................... 错误!未定义书签。 1 绪论 (1) 1.1 论文选题背景与意义 (2) 1.2 炉温控制的发展与进步 (3) 2退火电阻炉的结构以及系统介绍 (4) 2.1退火电阻炉结构介绍 (4) 2.2系统建模 (5) 3 控制算法 (7) 3.1 大林算法 (7) 3.2参数确定 (10) 3.3大林算法的途径 (10) 4硬件核心电路部分 (11) 4.1模块的选择与设计 (12) 4.1.1输入模块的选择与设计 (12) 4.1.2输出模块的设计 (13) 4.2系统的抗干扰设计 (14) 5 PID算法对比研究 (15) 6 控制算法仿真设计 (16) 6.1 PID系统仿真 (17) 6.2大林算法系统仿真 (20) 6.3大林算法与PID算法对比仿真 (21) 7扰动状态下的系统性能分析 (22) 结论 (24) 参考文献 (23) 致谢 (24)

摘要 电阻炉对于冶金化工等工业领域应用十分广泛,对于我国的工业生产以及科学研究意义重大,而温度的控制对于电阻炉而言是其核心的关键技术。对于电阻炉的温度控制的精度来说,温度过高或者过低以及不稳定都会对产品生产的质量产生严重的影响,并且也并不利于产品生产的效率,工业上电阻炉的系统是一个纯滞后控制环节,其特点是纯滞后、大惯性以及非线性,使用传统控制方法会使而且多参数进行整定也很难达到我们想要的预期效果,而采用大林算法这一直接的数字设计法来进行对电阻炉的温度控制系统进行控制,使整个闭环系统的传递函数相当于一个延迟环节加上一个惯性环节串联以便实现工业上对于温度的精确要求。 关键词:大林算法;电阻炉;自动控制 Abstract Resistance furnaces are widespread used in industrial spheres such as metallurgical and chemical engineering. They are of great significance for industrial production and scientific research in China, and temperature control is the core technology of resistance furnaces. For the accuracy of temperature control of resistance furnace, too high or too low temperature and instability will have a serious impact on the quality of product production, and also not conducive to the efficiency of product production. For the industrial resistance furnace, the control system is a pure lag control, which is characterized by pure hysteresis, large inertia and nonlinearity. The control method will make the overshoot amount relatively large, the control precision is low, and the adjustment time is long, and it is difficult to guarantee the conditions for processing and production of the product. In the actual production life, people's expectation for the control system is that there is no overshoot or overshoot, especially in the control system with hysteresis. The scheme using the ordinary follower system is definitely not feasible. Use PID. The control method is also not suitable.In the temperature control, the traditional approaches uses the PID method of calculation to dominate, but in the case of the temperature control system of Electric Resistance Furnaces with larger residual Properties, the PID Control has a less trends and static control., and Multi-parameter tuning is also difficult to achieve the desired effect, and the direct digital design method of Dalin

基于某Vensim PLE啤酒游戏仿真实验报告材料

基于Vensim PLE啤酒游戏仿真实验报告 专业班级:工业工程一班 姓名:石洋洋 学号:20100770223

2 基于Vensim PLE啤酒游戏仿真 1.实验报告 2.提交啤酒游戏的因果关系及仿真结果 基于Vensim PLE啤酒游戏仿真实验报告 一、实验目的与要求 1.1实验目的 (1)初步掌握VENSIM软件的仿真模拟过程,认识并了解VENSIM软件 VENSIM是一个建模工具,可以建立动态系统的概念化的,文档化的仿真、分析和优化模型。PLE(个人学习版)是VENSIM的缩减版,主要用来简单化学习动态系统,提供了一种简单富有弹性的方法从常规的循环或储存过程和流程图建立模型。本实验就是运用VENSIM进行系统动力学仿真,进一步加深对系统动力学仿真的理解。 (2)以上机题目所给的啤酒游戏为案例实际操作VENSIM软件进行模拟仿真 运用系统动力学的原理和VENSIM软件构建了啤酒游戏的供应链模型,以及各相关因素之间的因果反馈关系模型。模拟仿真一个供应链流程的运行。从而将系统动力学的知识与软件实际操作融会贯通,更加了解该软件的应用。

