计算机控制课程设计――大纯时延一阶惯性环节温度控制系统.

计算机控制技术课程设计报告---基于PID算法的模拟温度闭环控制系统课程设计报告一、控制对象：1.2.1 被控对象本次设计为软件仿真，通过PID算法控制系统在单位阶跃信号u(t)的激励下产生的零状态响应。

传递函数表达式为：(z)0.383(1?0.386??1)(1?0.586??1)?(?)== 1.2.2 设计要求要求系统能够快速响应，并且可以迅速达到期望的输出值。

本次设计选用PID控制算法，PID控制器由比例控制单元P、积分控制单元I和微分控制单元D组成。

其输入e t 与输出u(t)的关系为1??? ? u t =?? e t + ? ? ?? +?? +?0 ?0式中，??为比例系数；??为积分时间常数；??为微分时间常数。

二、控制要求分析：设定目标温度，使温度呈单位阶跃形式在目标温度处趋于震荡稳定。

使系统能够在任意设定的目标温度下，从现有温度达到目标温度，并趋于稳定状态。

三、可行性分析:参考国内外的技术资料，可以通过计算机仿真技术实现该模拟温度闭环控制系统；利用C语言实现基于PID算法的模拟温度闭环控制系统。

四、总体设计：4.1控制系统组成控制系统框图如图1所示。

图1 控制系统框图4.2工作原理：在图1 所示系统中，D(z)为该系统的被控对象，零状态下，输入为单位阶跃信号R的输出u t 反馈给输入。

在参数给定值R的情况下，给定值R与反馈值比较得到偏差e t =R?u t ，经过PID 调节器运算产生相应的控制量，PID 调节器的输出作为被控对象的输入信号，是输入的数值稳定在给定值R。

4.3模拟PID控制算法原理：在模拟系统中PID算法的表达式为：式中，P(t)为调节器输出信号，e(t)为调节器偏差信号，它等于测量值与给定值之差；Kp为调节器的比例系数，1/T1为调节器的积分时间， Td为调节器的微分时间。

在计算机控制系统中，必须对上式进行离散化使其成为数字式的差分方程。

将积分式和微分项近似用求和及增量式表示。

一阶纯滞后环节表达式理论说明1. 引言1.1 概述在控制理论和系统分析中，纯滞后环节是一种重要的数学模型。

纯滞后环节可以用来描述实际系统中存在的延时响应特性，尤其是在工程控制中具有广泛的应用。

本文将详细介绍一阶纯滞后环节的数学表达式、特点以及其在系统控制领域中的应用。

1.2 文章结构本文主要包括五个部分，首先是引言部分，对文章进行概述和结构说明；第二部分将详细探讨一阶纯滞后环节的理论说明，包括定义、数学表达式以及其特点和应用；第三部分将进行理论验证与实例分析，介绍实验设备与方法，并对收集到的数据进行处理和分析；第四部分将对结果进行讨论与分析，比较不同参数和输入信号对滞后响应的影响，并探讨纯滞后环节模型在系统控制中的应用前景；最后一部分为结论与展望，总结研究工作并提出未来研究方向建议。

1.3 目的本文旨在深入理解一阶纯滞后环节，在数学上准确描述其特性和行为，并探讨其在实际系统中的应用。

通过理论验证与实例分析，旨在验证和进一步加深对纯滞后环节的认识。

最终，本文将为系统控制领域提供关于一阶纯滞后环节的理论基础和应用前景的参考依据。

2. 一阶纯滞后环节表达式的理论说明：2.1 什么是一阶纯滞后环节一阶纯滞后环节是控制系统中常见的一种动态特性，它是指输出信号与输入信号之间存在固定时间延迟和衰减比例的关系。

在一个典型的一阶纯滞后环节中，输出信号会滞后于输入信号，并以指数衰减的形式逐渐趋近于输入信号。

2.2 纯滞后环节的数学表达式对于一个一阶纯滞后环节，其数学表达式可以表示为：G(s) = e^(-τs)其中，G(s)表示该纯滞后环节的传递函数，s为复平面上的复变量，τ为时间常数。

