当前位置：文档之家 › 计算机控制技术大作业

计算机控制技术大作业

  • 格式：pdf
  • 大小：152.48 KB
  • 文档页数：4

计算机控制技术⼤作业

计算机控制技术⼤作业

题⽬:基于MATLAB的电炉温度控制算法⽐较及仿真研究

系别：电⽓⼯程及其⾃动化

班级：09 级电⽓（2）班

姓名：

学号：

指导⽼师：梁绒⾹

⽬录

⼀、PID算法的设计及分析.......................................................................... - 3 -1.1、PID控制算法简介.................................................................................................................... - 3 -1.2、基于MATLAB仿真被控对象..................................................................................................... - 4 -1.3、PID控制器参数确定................................................................................................................ - 4 -

⼆、SMITH预估控制算法设计及分析 ........................................................... - 5 -2.1 Smith算法简介.......................................................................................................................... - 5 -2.2、数字Smith预估控制系统....................................................................................................... - 6 -2.3采⽤Matlab系统仿真................................................................................................................ - 7 -

三、达林算法设计及分析 ............................................................................ - 8 -3.1达林算法简介.............................................................................................................................. - 8 -3.2确定期望闭环传递函数.............................................................................................................. - 9 -3.3 基于MATLAB仿真被控对象..................................................................................................... - 10 -

四、PID算法、数字SMITH预估控制算法、达林算法三种算法⽐较............ - 11 -

五、参考⽂献 ............................................................................................ - 13 -

研究对象的分析

该系统的被控对象为电炉，采⽤热阻丝加热，利⽤⼤功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压⼤⼩，来改变流经热阻丝的电流，从⽽改变电炉炉内的温度。炉温变换范围为0~500℃，炉温变化曲线要求参数：过渡时间≤80s；超调量≤10℅；静态误差≤2℃。

该系统利⽤单⽚机可以⽅便地实现对各参数的选择与设定，实现⼯业过程中控制。它采⽤温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进⾏A/D转换，再送⼊计算机中，与设定值进⾏⽐较，得出偏差。对此偏差进⾏调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从⽽实现对炉温的控制。利⽤单⽚机实现温度智能控制，能⾃动完成数据采集、处理、转换、并进⾏控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显⽰。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样不但执⾏机构不能反应，⽽且计算机的利⽤率也⼤为降低；采样周期不能太长，否则会使⼲扰⽆法及时消除，使调节品质下降。

⼀、PID算法的设计及分析1.1、PID控制算法简介

在⼀个控制系统中，将偏差的⽐例（P），积分（I）和微分（D）的增益通过线性组合构成控制量，对被控对象进⾏控制，成为PID控制。PID控制是连续系统中技术最成熟的、应⽤最⼴泛的⼀种控制算⽅法。它结构灵活，不仅可以⽤常规的PID控制，⽽且可以根据系统的要求，采⽤各种PID的变型，如PI、PD控制及改进的PID控制等。它具有许多特点，如不需要求出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数⽐较⼤的被控制对象来说，数字PID 完全可以代替模拟PID调节器，应⽤更加灵活，使⽤性更强。所以该系统采⽤PID控制算法。系统的结构框图如图1-1所⽰.图1-1系统的结构框图