(3)通过模拟仿真的结果来分析牛鞭效应 牛鞭效应,就是指当供应链上的各级供应商只根据来自其相邻的下级销售商的需求信息进行供应决策时,需求信息的不真实性会沿着供应链逆流而上,产生逐级放大的现象。 通过增加供应链模型节点个数并对其仿真结果进行分析,证明随着供应链长度的增加,牛鞭效应也愈加明显;对VMI 库存管理模式与传统库存管理模式的系统结构及运营绩效进行了比较,说明供应链成员间的信息共享可以有效地弱化牛鞭效应。 1.2实验要求 啤酒游戏中包含零售商、批发商、供应商三个成员。同时对游戏中的参数进行如下假设:消费者对啤酒的前4周的需求率为300箱/周,在5周时开始随机波动,波动幅度为±200,均值为0,波动次数为100次,随机因子为4个。假设各节点初始库存和期望库存为1000箱,期望库存持续时间为3周,库存调整时间为4周,预测平滑时间为5周,生产延迟时间和运输延迟时间均为3周,且为3阶延迟;不存在订单延迟。仿真时间为0~100周,仿真步长为1周。期望库存等于期望库存持续时间和各节点的销售预测之积。 策略1:不补充以往缺货需求N T I I Q j a j ej j + -= 策略2:考虑以往缺货需求N T I I Q k a fj ej j +-= 根据啤酒游戏基于VENSIM 软件的上级题目要求,分析确立所需建

大林算法控制系统设计

扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告 题目:大林算法控制系统设计 课程:计算机控制技术课程设计 专业:电气工程及其自动化 班级: 姓名: 学号:

第一部分 任 务 书

《计算机控制技术》课程设计任务书 一、课题名称 大林算法控制系统设计 二、课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容,是达到教学目标的重要环节,是综合性较强的实践教学环节,它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程,课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程,它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。通过课程设计,加深对学生控制算法设计的认识,学会控制算法的实际应用,使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成,掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤,编程调试,为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 三、课程设计内容 设计以89C51单片机和ADC 、DAC 等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计:89C51最小系统加上模入电路(用ADC0809等)和模出电路(用TLC7528和运放等);由运放实现的被控对象。 2. 控制算法:大林控制算法。 3. 软件设计:主程序、中断程序、A/D 转换程序、滤波程序、大林算法控制程序、D/A 输出程序等。 四、课程设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入(-5V~+5V ),模出电路能输出双极性电压(-5V~+5V )。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 每个同学选择不同的被控对象: 5 10 0.5 1.5(), ()(1)(0.81) (1)(0.41) s s G s e G s e s s s s --= = ++++8 8 10.5(), ()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51) s s G s e G s e s s s s --==++++5 8 1.52(), ()(1)(0.21) (0.81)(0.21) s s G s e G s e s s s s --= = ++++ 5 5 12(), ()(0.81)(0.31) (0.81)(0.21) s s G s e G s e s s s s --= = ++++

控制系统的极点配置设计法

控制系统的极点配置设计法 一、极点配置原理 1.性能指标要求 2.极点选择区域 主导极点: n s t ζω 4 = ;当Δ=0.02时,。 n s t ζω 3 = 当Δ=0.05时,

3.其它极点配置原则 系统传递函数极点在s 平面上的分布如图(a )所示。极点s 3距虚轴距离不小于共轭复数极点s 1、s 2距虚轴距离的5倍,即n s s ξω5Re 5Re 13=≥(此处ξ,n ω对应于极点s 1、s 2) ;同时,极点s 1、s 2的附近不存在系统的零点。由以上条件可算出与极点s 3所对应的过渡过程分量的调整时间为 135 1 451s n s t t =?≤ ξω 式中1s t 是极点s 1、s 2所对应过渡过程的调整时间。 图(b )表示图(a )所示的单位阶跃响应函数的分量。由图可知,由共轭复数极点s 1、s 2确定的分量在该系统的单位阶跃响应函数中起主导作用,即主导极点。因为它衰减得最慢。其它远离虚轴的极点s 3、s 4、s 5 所对应的单位阶跃响应衰减较快,它们仅在极短时间内产生一定的影响。因此,对系统过渡过程进行近似分析时。可以忽略这些分量对系统过渡过程的影响。 n x o (t) (a ) (b ) 系统极点的位置与阶跃响应的关系

