对具有纯滞后的一阶惯性环节的设计

变频恒压供水系统PID控制器的参数整定林惠标【摘要】为了设计控制性能更好的变频恒压供水系统，分析并建立具有纯时滞一阶惯性环节的系统数学模型；使用MATLAB/Simulink PID整定工具求解变频恒压供水系统PID控制器的参数整定问题，优化设计变频恒压供水系统的PID控制器，这种方法不仅起到优化设计变频恒压供水系统的目的，而且自动化设计程度更高，很大程度上减少了控制器设计的工作量。

%In order to design a water supply system with stability and reliability, A frequency-conversion speed-regulation constant pressure water supply system is studied and analyzed in this paper.A mathematical model of system is established to obtain a pure hysteresis and one order inertia model. MATLAB/Simulink PID tuning tool is launched to achievePID parameters forfrequency-conversion speed-regulation constant pressure water supply system. The method can not only optimize the design of a reliability and stability system, but also reduce the workload of controller designed.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P36-39)【关键词】PID参数整定;变频调速;优化设计【作者】林惠标【作者单位】汕头职业技术学院机电工程系，广东汕头 515078【正文语种】中文【中图分类】TP29*汕头职业技术学院科研课题（编号：SZK2012C01）经济社会的迅速发展，人们开始提倡低碳经济发展，对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；节能要求越来越高。

一阶惯性加纯滞后过程的分数阶PID的脆弱性摘要本文对在一阶惯性加纯滞后模型采用的分数阶PID控制器进行了分析。

尤其是对控制器参数对已获得控制系统的鲁棒性和性能的影响的研究。

结果表明，这种控制器跟标准PID控制器比起来更加脆弱，因此用户在整定的时候需要格外的慎重。

关键词：分数阶控制器，PID控制，整定，脆弱性1 引言众所周知，一个合理的控制系统必须同时兼顾性能和鲁棒性。

然而，也应该认识到另外很重要的一点那就是控制器参数变化对脆弱性的影响，也就是说，控制器参数改变会影响控制系统的鲁棒性和性能的敏感程度。

这个问题已经在其他文章中提及（见，例,[1]）,尤其在[2]强调基于的最小化设计技术，和规范服从于高阶的健壮性（yield to high-order robust），最优的但极其脆弱的控制器，换言之，控制器系数非常小的变化会导致不稳定的系统。

然而，在[3,4]中指出，这个问题可以通过采用合适的控制器参数来解决。

就如在工业界使用最广的整数阶PID，这类控制器的脆弱性已经被解决。

其中，为了是控制器参数向量在给定的范围内的稳定域最大化，作者建议调整整数阶PID控制器的参数。

然而典型的工业性能的测量（关系到对设定值的跟踪和对负载干扰的抑制任务）并不考虑。

并且，在图[7]中显示，这种办法已经被应用到一阶惯性加纯滞后模型，产生了与采用Ziegler-Nichols阶跃响应方法相似的调谐，从各方面看都是有改善的。

因此，在文献中已被公认，研究整数阶PID的一个主要原因就是让使用者明白怎样调整好控制器[10,11,12]。

换句话说，整数阶PID的参数有明确的物理含义，操作者可以通过修改它们来改变控制系统的性能。

在文中，当参数微调对评估鲁棒性和性能的敏感性很有用。

为此，引入了一个叫做脆弱性环的图形化工具，它可以对评估控制器的鲁棒性/脆弱性提供了一种可视化帮助。

近年来，一些学术和工业界团体对分数阶PID控制器很感兴趣，因为他们在控制系统设计中能够更灵活（仅有5个参数需要整定）（见，例[14]-[17]）。

目录一课程设计内容任务 (3)二对课设任务的解读 (3)三系统结构模型框图 (3)四各部分程序流程图 (4)五数字控制器设计 (5)六系统仿真 (6)七抗干扰性分析 (11)八硬件设计 (13)九系统设计硬件元素选型 (14)十心得体会.............................................................................. 16 十一参考文献 (16)附硬件设计图一、课程设计内容任务1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节 (G(s=K*e-θs/(Ts+1温度控制系统和给定的系统性能指标, (工程要求相角裕度为 30~60,幅值裕度 >6dB;要求测量范围 -50℃~ 200℃,测量精度 0.5%,分辨率 0.2℃;2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图,并转化为系统结构图;3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图;4、用 MATLAB 和 SIMULINK 进行仿真分析和验证;K=10*log(C*C-sqrt(C,rand(‘state’,C,T=rand(1, θ=0或 T/2, C 为学号的后 3位数,如:C=325, K=115.7, T=0.9824, θ=0或 0.4912;5、进行可靠性和抗干扰性的分析;6、书写设计体会和心得。

