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合肥工业大学《计算机控制技术》课程设计——电阻炉温度控制系统设计学院专业姓名学号＿_＿__＿_ _＿＿＿____ ＿完成时间摘要: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.关键词:炉温控制；高效率;加热一、总体方案设计本次课程设计主要就是使用计算机以及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，从而使系统达到工艺要求的性能指标。
１、设计内容及要求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8KW，有220Ｖ交流电源供电,采用双向可控硅进行控制。
２、工艺要求及要求实现的基本功能本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度;电炉额定功率为20 kＷ；)恒温正常工作温度为１000℃,控温精度为±１%;电阻炉温度按预定的规律变化,超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性;具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±１℃;具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。
3、控制系统整体设计电阻炉温度计算机控制系统主要由主机、温度检测装置、A/D转换器、执行机构及辅助电路组成.系统中主机可以选用工业控制计算机、单片微型计算机或可编程序控制器中的一种作为控制器,再根据系统控制要求,选择一种合理的控制算法对电阻炉温度进行控制。
大林算法控制系统设计-V1"大林算法控制系统设计"是一种根据数据驱动的算法控制系统设计方法，它可以在系统设计和控制中利用数据，自动优化系统的运行效率和性能表现。
该算法的设计思想是，通过观察和分析系统内的数据集，从中提取出规律和特征，然后再利用这些数据，通过数学运算得到最优解，在系统设计的各个环节中实现自动化的控制。
下面分几个方面分别介绍大林算法控制系统设计的内容：1. 数据采集和分析大林算法控制系统的第一步是数据的采集和分析。
该系统通过采集内部的数据集，并运用统计学和机器学习的算法进行分析，从而得到更多的数据。
2. 数据的预处理和清洗得到数据后，需要进行数据的预处理和清洗。
这意味着去除噪点、缺失值和异常值，以及对数据进行归一化、标准化和编码等处理。
3. 特征抽取在对数据进行预处理和清洗后，需要进行特征抽取。
这一步是将复杂的数据集精简成简单的特征集合。
特征抽取可以通过多种算法进行实现，例如主成分分析、线性判别分析和单纯可分分类器等。
4. 模型的训练和调整经过特征抽取后，就可以开始模型的训练和调整了。
这个过程需要基于生成算法、决策树、神经网络和支持向量机等算法来实现。
5. 模型的运用和控制最终，经过训练和调整后的模型就可以在控制系统中得到应用和控制了。
通过不断的数据收集和分析，以及对模型的调整和优化，可以不断地提高系统的性能表现和运行效率。
总的来说，大林算法控制系统设计的目的是通过对系统内部的数据进行采集、分析、预处理和清洗、特征抽取、模型的训练和调整、以及模型的应用和控制，实现自动化的控制和优化。
是一种利用数据驱动的算法控制系统设计方法，能够大大提高系统的运行效率和性能表现。
一、实验目的1. 理解大林控制算法的基本原理及其设计过程。
2. 掌握大林控制算法在计算机控制系统中的应用。
3. 通过实验验证大林控制算法在解决纯滞后系统控制问题上的有效性。
二、实验原理大林控制算法（Dahlin Control Algorithm）是一种针对具有纯滞后特性的控制对象而设计的新型控制算法。
该算法的核心思想是将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯延迟形式，然后通过反向设计得到满足这种闭环响应的控制器。
对于具有纯滞后特性的被控对象，其传递函数可以表示为：\[ G(s) = \frac{K}{T_s s + 1} \cdot e^{-\frac{s}{T}} \]其中，\( K \) 为系统增益，\( T_s \) 为采样周期，\( T \) 为纯滞后时间。
大林控制算法要求选择闭环传递函数 \( W(s) \) 时，采用相当于连续一阶惯性环节的 \( W(s) \) 来代替最少拍多项式。
如果对象有纯滞后，则 \( W(s) \) 应包含有同样的纯滞后环节。
带有纯滞后的控制系统闭环传递函数为：\[ W(s) = \frac{K}{T_s s + 1} \cdot e^{-\frac{s}{T}} \]根据大林控制算法，可以设计出满足期望闭环响应的数字控制器 \( D(z) \)：\[ D(z) = \frac{K_1 e^{-\frac{1}{T}}}{(1 - e^{-\frac{1}{T_1}}) (1 - e^{-\frac{1}{T_2}})} \cdot \frac{1}{[1 - e^{-\frac{1}{T_1}} (1 - e^{-\frac{1}{T_2}})] (1 - e^{-\frac{1}{T} z^{-1}})} \]其中，\( K_1 \)、\( T_1 \) 和 \( T_2 \) 为大林算法的参数。
三、实验仪器1. MATLAB 6.5软件一套2. 个人PC机一台四、实验步骤1. 启动MATLAB软件，创建一个新的脚本文件。
一、实验目的1. 理解大林算法的基本原理和设计过程。
2. 掌握大林算法在计算机控制系统中的应用。
3. 分析大林算法对控制系统性能的影响。
二、实验仪器1. PC计算机一台2. MATLAB 6.5软件一套3. EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台三、实验原理大林算法是一种针对具有纯滞后特性的控制系统而设计的控制算法。
该算法通过将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯延迟，然后根据这种闭环响应设计控制器，从而实现对具有纯滞后特性的系统的控制。
四、实验内容1. 实验被控对象的构成：（1）惯性环节的仿真电路及传递函数。
（2）纯延时环节的构成与传递函数。
（3）被控对象的开环传递函数。
2. 大林算法的闭环传递函数：闭环传递函数为：\[ G(s) = \frac{K}{T_{s}^{N} \left( \frac{s}{T} + 1 \right)} \]其中，\( K \)为增益，\( T \)为时间常数，\( N \)为纯滞后时间。
3. 大林算法的数字控制器：数字控制器为：\[ D(z) = \frac{(1 - e^{-\frac{1}{T}})(1 - e^{-\frac{1}{T_{1}}z^{-1}})}{K \left(1 - e^{-\frac{1}{T_{1}}}z^{-1}\right) \left[1 - e^{-\frac{1}{T}}z^{-1} - (1 - e^{-\frac{1}{T}})z^{-N}\right]} \]其中，\( K \)为增益，\( T \)为时间常数，\( T_{1} \)为时间常数，\( N \)为纯滞后时间。
五、实验步骤1. 启动计算机，打开MATLAB软件。
2. 编写程序，搭建被控对象模型。
3. 根据被控对象模型，设计大林算法控制器。
4. 对大林算法控制器进行仿真，观察控制效果。
5. 分析大林算法对控制系统性能的影响。
六、实验结果与分析1. 仿真结果：（1）大林算法控制器的阶跃响应。
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 sτ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 TK 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 TT T T K q DP 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GUI2、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。