二、极点配置实例 磁悬浮轴承控制系统设计 1.1磁悬浮轴承系统工作原理 图1是一个主动控制的磁悬浮轴承系统原理图。主要由被悬浮转子、传感器、控制器和执行器(包括电磁铁和功率放大器)四大部分组成。设电磁铁绕组上的电流为I0,它对转子产生的吸力F和转子的重力mg相平衡,转子处于悬浮的平衡位置,这个位置称为参考位置。 (a)(b) 图1 磁悬浮轴承系统的工作原理 Fig.1 The magnetic suspension bearing system principle drawing 假设在参考位置上,转子受到一个向下的扰动,转子就会偏离其参考位置向下运动,此时传感器检测出转子偏离其参考位置的位移,控制器将这一位移信号变换成控制信号,功率放大器又将该控制信号变换成控制电流I0+i,控制电流由I0增加到I0+i,因此,电磁铁的吸力变大了,从而驱动转子返回到原来的平衡位置。反之,当转子受到一个向上的扰动并向上运动,此时控制器使得功率放大器的输出电流由I0,减小到I0-i,电磁铁的吸力变小了,转子也能返回到原来的平衡位置。因此,不论转子受到向上或向下的扰动,都能回到平衡状态。这就是主动磁轴承系统的工作原理。即传感器检测出转子偏移参考点的位移,作为控制器的微处理器将检测到的位移信号变换成控制信号,然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流,控制电流在执行磁铁中产生磁力从而使转子维持其悬浮位置不变。悬浮系统的刚

可编程控制器控制系统设计方法

可编程控制器控制系统设计方法 一、问题提出 可编程控制器技术最主要是应用于自动化控制工程中,如何综合地运用前面学过知识点,根据实际工程要求合理组合成控制系统,在此介绍组成可编程控制器控制系统的一般方法。 二、可编程控制器控制系统设计的基本步骤 1 .系统设计的主要内容 ( 1 )拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定,它是整个设计的依据; ( 2 )选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构; ( 3 )选定 PLC 的型号;

( 4 )编制 PLC 的输入 / 输出分配表或绘制输入 / 输出端子接线图; ( 5 )根据系统设计的要求编写软件规格说明书,然后再用相应的编程语言(常用梯形图)进行程序设计; ( 6 )了解并遵循用户认知心理学,重视人机界面的设计,增强人与机器之间的友善关系; ( 7 )设计操作台、电气柜及非标准电器元部件; ( 8 )编写设计说明书和使用说明书; 根据具体任务,上述内容可适当调整。 2 .系统设计的基本步骤 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤,如图 1 所示。图 1 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤

( 1 )深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 a .被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。 b .控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统,还可将控制任务分成几个独立部分,这种可化繁为简,有利于编程和调试。 ( 2 )确定 I/O 设备 根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求,确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等,常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 ( 3 )选择合适的 PLC 类型 根据已确定的用户 I/O 设备,统计所需的输入信号和输出信号的点数,选择合适的 PLC 类型,包括机型的选择、容量的选择、I/O 模块的选择、电源模块的选择等。

基于大林算法的电阻炉温度控制系统设计(DOC)

课程设计任务书学院专业 学生姓名班级学号 课程设计题目基于大林算法的电阻炉温度控制系统设计实践教学要求与任务: 1)构成电阻炉温度控制系统 2)大林算法设计 3)硬软件设计 4)实验研究 5)THFCS-1现场总线控制系统实验 6)撰写实验报告 工作计划与进度安排: 1)第1~2天,查阅文献,构成闭环温度控制系统 2)第3天,大林算法设计 3)第4~5天,硬软件设计 4)第6天,实验研究 5)第7~9天,THFCS-1现场总线控制系统实验 6)第10天,撰写实验报告 指导教师: 201 年月日专业负责人: 201 年月日 学院教学副院长: 201 年月日