2.3 纯滞后环节的特点与应用纯滞后环节具有以下几个特点和应用：a) 时间延迟：由于纯滞后环节的存在，在输入信号发生改变时，输出信号会有一定的延迟。

这种时间延迟效应在实际控制系统中具有很大影响，在某些需要考虑时序关系和稳定性要求较高的控制任务中起到重要作用。

简述一阶控制系统的基本概念及其主要特点
一阶控制系统是指仅包含一个控制环节的控制系统，其主要包括输入信号、控制器、过程、输出信号和反馈信号等基本组成部分。

一阶控制系统的主要特点有以下几点：
1. 系统响应具有惯性：由于系统具有惯性，需要一定的时间才能达到稳定状态，因此系统响应速度相对较慢。

2. 系统稳态误差存在：在一阶控制系统中，由于没有积分环节，无法完全消除输入信号与输出信号之间的误差，因此系统在稳态下仍会存在一定的误差。

3. 系统响应具有指数衰减特性：在一阶系统中，输出信号的响应呈指数衰减的趋势，即随着时间的增加，响应的幅值逐渐减小。

4. 系统稳定性易于分析：一阶控制系统的稳定性分析相对简单，可以通过判断系统的传递函数极点位置来判断系统的稳定性。

5. 系统难以满足高性能要求：由于一阶系统具有较低的响应速度和较大的稳态误差，因此难以满足一些对响应速度和稳定性要求较高的控制任务。

摘要介绍了将达林算法用于电阻炉温度的计算机控制系统中的结构、原理。

阐述了大林算法作为一种直接数字设计法，适用于被控对象为滞后的系统。

电阻炉作为工业炉窑中的一种常用加热设备被广泛应用于工业生产中。

对电阻炉温度控制精确与否将直接影响到产品的质量和生产效率。

电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。

本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。

设计一个控制精度高、运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。

仿真结果表明，该算法优于常规PID算法，是一种较好的控制算法。

关键词：炉温控制、PID算法、大林算法AbstractThe paper introduces Dahlin Algorithm used in resistance furnace’s temperature computer control system. Dahlin Algorithm is a direct digital design method, it adapts to the plant with delay. Resistance furnace was widely used in industrial production, the effect of the temperature control of Resistance furnace has a direct impact on product quality and productivity. Therefore, the design of a high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value. Simulations show this method is better than ordinary PID algorithm, it is a good control method.Key words: furnace’s temperature; Dahlin Algorithm; PID control;目录第1章绪论 (1)1.1 电阻炉的简介 (1)1.2 电阻炉温度控制研究的目的及意义 (2)1.3 电阻炉温度控制系统的研究状况 (2)1.3.1 国际发展现状 (3)1.3.2 国内发展现状 (3)1.4本论文的设计任务 (3)第2章控制系统分析 (5)2.1 被控对象分析 (5)2.1.1 纯滞后介绍 (5)2.1.2 控制器分析 (5)2.2 PID算法 (6)2.2.1 数字PID控制器 (7)2.2.2 数字PID的参数整定 (8)2.3大林算法 (9)第3章控制系统的设计与仿真 (12)3.1 PID控制器控制下的系统仿真 (12)3.2 大林控制算法下的系统仿真 (15)3.3 大林控制算法和PID控制器的比较 (16)第4章振铃现象及扰动分析 (18)4.1 振铃现象 (18)4.2 扰动下的系统性能分析 (18)第5章课程设计心得 (19)参考文献 (20)第1章绪论1.1 电阻炉的简介我们所讲的普通电阻加热炉属于工业炉，而非是锅炉，常见的锅炉不属于此类高温工业炉范畴，锅炉属于能源转化设备，例如：采暖锅炉是将煤转化为热能。

电阻加热炉温度控制系统设计一、摘要温度是工业对象中主要的被控参数之一。

尤其是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。

由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。

但就控制系统本身的动态特性而言，均属于一阶纯滞后环节，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其他纯滞后补偿算法。

但对于电阻加热炉来说，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模型和确定参数。

而传统PID控制是一种建立在经典控制理论基础上的控制策略，其设计依赖于被控对象的数学模型，因此对于加热炉这类控制对象采用传统PID的控制方案很难达到理想的控制效果。

为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。

因此，在工农业生产或科学实验中常常对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。

在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适芯片及控制算法是非常有必要的本设计要用单片机设计一个电阻炉温度控制系统。

电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。

间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。

直接加热式电阻炉，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。

工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。

由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布均匀、环保等优点，应用十分广泛。

二、总体方案设计1、设计任务：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。

《计算机控制技术》设计报告题目：水温计算机控制系统姓名：张家明班级:09自动化2班学号：080312009081一﹑设计任务与要求1.基本要求1L水由1kW的电路加热,要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保持在设定的温度。

2.主要性能指标(1)。

温度设定范围：10℃~100℃，最小分辨率为1℃.(2）.控制精度：温度控制的稳态误差<0。

2℃.（3）.能够实时显示当前水温（4).具有通信能力，可通过RS—232串口输出当前温度值至上位机。

（5）。

采用适当的控制方法,当设定温度或环境温度突变时减小系统的调节时间和超调量。

二﹑方案论证由于水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点,水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以将被控对象归于具有纯滞后的一阶惯性环节。