统的动态响应速度，减⼩调整时间，从⽽改善系统的动态性能。将P 、I 、D 三种调节规律结合在⼀起，可以使系统既快速敏捷，⼜平稳准

确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。1.2、基于MATLAB 仿真被控对象

采⽤simulink 仿真，通过simulink 模块实现积分分离PID 控制算

法。设采样时间Ts=100s ，被控对象为：s e s G s

101)(3+=-

Simulink 仿真图如图1-2所⽰。

图1-2 Simulink 仿真图1.3、PID 控制器参数确定

各参数对系统性能的影响：

增⼤⽐例系数Kp ，⼀般将加快系统的响应，有利于减⼩静差，

但过⼤的Kp 会使系统有较⼤的超调，并产⽣振荡，使稳定性变坏。

增⼤积分时间Ti ，有利于减⼩超调，减⼩振荡，使系统更加稳

定，但系统静差的消除将随之减慢。

增⼤微分时间Td ，有利于加快系统响应，使超调量减⼩，稳定

性增加，但系统对扰动的抑制能⼒减弱，对扰动有较敏感的响应。

根据PID 控制器的参数Kp,Ki,和Kd 分别会对系统性能产⽣不同的影响，因此通过“凑试法”反复调节才能使控制达到最佳状态，经

过调节Kp,Ki 和Kd ，得到⼀组较优参数：Kp=1.75,Ki=0.11,Kd=0，

在该组参数控制下，最⼤超调量≤10%，调节时间≤80s ，稳定误差ve ≤2℃，综合性能较好，满⾜被控要求。

图1-3 MATLAB 仿真波形

⼆、Smith 预估控制算法设计及分析2.1 Smith 算法简介已知纯滞后负反馈控制系统

其中D(s)为调节器传递函数，s es G s +=-110)(1.0为对象传递函数，其

中G 0(s)e -0.1s 包含纯滞后特性,纯滞后时间常数τ=0.1。

系统的特征⽅程为：0.1101()()1()01s

e D s G s D s s

-+=+=+ 由于闭环特征⽅程中含有0.1s e -项，产⽣纯滞后现象，有超调或震

荡，使系统的稳定性降低，甚⾄使系统不稳定。

为了改善系统特性，引⼊Smith 预估器，使得闭环系统的特征⽅

程中不含有0.1s e -项。Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统为:

图2-1 Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统

上图所⽰ZOH 为零阶保持器，传递函数：1()Ts h e G s s--= 并且有：lT τ=（为⼤于1的整数，T 为采样周期）。

针对纯滞后系统闭环特征⽅程含的影响系统控制品质的纯滞后

问题，1957年Smith 提出了⼀种预估补偿控制⽅案，即在PID 反馈

控制基础上，引⼊⼀个预估补偿环节，使闭环特征⽅程不含有纯滞后

项，以提⾼控制质量。2.2、数字Smith 预估控制系统

数字Sminth 预估控制系统框图如图3-1所⽰。图中反馈控制器

采⽤数字PID 控制器。数字PID 控制算法和数字Smith 预估器算法均

由计算机实现。

数字PID S P e S G τ-)()(S G P

s e τ- Smith 预估器

)(t r r(k) )(k e )(k e B )(k u )(t y

T + - +-

)(k Z

+

图2-2 数字Smith 预估控制系统框图2.3采⽤Matlab 系统仿真

本系统采⽤PI 控制算法，⽤matlab 下的Simulink ⼯具箱搭建闭环系统结构，加以500的阶跃信号，PI 控制器系数11.0,75.1==Ti Kp ，取反馈系数为1，使⽤Smith 预估补偿器的仿真结构和输出曲线分别如图2-3,2-4所⽰：系统框图为：

图2-3 Smith 预估补偿器的仿真结构图

图2-3 输出曲线

三、达林算法设计及分析3.1达林算法简介

⼀般的，当对象的滞后时间与对象的惯性时间常数Tm之⽐超过0.5时，采⽤常规的控制算法很难获得良好的控制性能。因此，具有纯滞后特性对象属于⽐较难以控制的⼀类对象，对其控制需要采⽤特殊的处理⽅法。因此，对于滞后被控对象的控制问题⼀直是⾃控领域⽐较关注的问题。1968年美国IBM公司的达林针对被控对象具有纯滞后特性的⼀类对象提出了达林算法这⼀控制算法。

达林算法要求在选择闭环Z传递函数时，采⽤相当于连续⼀节惯性环节的W（z）来代替最少拍多项式。如果对象含有纯滞后，W（z）还应包含有同样纯滞后环节（即要求闭环控制系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间）。

图3-1 钟罩式电阻炉的控制系统

对⼀阶惯性对象，达林算法的设计⽬标是设计⼀个合适的数字控制器，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的串联，其中纯滞后环节的滞后时间与被控对象的纯滞后时间完全相同，这样就能保证使系统不产⽣很⼩的超调，同时保证其稳定性。整个闭环系统的传函为： 1)(+=-s e s W NT τ 3.2确定期望闭环传递函数