二、对课设任务的理解和分析1、该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制,选取实际生活中常见的温度为控制对象;2、该任务只需要一个控制对象,进行可靠性和抗干扰性分析时设定随机干扰量, 观察仿真图形和性能,故可以选取简单回路控制系统模型进行设计;3、硬件设计过程采取分步设计,由局部到整体,主要有温度检测模块、输入通道部分、输出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路、数码管显示等; 4、取θ= T/2, 大纯时延系统的控制算法有多种,根据其特定性能,本设计在 PID 算法和达林算法之间权衡之后做出选择,最终采用达林控制算法来实现系统控制,取期望闭环传递函数 H(s,求解出数字控制器 D(z及其差分方程;5、编写程序流程图,采取正确的思路和方法,包括主程序流程图、 8155初始化、滤波、键盘输入、达林算法、延时等;6、仿真分析和验证过程采用 MATLAB 和 SIMULINK 实现,主要针对仿真性能调节系统参数, 并结合典型输入信号的随机干扰进行可靠性、稳定性和抗干扰性分析。

基于西门子工业软件的仿真系统设计-一阶惯性加纯滞后对象摘要本论文针对工业过程中常用的一般典型环节温度、压力、物位和流量等具有一阶惯性加纯滞后特性的连续变量被控对象，通过西门子可编程控制器S7-300对其进行程序设计和仿真，并通过西门子组态软件WinCC对其仿真实验进行界面绘制，来对实际的控制过程进行模拟仿真，从而缩短现场调试周期，提高其工作效率。

关键词：西门子，一阶惯性加纯滞后，仿真The Design of Simulate System Base on Industry Softwares of Siemens—First-order plus time delay inertial objectABSTRACTIn this paper, commonly used for industrial processes typical of the general aspects of temperature, pressure, level and flow with the first-order plus time delay characteristics of the inertia of the continuous variable object, through the siemens S7-300 programmable logic controller to carry out the procedure for its design and simulation, and through siemens simulation WinCC configuration software interface mapping experiments to control the actual process of simulation, so as to shorten the debugging cycle, to improve their work efficiency.KEY WORDS: siemens，first-order plus time delay of inertia，simulation目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1仿真系统的应用与分类 (1)1.2本课题研究的目的和意义 (1)1.3本课题研究的主要任务 (2)2 PLC介绍及西门子工业软件介绍 (3)2.1 PLC介绍 (3)2.1.1 PLC的基本概念 (3)2.1.2 西门子PLC的简介 (3)2.2 西门子软件介绍 (3)2.2.1 STEP 7编程软件介绍 (3)2.2.2 WinCC软件介绍[6] (5)3 PID控制调节规律 (6)3.1 PID介绍 (6)3.1.1 比例调节（P） (6)3.1.2 积分调节（I） (6)3.1.3 微分调节（D） (7)3.1.4 比例积分调节（PI） (8)3.1.5 比例积分微分调节（PID） (9)3.1.6 PID控制器的参数整定 (9)3.2 连续PID控制器FB41 (10)3.2.1 介绍 (10)3.2.2参数表 (11)3.2.3 连续PID控制器FB41的应用 (14)4 被控对象的仿真与界面开发 (16)4.1 程序设计 (16)4.1.1 一阶惯性加纯滞后数学模型的差分转化 (16)4.1.2 绘制流程图 (17)4.1.3 通过STEP 7实现对程序的编写 (17)4.2 仿真界面的开发 (19)4.2.1 建立项目 (19)4.2.2 组态项目 (21)IV总结 (26)致谢 (27)参考文献 (28)基于西门子工业软件的仿真系统设计-一阶惯性加纯滞后对象 11 绪论1.1仿真系统的应用与分类系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。