目录 摘要 (1) 1.课题简介 (2) 1.1课题目的 (2) 1.2课题内容 (2) 1.3课题要求 (2) 2.大林算法控制系统方案设计 (3) 2.1控制系统总体介绍 (3) 2.2控制系统闭环工作原理 (3) 3.大林算法控制系统硬件电路设计 (4) 3.1 A/D采样电路 (4) 3.2 D/A输出电路 (5) 3.3给定对象硬件电路设计 (6) 3.4总硬件图 (7) 4.大林算法控制系统算法设计 (8) 4.1 控制算法的原理 (8) 4.2 计算机实现的计算机公式推导 (8) 4.3 采样周期的选择 (9) 5.大林算法控制系统软件编程设计 (10) 5.1 主程序与中断流程图 (10) 5.2 部分控制程序代码 (11) 6.结论 (15) 7. 小结与体会 (16) 参考文献 (17)

摘要 电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验,电加热炉用电炉丝提供功率,使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为20KW ,有220V 交流电源供电,采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行控制,要求控制温度范围50~350℃,保温阶段温度控制精度为±1℃。选择合适的传感器,计算机输出信号经转换后通过双 向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压,其对象温控数学模型为:()1s d d K e G s T s -=+τ其中:时间 常数d T =350秒,放大系数d K =50,滞后时间τ=10秒,控制算法选用大林算法 。 关键词:单片机;A/D 、D/A ;大林算法;传感器;炉温控制

基于大林算法的温度控制

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

PID控制器设计

PID 控制器设计 一、PID 控制的基本原理和常用形式及数学模型 具有比例-积分-微分控制规律的控制器,称PID 控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点,其运动方程为: dt t de dt t e t e t m K K K K K d p t i p p ) ()()()(0 ++=? (1-1) 相应的传递函数为: ??? ? ??++=S S s K K K G d i p c 1)( S S S K K K d i p 1 2 ++? = (1-2) PID 控制的结构图为: 若14

二、实验内容一: 自己选定一个具体的控制对象(Plant),分别用P 、PD 、PI 、PID 几种控制方式设计校正网络(Compensators ),手工调试P 、I 、D 各个参数,使闭环系统的阶跃响应(Response to Step Command )尽可能地好(稳定性、快速性、准确性) 控制对象(Plant)的数学模型: ()()??? ? ??++=115.01 )(S S S G 2 322++=S S 实验1中,我使用MATLAB 软件中的Simulink 调试和编程调试相结合的方法 不加任何串联校正的系统阶跃响应: (1) P 控制方式: P 控制方式只是在前向通道上加上比例环节,相当于增大了系统的开环增益,减小了系统的稳态误差,减小了系统的阻尼,从而增大了系统的超调量和振荡性。 P 控制方式的系统结构图如下: 取Kp=1至15,步长为1,进行循环测试系统,将不同Kp 下的阶跃响应曲线绘制在一张坐标图下:

