基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计 - 课程设计任务书 - 图(5)

5.2史密斯控制器方案设计

10e?0.1s被控对象为G(s)?，画出系统框图，设计Smith数字预估器，已知

1?s纯滞后负反馈控制系统，其中

图5.2 系统框图

10e?0.1s其中D(s)为调节器传递函数，G(s)?为对象传递函数，其中

1?sG0(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：

10e?0.1s1?D(s)G(s)?1?D(s)?0

1?s由于闭环特征方程中含有e?0.1s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

e?0.1s项。

Smith纯滞后补偿的计算机控制系统为:

图5.3系统框图

1?e?Ts上图所示ZOH为零阶保持器，传递函数：Gh(s)?

s并且有：??lT（l为大于1的整数，T为采样周期）。

1.采样周期T的选择

采样周期在计算机控制中是一个重要的参数。从信号保真度看，采样周期不

宜太长，即采样频率不应该过低。Shannon采样定理给出了下限角频率ωs ≧2ωmax，ωmax为原信号的最高频率；采样周期应尽可能的短，以使采样后的离散信号可以近似于连续信号，数字控制具有接近于连续控制系统的质量。但采样频率过高，将使得数据存数容量加大，计算工作量加大，并且采样频率高到一定程度，对系统性能的改善效果并不显著。所以，我们要找到一个最佳的采样周期。

纯滞后较大不可忽略时，可选择T在?/10附近，当纯滞后占主导地位时，可选择T约为τ，再加上参考课本上表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算公式，预选了l=2，3，5，10。但是在matlab仿真时，l=2,3系统发散，所以 还剩下l=5，10。考虑到采样频率过高，将使得数据存储容量加大，计算工作量加大，所以选择l=5。则由公式τ=lT得：T??/l?0.02。 2.负反馈调节器D(z)的确定

D(z)为负反馈调节器，通常使用PID控制规律。扩充响应曲线法是用于有纯滞后的一阶对象，因此依据课本中表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算公式，而且前面已确定采样周期T与纯滞后时间常数τ的比值l=5，因此选定的PID参数为：

kp/(T0/?)?0.73 ，Ti/??3.6，为PI控制规律。

其中T0为被控对象时间常数，即T0=1，τ=0.1，T0/?所以有：

kp=7.3 Ti=0.36

=10

则控制器传递函数：D(s)?kp(1?17.3s?20.3 )?Ti?ss将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到：

D(z)?D(s)|s??kp(1?1?z?1TT7.706z?7.3 )??1Ti?(1?z)z?13.Smith补偿器Dτ(z)的确定

Gp(s)e??s?Gh(s)G0(s)e??s10(1?e?0.02s)??s?es(1?s)10(1?e?0.02s)Gp(s)?s(1?s)D?(s)?Gp(s)(1?e?0.1s)?10(1?e)(1?e?0.1s)s(1?s)?0.02s

10(1?e?0.02)(1?z?5)z?10.2z5?1D?(z)?Z[D?(s)]??6?0.02?11?ezz?0.98z5令a?e?0.02?0.98；b?10(1?e?0.02)?0.198

bz?1(1?z?5)则D?? ?11?az

差分方程为：

C(k)?C1(k)?C1(k?l)?C1(k)?C1(k?5)

C1(k)?a?C1(k?1)?b?U(k?1)?0.98C1(k?1)?0.198?U(k?1)

由此可得到：

C(k)?0.98C1(k?1)?0.198?U(k?1)?C1(k?5)

可以看出，Smith补偿器的差分方程有C1(k?5)项，即存在滞后5拍的信号，因此产生纯滞后信号对纯滞后补偿控制是至关重要的。纯滞后信号可以用存储单元法近似产生。

第6章 Smith预估补偿控制的Matlab仿真与实验

6.1 Matlab仿真软件的介绍

Matlab是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

Matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件，集数值分析、矩阵运算和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。它几乎可以轻易地再现C或FORTRAN语言的全部功能，并设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。Matlab环境下的Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，在它提供的图形用户界面上，只要进行鼠标的简单拖拽操作就可构造出复杂的仿真模型，是目前最优秀、最容易使用的一个仿真环境工具箱，且在各个领域都得到了广泛的应用。

6.2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1v的阶跃信号，PI控制器系数kp?7.3，Ti?0.36=0.36，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所示：

图6.1 结构仿真图

第7章 锅炉夹套水温pid控制系统

7.1 课程设计目的

在系统的学习了《自动控制原理》，《过程检测技术及仪表》等课程后，为了更好的提高我们对所学知道的认识加深对理论知识的理解。借助THJ-4工程实验平台，通过对下水箱前馈反馈控制系统的设计，调试完成系统设计的设计与开发提高学生工程意识和能力提高创新能力。

1．了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。

2．了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。 3．研究调节器相关参数的改变对温度控制系统动态性能的影响。 4．分析比较锅炉夹套水温控制与锅炉内胆动态水温控制的控制效果。

7.2 被控对象

由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52cm×43cm，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下 …… 此处隐藏：1422字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……