目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器（单片机）5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会一、 设计任务及方案1.1 设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)温度控制系统和给定的系统性能指标(工程要求相角裕度为30～60，幅值裕度>6dB);要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃；2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图；3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图；4、用MA TLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证； 对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1),考虑θ=0或T/2两种情况。

C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912。

5、进行可靠性和抗干扰性的分析。

1.2 设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。

整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。

以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。

图1 方案总体框图二、方案各模块分析2.1 被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rang(1), 考虑θ=0或T/2两种情况C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510θ=0或0.0255所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1051.07.117+s2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路2.2.1 测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。

《计算机控制技术》课程设计具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计班级：姓名：学号：指导老师：日期：目录一、设计任务 (1)1.1 题目 (1)1.2内容与要求 (1)二、设计思想与方案 (2)2.1控制策略的选择 (2)2.2 硬件设计思路与方案 (2)2.3 软件设计思路与方案 (3)三、硬件电路设计 (3)3.1温度传感器输出端与ADC的连接 (3)3.2 ADC与单片机8051的连接 (4)3.3 单片机8051与DAC的连接 (4)3.4 整机电路 (5)四、系统框图 (7)五、程序流程图 (8)5.1 主程序流程图 (8)5.2 子程序流程图 (9)六、数字调节器的求解 (11)6.1 基本参数的计算 (11)七、系统的仿真与分析 (13)7.1 θ=0时系统的仿真与分析 (13)7.2 θ=0时系统的可靠性与抗干扰性分析 (14)7.2 θ=0.4461时系统的仿真与分析 (16)7.3 θ=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析 (17)八、设计总结与心得体会 (20)参考资料 (21)一、 设计任务一、题目设计1. 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()1sKe G s Ts τ-=+的温度控制系统和给定的系统性能指标：✧ 工程要求相角裕度为30°～60°，幅值裕度>6dB✧ 要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃2. 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图 具体要求：✧ 温度传感器、执行机构的选型✧ 微型计算机的选型（MCS51、A VR 等等）✧ 温度传感器和单片机的接口电路✧ 其它扩展接口电路（主要是输入输出通道）✧ 利用Protel 绘制原理图，制作PCB 电路板（给出PCB 图）3. 软件部分：✧ 选择一种控制算法（最少拍无波纹或Dalin 算法）设计出控制器（被控对象由第4步中的参数确定），给出控制量的迭代算法，并借助软件工程知识编写程序流程图✧ 写出主要的单片机程序4. 用MATLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1)考虑θ=0或T/2两种情况，即有延时和延时半个采样周期的情况。

目录第一部分设计任务及方案1、设计题目及要求2、设计方案分析论证第二部分方案各模块分析1、被控对象分析2、测量元件热电阻及前置放大电路3、A/D转换器4、控制器（单片机）5、光隔驱动器第三部分数字控制器D(Z)的设计1、数字控制器D(Z)2、程序流程图设计第四部分可靠性和抗干扰性的分析第五部分心得体会一、 设计任务及方案1.1 设计题目及要求1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)温度控制系统和给定的系统性能指标(工程要求相角裕度为30～60，幅值裕度>6dB);要求测量范围-50℃～200℃，测量精度0.5％，分辨率0.2℃；2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图；3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图；4、用MA TLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证； 对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1),考虑θ=0或T/2两种情况。

C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912。

5、进行可靠性和抗干扰性的分析。

1.2 设计方案分析论证从设计要求分析，我们设计一个基于单片机的温度自动控制系统即可达到设计要求。

整个系统以单片机（控制器）为核心，选用光隔驱动器驱动电热丝加热，由热电阻PT100检测然后经过前置放大电路输入A/D 转换器，控制器。

以此构成闭环控制系统，温度能根据设定值自动调节。

图1 方案总体框图二、方案各模块分析2.1 被控对象分析大纯时延时间的一阶惯性环节(()/(1)s G s Ke Ts θ-=+)对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rang(1), 考虑θ=0或T/2两种情况C 为学号的后3位数，如C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0或0.4912现取C=359，由MATLAB 计算得： c=359;K=10*log(c*c-sqrt(c)) rand('state',c); T=rand(1)>> K =117.6650 T =0.0510θ=0或0.0255所以G(s)=1051.07.1170255.0+-s e s 或1051.07.117+s2.2 测量元件（热电阻）电路及前置放大电路2.2.1 测量元件选型测量元件选用热电阻，热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。