电阻炉(二阶)温度的史密斯控制方法

课程设计任务书课程设计名称计算机控制技术课程设计专业班级（学生人数）计算机控制技术指导教师本学期承担相应课程教学任务情况计算机控制技术计划学时48实验学时8课程设计目的及任务目的:计算机控制技术课程是一门应用性非常强的专业课程，综合了自动化专业学生所学过的许多专业知识。本课程设计是“计算机控制技术”课程整个教学环节的重要组成部分,为了帮助学生进一步理解、掌握和深化理论教学的内容，要求学生通过课程设计，综合运用所学的基础理论和专业知识，学会设计数字控制器的方法和步骤，培养分析问题和解决问题的独立工作能力，完成自动化初步的设计技术训练。任务:课程设计课题：课题一、基于大林算法的电阻炉（一阶系统）温度控制课题二、电阻炉（一阶）温度的史密斯控制方法课题三、退火炉温度控制系统的大林控制器设计：一阶系统课题四、基于史密斯预估器的退火炉温度控制系统设计：一阶系统课题五、基于大林算法的电阻炉（二阶系统）温度控制课题六、电阻炉（二阶）温度的史密斯控制方法课题七、退火炉温度控制系统的大林控制器设计：二阶系统课题八、基于史密斯预估器的退火炉温度控制系统设计：二阶系统课程设计要求（1）熟练使用MATLAB编程软件，掌握编写m文件的设计思路和利用Simulink实现编程的设计方法。掌握程序调试的基本方法。（2）根据选题分析工作过程和控制要求，分别采用史密斯预估器或者大林算法克服纯滞后环节给系统性能带来的影响。（3）根据控制要求，设计合适的控制器，完成对编制的控制程序模拟调试。（4）书写课程设计说明书。格式如下：封面：按照学校统一格式的封面填写并装帧目录：2级标题正文内容：设计课题简介，系统控制流程图，程序设计的思路，Simulink编程图，系统调试报告，课程设计体会。课程设计目标使学生通过课程设计实现计算机控制技术知识的综合训练，并培养学生的创新精神，培育学生的控制系统集成设计意识，激发学生的学习兴趣，突出学生对所学理论知识的理解和应用。参考文献及资料李华、范多旺.计算机控制技术，机械工业出版社,2013课程考核要求（1）课程考核成绩构成平时（15%）：学习态度、纪律情况、辅导答疑、课题的讨论等；模拟调试（35%）：按照课题的控制要求设计控制器，并能在调试时，熟练地说明工作流程；课程设计说明书（25%）：撰写规范、资料齐备，方案设计论证、系统的原理说明、用户程序的设计思想、用户程序、调试说明、设计总结等；答辩（25%）：通过提问了解学生知识掌握情况，学生完成情况，重点检查本课程设计的程序。（2）评分办法和评分标准90-100分：控制系统原理正确，能独立分析、设计和解决实际问题，课程设计期间无违纪行为，圆满完成所规定的任务；80-89：能较好地完成课程设计任务，能正确回答问题，课程设计态度端正，期间无违纪行为；70-79：能完成基本功能和一半以上的功能，考核时能正确回答主要问题，课程设计期间无违纪行为；60-69：能完成基本功能，内容基本正确，但控制器设计不够系统。课程设计期间无违纪行为；60分以下:不能实现基本功能的一半以上，或参加课程设计时间为所规定时间的1/4以下者，或课程设计期间有严重的违纪行为。注意事项须在规定的时间内完成本课程设计，请学生注意课题布置、课题讨论、调试、答辩的时间节点。电阻炉(二阶)温度的史密斯控制方法设计任务带有纯滞后的电阻炉温度模型可由纯滞后环节与一阶惯性环节串联描述)1s2)(1()(sesGs采样周期1T，系统的结构图为：电阻炉的温度设定为800oC。设计控制器是系统满足：调整时间sts80，超调量%10p，稳态误差Ceos2。工作要求：1.查找资料，描述电阻炉的基本情况；2.设计史密斯预估器控制算法，用Simulink实现；3.设计传统PID控制器，选择合适的参数，并绘制系统的响应曲线；4.比较史密斯预估器前后闭环系统的动态特性和稳态特性；5.按照格式和设计内容写《计算机控制技术课程设计》和课程设计心得。目录第1章引言..................................................................................................................11.1课题背景..........................................................................................................11.2设计任务和要求..............................................................................................2第2章电阻炉的介绍..................................................................................................32.1电阻炉的特点..................................................................................................32.2电阻炉的分类..................................................................................................42.2.1按传热方式...........................................................................................42.2.2按炉内气氛...........................................................................................42.2.3按炉型...................................................................................................42.3电阻炉的工作原理..........................................................................................42.4电阻炉的数学模型及其推导..........................................................................5第3章PID控制算法与Smith预估器.......................................................................73.1PID算法..........................................................................................................73.2Smith预估器...................................................................................................8第4章控制系统分析................................................................................................114.1被控对象分析...............................................................................................114.2控制器分析...................................................................................................11第5章控制系统的仿真............................................................................................135.1PID控制器控制下的系统仿真....................................................................135.2Smith控制算法下的系统仿真.....................................................................135.3Smith控制算法和PID控制器的比较........................................................17课程设计心得..............................................................................................................20参考文献......................................................................................................................211第1章引言1.1课题背景电阻炉在化工、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。其控制系统属于二阶纯滞后环节，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。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。针对许多被控对象具有纯滞后性质，施密斯（Smith）预估控制算法提出了一种纯滞后补偿控制算法，在计算机控制系统中能够方便的实现。Smith预估补偿是在系统的反馈回路中引入补偿装置，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。施密斯预估器是预先估计出系统在给定信号下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程。如果预估模型准确，该方法能后获得较好的控制效果，从而消除纯滞后对系统的不利影响，使系统品质与被控过程无纯滞后时相同。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。本设计主要采用施密斯（Smith）算法来实现炉温控制，并与PID算法进行比较。21.2设计任务和要求带有纯滞后的电阻炉温度模型可由纯滞后环节与一阶惯性环节串联描述()(1)(2s1)seGss（1-1）采样周期1T，系统