谈机电传动控制系统的设计方法

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/2212227146.html, 谈机电传动控制系统的设计方法 作者:李绍璞 来源:《科学与财富》2012年第06期 摘要:机电传动控制系统是由相互制约的五大要素组成的具有一定功能的整体,不但要求每个要素具有高性能和高功能,更强调它们之间的协调与配合,以便更好地实现预期的功能。特别是在机电一体化传动系统设计中,存在着机电有机结合如何实现,机、电、液传动如何匹配,机电一体化系统如何进行整体优化等问题,以达到系统整体最佳的目标。 关键词:机电;传动;控制系统;设计;方法 在机电传动与控制中,将与控制设备的运动、动作等参数有关的部分组成的具有控制功能的整体称为系统。用控制信号(输入量)通过系统诸环节来控制被控变量(输出量),使其按规定的方式和要求变化,这样的系统称为控制系统。 1、控制系统的分类 控制系统的分类方式很多,但机械设备的控制系统常按系统的组成原理分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 输出量只受输入量控制的系统称为开环控制系统。在任何开环控制系统中,系统的输出量都不与参考输人量进行比较。对应于每个参考输人量,都有一个相应的固定工作状态与之相对应,系统中没有反馈回路(反馈是把一个系统的输出量不断直接或间接变换后,全部或部分地返回到输入量,再将输入量输入到系统中去的过程)。用步进电动机作为执行元件的经济简易型数控机床,其控制系统就是一个开环系统。这种机床的控制装置和驱动装置根据机床的坐标进给控制信号推动工作台运动到指定位置,该位置的坐标信号不再反馈;当控制系统出现扰动时,输出量便会出现偏差。因此,开环控制系统缺乏精确性和适应性。但它是最简单、最经济的一类控制系统,一般使用在对精度要求不高的机械设备中。 在有些控制系统中,输出量同时受输人量和输出量的控制,即输出量通过反馈回路再对系统产生控制作用。这种存在反馈回路的系统称为闭纾控制系统。全功能型CNC机器人属闭环控制系统。在CNC机床的坐标驱动系统中,以坐标位置量为直接输出量,并在工作台上安装长光栅等位移测量元件作为反馈元件的系统才称为闭环系统。那些以交、直流伺服电动机的角位移作为输出量,用圆光栅作为反馈元件的系统则称为半闭环系统。目前的CNC机床大多为半闭环控制系统。采用半闭环控制系统的优点在于没有将伺服电动机与工作台之间的传动机构和工作台本身包括在控制系统内,系统易调整、稳定性好且整体造价低。 2、机电传动控制系统的设计方法 2.1模块化设计法

基于大林算法的炉温控制系统

基于大林算法的炉温控制 系统 Prepared on 24 November 2020

计算机控制技术课程设计2015/2016学年第二学期 设计课题:基于大林算法的炉温控制系统

目录

1 课题简介 课题目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容,是达到教学目标的重要环节,是综合性较强的实践教学环节,它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制系统》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程,课程设计环节应占有更加重要的地位。通过课程设计,加深对学生控制算法设计的认识,学会控制算法的实际应用,使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成,掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤,编程调试,为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 课题任务 设计以89C51单片机和AD 、DA 驱动电路、控制电路、滤波电路、被控对象电路等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计:89C51最小系统加上模入电路(用ADC0809等)和模出电路(用DAC0832和运放等);由运放实现的被控对象。 2. 控制算法:大林控制算法。 3. 软件设计:主程序、中断程序、A/D 转换程序、大林算法控制程序、D/A 输出程序等。 4.仿真设计:用Matlab 仿真闭环控制系统。 设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入(-5V~+5V ),模出电路能输出双极性电压(-5V~+5V )。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 选择被控对象:G (),3.341 s c e s T s τ-= =+ 4. 对象的纯延迟环节s e τ-用软件通过数组单元移位实现。 5. 定时中断间隔选取50ms ,采样周期T 既要是采样中断间隔的整数倍,又满足 (0.2~1)T τ=。 6. 闭环系统时间常数T τ按倍的被控对象最大时间常数选择。 2 大林算法控制系统方案设计 大林算法总体介绍 图2-1 大林算法设计的闭环控制系统方框图 在控制系统设计中,纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素,这种系统如果控制器设计不当,常常会引起系统产生大的超调或振荡。对这类系统的控制要求,快速性是次要的,而主要要求系统没有超调或很少的超调。大林

大林算法实验报告

大林算法实验报告 一、实验目的 1、掌握大林控制算法的基本概念和实现方法; 2、进一步熟悉MATLAB 的使用方法; 3、掌握在MATLAB 下大林算法控制器的调试方法; 4、观察振铃现象,并且尝试消除振铃现象 二、实验原理 1.大林算法的原理及推导 大林算法是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。 大林控制算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数φ(s ) 相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联,即: 整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象G 0(s )的纯滞后时间τ相同。 闭环系统的时间常数为T τ ,纯滞后时间τ与采样周期T 有整数倍关系, τ=NT 。 其控制器形式的推导的思路是用近似方法得到系统的闭环脉冲传递函数,然后再由被控系统的脉冲传递函数,反推系统控制器的脉冲传递函数。 由大林控制算法的设计目标,可知整个闭环系统的脉冲传递函数应 当是零阶保持器与理想的φ(s )串联之后的Z 变换,即φ(z )如下: 对于被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节即: 其与零阶保持器相串联的的脉冲传递函数为: 于是相应的控制器形式为: 1 ()1 s s e T s ττ φ-=+1 /1 () 1(1)()=()11T s ττ T/T s N T T -Y z e e e z z Z z R z s T s e z ττ φ------??--==?=? ? ?+-?? 011()11s NTs Ke Ke G s T s T s τ--== ++11/1/1111()11T T Ts s N T T e Ke e G z Z Kz s T s e z τ-------??--=?=? ?+-??

