基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统的设计.doc

课程设计任务书 学 院 信息科学与工程学院 专 业 自动化 学生姓名 陈 大 壮 班级学号 0903010425 课程设计题目 基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计 实践教学要求与任务: 构成电阻炉温度控制系统 SMITH-PID算法设计 理论分析与设计 仿真实验 THFCS-1现场总线控制系统实验 撰写实验报告 工作计划与进度安排: 第1～2天，查阅文献，构成闭环温度控制系统 第3天，SMITH-PID算法设计 第4天，理论分析与设计 第5～6天，仿真实验 第7～9天，THFCS-1现场总线控制系统实验 第10天，撰写实验报告 指导教师： 201 年 月 日 专业负责人： 201 年 月 日 学院教学副院长： 201 年 月 日 目录 摘要 3 第1章 课程设计方案 4 1.1 概述 4 1.2 系统组成总体结构 4 第2章 硬件设计 5 2.1器件选择 5 2.2 控制器 5 2.3电源部分 5 2.4输入输出通道设计 6 2.4.1温度输入电路 6 2.4.2信号输出电路 6 第3章 软件设计 8 3.1系统流程图 8 3.2 PID算法流程图 9 3.3程序流程图 10 第4章 常规PID控制器设计 11 4.1 PID概述 11 4.2数字PID控制器 11 4.3 PID调节器参数对系统性能的影响 12 第5章 温度控制系统的smith预估控制器设计 14 5.1史密斯（smith）预估控制 14 5.2史密斯控制器方案设计 16 第6章 Smith预估补偿控制的Matlab仿真与实验 19 6.1 Matlab仿真软件的介绍 19 6.2采用Matlab系统仿真 19 第7章 锅炉夹套水温pid控制系统 20 7.1 课程设计目的 20 7.2 被控对象 20 7.3 检测仪表 21 7.3 执行机构 21 7.4 控制原理框图 22 7.5 实验内容与步骤 23 第8章 组态软件界面、逻辑、代码 26 8.1 MCGS组态软件 26 8.2 组态软件设计 28 第9章 数据采集硬件系统构件、连线 29 9.1数据采集硬件系统构件 29 9.2硬件系统连线 29 第10章 实验结果曲线及分析 30 总结 32 参考文献 33 摘要 现代工业生产过程中，不少工业对象存在着纯滞后时间。这种纯滞后时间或者是由于物料或能量传输过程中所引起的。或者是由于对象中多容积所引起的，或者是高阶对象低阶近似后所形成的等效滞后。 在纯滞后过程中，由于过程控制通道中存在纯滞后，使得被控量不能及时反映系统所承受的扰动。因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间，被公认为是较难控制的过程，其难控制程度将随着纯滞后工占整个过程动态时间参数的比例增加而增加。一般认为纯滞后时间占对象的时间常数T之比大于0.3，则称该过程为大滞后过程。此外，大滞后会降低整个控制系统的稳定性。 从自动控制理论可知，对象纯滞后的存在对系统稳定性极为不利。特别是当/T≥0.5时（为纯滞后时间，T为对象的时间常数），若采用常规PID控制，很难获得良好的控制质量。对于纯滞后，普通的PID反馈控制系统并不能取得很好的效果，这是因为其控制效果无法通过反馈回路及时反馈，因而使得控制问题复杂化了。在归一化纯滞后时间较大的情况下要保持系统稳定性的唯一方法是缩小增益，然而这样作将会导致系统调节周期T变大，系统响应变慢，从而降低了系统的调节性能。大惯量物体的一个明显特征是惯性滞后。通常在研究数控设备时，忽略其时滞效应。然而，精密定位控制的大惯量物体，其时滞效应是不容忽视的本文采用预估补偿方案，得出适合于数字伺服的控制算法，并与PID算法加以比较。计算机仿真结果表明，对大惯量带有时滞的系统，Smith预估补偿控制方案能得到优良的控制品质，是一种理想的控制方案。课程设计方案 概述 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效果。本设计采用史密斯—PID算法进行温度控制来实现温度的较为精确的控制。 在用PID算法进行控制时，需要对参数进行整定，从史密斯算法表达式可知，参数的确定十分重要，其大小反映了表达式中差值与输出值的不同权重之分及制约关系。 系统组成总体结构 电加热炉温度控制系统原理图如图1.1，主要由温度检测电路、A/D转换电路、驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。 系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过