该系统可以采用以下几种控制方案:1。

输出开关量控制对于惯性较大的过程可简单地采用输出开关量控制的方法。

这种方法通过比较给定值与被控参数来控制输出的状态：通过控制加热回路的晶闸管的导通或关断来控制加热时间,控制过程简单易行，但容易引起反馈回路产生振荡。

因此这种控制方案一般在大惯性系统对控制精度和动态特性要求不高的情况下采用。

2.PID控制设计PID控制算法（常规PID﹑微分先行PID﹑中间反馈PID等）,对给定值与被控参数的偏差进行PID运算，输出控制量来控制加热回路。

3。

最小拍控制根据数字控制器的离散化设计方法，设计最小拍有波纹（或无波纹)数字控制器来控制加热回路。

4。

纯滞后控制技术（1)。

史密斯预估控制设计史密斯预估器实现对大延迟系统的控制。

(2）.达林控制算法通过达林算法设计数字控制器实现对水温的控制。

三﹑系统设计1．硬件设计水温控制系统结构图⑵．系统硬件总体设计框图水温控制系统硬件总体设计框图⑶．单元电路设计①．单片机最小系统②．温度传感器信号调理及A/D转换电路③．键盘接口电路④．LCD1602液晶显示电路⑤．驱动电路⑥．串口通信电路2．软件设计对温度采样信号进行数字滤波，可采用如下几种方法：①．限幅滤波法②．中值滤波法③．算术平均值滤波法④．加权平均值滤波法⑤．滑动平均值滤波法⑥．惯性滤波法⑦．复合数字滤波主程序流程图运行子程序流程图控制算法设计⑴．PID 控制算法设计 其控制规律表达式为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDI P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 由上式可得PID 控制器的传递函数为：s T K sT K K s D D P I P P ++=1)( 对应的数字PID 控制算法： ①．位置型PID 控制算法：⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++=∑=T k e k e T i e T Tk e K k u ki D I P )1()()()()(0②．增量型PID 控制算法])2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=∆k e k e k e TD T P K k e IT T P K k e k e P K k u（2）.最小拍控制系统设计被控对象传函为sP e s s G 21010)(-+=。

题目退火炉计算机温度控制系统设计分院姓名学号专业班级指导教师引言退火炉是一种热处理设备，它把压力容器加热到一定温度并维持一段时间，然后让其自然冷却。

其目的在于消除压力容器的整体压力。

提高压力容器的使用寿命。

温度是退火炉的主要被控变量，是保证其产品质量的一个重要因素。

1 设计要求温度控制系统设计：已知某退火炉，规定额定温度为T，允许误差为△T=±2%，其加热是通过煤气燃烧来实现的，试设计一个计算机温度控制系统来实现炉温控制？并给出系统模型，选用主要元器件，设计控制算法，最后在MATLAB上对系统进行仿真？大概过程：1 设计要求2 要求分析，建立温度控制系统的原理框图3 根据框图给出系统的方块图（包括各个主要组成部分的模型建立，如电机，退火炉（为一阶环节与滞后环节相乘）等）4 选好控制器（单片机），A/D，D/A，传感器，电机等，画出大概电路图5 选定控制算法，给出计算公式，并把具体参数带入到公式中，在MATLAB上建模仿真，分析典型信号的相应特性。

2、退火炉温度控制系统的原理框图退火炉以煤气、空气混合气为辅助燃料，煤气和空气的比例为3:2，炉温的高低直接与混合气的进给量有关，适当调节它的进给量，即恰当地控制混合气的阀门的开启角度就可以控制退火炉的温度高低。

退火炉的结构框图如图1所示。

其工作原理是退火炉温度Tx经传感器、变送器检测、变换的T(t)值，与温度给定值R(t)比较后,两者的偏差值Et(t)经微机数字控制器D(z)分析、运算，输出相应的控制量，驱动执行机构C，调节流量控制阀阀门C的开启角度，改变混合气的进给量。

流量控制阀C图13、退火炉温度控制系统的方块图退火炉温度控制系统的方块图如图2所示其中：H(s)=1st e s -- 1()1sc Ke G s s θτ-=+ ()1D s =R(t)+-ET(t)ET(z)Uc(z)图24、退火炉温度控制系统的控制算法分析“温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即1()'()*()*11sc c Ke G s G s D s s θτ-==+式中：Gc(s) ——煤气退火炉的传递函数；D(s) ——比例环节取1；K ——比例系数；θ——纯滞后时间；τ1——时间常数。