基于大林算法的炉温控制系统设计与仿真课程设计报告

电气工程与自动化学院 课程设计报告 (控制基础) 题目:基于大林算法的炉温控制系统设计与仿真 专业班级:自动化101班 学号:26号 学生姓名:许瑞新 指导老师:杨国亮 2012 年 12 月 21 日

摘要 在许多实际工程中 , 经常遇到一些纯滞后调节系统,往往滞后时间比较长。对于这样的系统, 人们较为感兴趣的是要求系统没有超调量或很少超调量, 超调成为主要的设计指标。尤其是具有滞后的控制系统, 用一般的随动系统设计方法是不行的, 而且 PID 算法效果往往也欠佳。在温度控制技术领域中, 普遍采用控制算PID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控制。 IBM公司的大林于1968年提出一种针对工业生产过程中含有纯滞后的控制对象的控制算法,即大林算法。它具有良好的效果,采用大林算法的意义在于大林控制算法能在一些具有纯滞后环节的系统中兼顾动静两方面的性能,若采用大林算法, 可做到无或者小超调,无或小稳态误差,控制效果比较理想。对工程实际应用具有很大的意义。下面就PID设计和大林算法设计比较,发现二者的不同之处,然后用Matlab的GUI功能将两者制作成可简单操作的用户图形界面。 关键词:大林算法;PID控制;GUI界面;Matlab;

目录 第一章大林算法在炉温控制中的应用 (3) 1.1大林算法简介 (3) 1.2大林算法在炉温控制中的设计思路 (3) 1.3大林算法实现炉温控制中的代码算法及波形图 (5) 第二章 PID实现炉温控制的仿真 (7) 2.1 PID的原理及介绍 (7) 2.2 PID炉温控制算法程序设计 (8) 第三章大林算法和PID实现炉温控制的SIMULINK仿真 (11) 3.1 大林算法SIMULINK仿真结构图及波形 (11) 3.2 PID的SIMULINK仿真 (12) 3.3 大林算法和PID的比较 (12) 第四章 GUI图形用户界面编程设计 (13) 4.1 GUI简介 (13) 4.2 GUI界面的建立 (13) 4.2.1编写pushButton回调函数 (17) 4.2.2仿真波形 (17) 致谢 (18) 参考文献 (19)

matlab下模糊控制器设计步骤

下面将根据模糊控制器设计步骤,一步步利用Matlab工具箱设计模糊控制器。 Matlab模糊控制工具箱为模糊控制器的设计提供了一种非常便捷的途径,通过它我们不需要进行复杂的模糊化、模糊推理及反模糊化运算,只需要设定相应参数,就可以很快得到我们所需要的控制器,而且修改也非常方便。 首先我们在Matlab的命令窗口(command window)中输入fuzzy,回车就会出来这样一个窗口。 下面我们都是在这样一个窗口中进行模糊控制器的设计。

1.确定模糊控制器结构:即根据具体的系统确定输入、输出量。 这里我们可以选取标准的二维控制结构,即输入为误差e和误差变化ec,输出为控制量u。注意这里的变量还都是精确量。相应的模糊量为E,EC和U,我们可以选择增加输入(Add Variable)来实现双入单出控制结构。 2.输入输出变量的模糊化:即把输入输出的精确量转化为对应语言变量的模糊集合。 首先我们要确定描述输入输出变量语言值的模糊子集,如{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},并设置输入输出变量的论域,例如我们可以设置误差E(此时为模糊量)、误差变化EC、控制量U的论域均为{-3,-2,-1,0,1,2,3};然后我们为模糊语言变量选取相应的隶属度函数。

在模糊控制工具箱中,我们在Member Function Edit中即可完成这些步骤。首先我们打开Member Function Edit窗口. 然后分别对输入输出变量定义论域范围,添加隶属函数,以E为例,设置论域范围为[-3 3],添加隶属函数的个数为7.