本设计中系统中采⽤的保持器为零阶保持器，采⽤加零阶保持器的Z 变换，则与W （s ）相对应的整个闭环系统的闭环Z 传递函数为： 11)1(]11[)(/)1(/---=+-Z =-+----z e z e s e s e s W T N T NTs

Ts τττ 由此，可得出达林算法所设计的控制器D （z ）为： )

(])1(1[)1()()](1[)()()1(/1/)1(/z G z e z e z e z G z W z W z D N T T N T +----+------=-=τττ 其中 )](1[)(0s G s

合集下载

计算机控制技术大作业2

计算机控制技术大作业2

====Word行业资料分享--可编辑版本--双击可删====

源-于-网-络-收-集 宁波大学答题纸

（2012 —2013 学年第 2 学期）

课号： 课程名称：计算机控制技术 改卷教师： 史旭华

学号： 116040069 姓 名： 覃坤勇 得 分：

大作业（二）

下图为氧化炉对象，工艺要求氧化炉内的反应温度恒定，一般通过氧化炉的氨气和氧气比恒定来实现，但氨管压力波动会影响氨气流量变化，空气含氧量会随环境发生变化。被控量为氧化炉温度，调节量为氨气管道阀门

1、确定被控对象，输出量和控制参数

2、给出对象模型的建立方法

3、如对象具有一阶惯性和纯滞后，给出合适的控制方案

4、给出MATLAB下 的最少拍和PID控制的对比效果

答：

（1）被控对象：氧化炉；输出量：氧化炉内温度；控制参数：氨空比；

（2）对象模型的建立方法为：首先视整个氧化炉系统为一个“黑箱子”，先给定一个阶跃的输入函数，测量出其输出的响应曲线，然后观察其响应曲线，确定其超调量，调节时间等参数，可以按照我们已知的数学模型拟合出我们所需要的数学模型。而且在确定其控制对象后，控制方法的参数可以用扩充临界比例法和扩充响应曲线法调整。而扩充临界比例法需要系统闭环运行，而且要将比例系数调整到使得系统产生等幅振荡，在这个场合是不允许的；而扩充响应曲线法不需要系统闭环运行，只需在开环状态下测定系统的阶跃响应曲线。为此，在实际应用时，可以使用扩充响应曲线法整定参数。

====Word行业资料分享--可编辑版本--双击可删====

源-于-网-络-收-集

（3）方案分析与选择：

控制算法 效果

模拟化数字PID控制 控制复杂且效果不一定好，当θ/Tm（最大时间常数）0.5时，采用常规PID控制难以得到良好的控制

Smith纯滞后补偿控制 将模型加入到反馈控制系统中，有延迟的一部分用于抵消被延迟了θ的被控量，无延迟部分反映到调节器，让调节器提前动作，从而可明显地减少超调量和加快调节过程。但是该方式对系统受到的负荷干扰无补偿作用，且控制效果严重依赖于对象的动态模型精度，特别是纯滞后时间

计算机大作业

计算机大作业

自白书：本次大作业几乎都是我从网上摘抄的资料，之所以选择了FPGA是因为一个学长给的资料都是FPGA方面的，所以我看了看，他还给了我一个叫做电子发烧友的网站，我觉得挺好的，附件里有我参考的一期电子发烧友。等假期的时候可以好好看看。还有通过查找资料，我觉得我们计算机接口的这本教材写的不如清华大学王爽老师写的汇编语言好。

基于FPGA的LED显示屏控制系统设计

一、FPGA基础知识

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机（无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构）的顺序操作有很大区别，也造成了FPGA开发入门较难。