然后根据设计要求分别对这些隶属函数进行修改,包括对应的语言变量,隶属函数类型。

大林算法控制器设计

2. Gs=e-1ss(s+1) 采样周期T=0.5s,试用达林算法设计数字控制器D(z)。写出设计过程,对比输出与给定的效果波形,并显示控制器输出波形。解:广义对象的脉冲传递函数: Gz=Z1-e-TssGs=Z1-e-Tss e-1sss+1 =Z[e-s-e-s1+T1s2s+1] =z-21-z-1Z[1s2-1s+1s+1] =z-21-z-1[0.5z-11-z-12-11-z-1+11-e-0.5z-1] =z-30.1065(1+0.8474z-1)1-z-1(1-0.6065z-1) 根据达林算法,构成的惯性环节与滞后时间τ=1s的纯滞后环节串联而成的理想闭环系统。设Tτ=0.5s Φs=1Tτs+1e-τs=e-1s0.5s+1 它所对应的理想闭环脉冲传递函数: Φz=Z1-e-TssΦs=Z[1-e-Tss e-NTsTτs+1] =z-N-11-e-TTτ1-e-TTτz-1 因为N=τT=2, T=0.5s,Tτ=0.5s 所以:Φz=0.632z-31-0.368z-1 所求数字控制器为: Dz= Φz Gz [1- Φz] =0.632z-31-0.368z-1z-30.10651+0.8474z-11-z-11-0.6065z-1(1-0.632z-31-0.368z-1) =5.9341-z-1(1-0.6065z-1)1+0.8474z-1(1-0.368z-1-0.632z-3)在Gz中可以看到有一个零点z=-0.8474靠近z=-1,所以如果不对达林算法进行修正必会产生振铃现象,令因子(1+0.8474z-1)中的z=1即 Gz=0.1967z-31-z-1(1-0.6065z-1)

电动汽车用整车控制器总体设计方案

电动汽车用整车控制器总体设计方案

目次  1 文档用途 (1) 2 阅读对象 (1) 3 整车控制系统设计 (1) 3.1 整车动力系统架构 (1) 3.2 整车控制系统结构 (2) 3.3 整车控制系统控制策略 (3) 4 整车控制器设计 (4) 5 整车控制器的硬件设计方案 (5) 5.1 整车控制器的硬件需求分析 (5) 5.2 整车控制器的硬件设计要求 (6) 6 整车控制器的软件设计方案 (7) 6.1 软件设计需要遵循的原则 (7) 6.2 软件程序基本要求说明 (7) 6.3 程序中需要标定的参数 (7) 7 整车控制器性能要求 (8)

整车控制系统总体设计方案  1 文档用途  此文档经评审通过后将作为整车控制系统及整车控制器开发的指导性文件。 2 阅读对象  软件设计工程师 硬件设计工程师 产品测试工程师 其他相关技术人员 3 整车控制系统设计  3.1 整车动力系统架构  如图1所示,XX6120EV纯电动客车采用永磁同步电机后置后驱架构,电机○3通过二挡机械变速箱○4和后桥○5驱动车轮。车辆的能量存储系统为化学电池(磷酸铁锂电池组○8),电池组匹配电池管理系 统(Battery Management System,简称BMS)用以监测电池状态、故障报警和估算荷电状态(State of Charge,简称SOC)等,电池组提供直流电能给电机控制器○2通过直-交变换和变频控制驱动电机运转。 整车控制器○1(Vehicle Control Unit,简称VCU)通过CAN(Control Area Network)和其它控制器联接,用以交换数据和发送指令。该车采用外置充电机传导式充电,通过车载充电插头利用直流导线联接充电 机○9,充电机接入电网。 ○1整车控制器○2电机控制器○3交流永磁同步电机○4变速箱○5驱动桥 ○6车轮○7电池管理系统○8磷酸铁锂动力电池组○9外置充电机○10电网连接插座 图1 整车动力系统架构简图

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