FPGA器件内部一个逻辑单元的结构

该逻辑单元的有两种工作模式，即正常模式和运算模式，以下是正常模式的结构。

这是一段简单的代码

module p22vlg( clk,rst_n,

ain,bin,cin,dout

);

inputclk;

inputrst_n;

inputain,bin,cin;

outputregdout;

always @(posedgeclkornegedgerst_n)

if(!rst_n) dout<= 1'b0;

elsedout<= (ain& bin) | cin;

endmodule

下面是这个代码被综合后的逻辑电路：

最终实现到具体器件中的逻辑电路：

二、基于FPGA的LED显示屏控制系统设计

下面将介绍一种基于F P G A的L E D显示屏控制系统的 设 计

方 法 ， 系 统 由一 片 F P GA 芯 片 、 L E D显 示 及接 口驱

2020年西南大学[1084]《计算机控制技术》作业答案

2020年西南大学[1084]《计算机控制技术》作业答案

主观题

1、串级控制系统通常适用于下列几种情况：用于抑制系统的主要干扰、用于克服对象的纯滞后、。

参考答案：

用于减少对象的非线性影响<\/p>

2、通用运动控制器从结构上主要分为如下三大类：基于计算机标准总线的运动控制器、Soft型开放式运动控制器、。参考答案：

嵌入式结构的运动控制器

3、中值滤波，就是对某一参数连续采样n次(一般取n为奇数)，然后把n次的采样值从小到大或从大到小排队，再取作为本次采样值。参考答案：

中间值<\/p>

4、常用的插值公式有、拉格朗日插值公式、线性插值公式等。

参考答案：

多项式插值公式<\/p>

5、不同的阀芯形状，具有不同的理想流量特性：直线流量特性、等百分比流量特性、抛物线流量特性以及。

参考答案：

快开流量特性

6、构成局域网的网络拓扑结构主要有星形结构、、环形结构和混合结构。

参考答案：

总线结构<\/p>

7、对数字控制器的设计一般有连续化设计和两类。

参考答案：

离散化设计<\/p>

8、D/A转换器的主要性能指标包括：分辨率、转换时间和。

参考答案：

绝对误差<\/p>

9、数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、等组成。

参考答案：输出口地址译码电路<\/p>

10、对于存在共模干扰的场合，不能采用单端输人方式，应采用方式，原因是其抗共模干扰能力强。

参考答案：

双端输入

11、产生差模干扰的因素主要有分布电容的静电祸合、长线传输互感、工频干扰，以及信号回路中元件的参数变

化等。参考答案：50Hz

<\/p>

12、执行器按动作极性分类，可分为和反作用执行器。

参考答案：

正作用执行器

13、集散控制系统(DistriButedControlSystem,DCS)又称为分散控制系统，一般分为四级，即过程控制级、控制管理级、和经营管理级。参考答案：

生产管理级

14、A/D转换器的主要性能指标包括：分辨率、转换时间、量程、。

参考答案：

精度<\/p>

15、模拟量输出通道一般由接口电路、、数/模转换器和电压/电流(v/I)变换器构成。

计算机控制系统(大作业)答案

计算机控制系统(大作业)答案

2015-2016学年第二学期期末考试《计算机控制系统》大作业

一 问答题 (共6题 ，总分值60)

1. 根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？ （10 分）

答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。

(1) 周期采样：指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。

(2) 同步采样：如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。

(3) 非同步采样：如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。

(4) 多速采样：如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。

(5) 随机采样：若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。

2. 简述线性定常离散系统的能控性定义。 （10 分）

答：线性离散控制系统稳定的充要条件是： 闭环系统特征方程的所有根的模｜zi｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。

3. 简述积分调节的作用 （10 分）

答：积分调节是为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数TI大，则积分作用弱，反之强。增大TI将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。

4. 简述现场总线控制系统的基本组成。 （10 分）

答：现场总线控制系统由控制系统、测量系统、管理系统、通信网络等部分组成。

5. 等效离散化设计方法存在哪些缺陷？ （10 分）

答： (1)必须以采样周期足够小为前提。在许多实际系统中难以满足这一要求。

(2)没有反映采样点之间的性能。特别是当采样周期过大，除有可能造成控制系统不稳定外，还使系统长时间处于“开环”、失控状态。因此，系统的调节品质变坏。