基于大林算法的炉温控制仿真
电气工程及自动化学院
课程设计报告
（控制基础实践）
题目：基于大林算法的炉温控制仿真专业班级：自动化101班
姓名：周强
学号：33号
指导老师：杨国亮
2012年12月22日
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。其控制系统属于一阶纯滞后环节，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。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。
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。若采用大林算法，可做到无或者小超调，无或小稳态误差。
大林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。
本设计主要采用大林算法来实现炉温控制，并与PID算法进行比较。
关键词：PID控制；大林算法；控制算法；MATLAB
第一章系统方案1
1.1设计任务和要求1
1.2大林算法1
1.3 PID算法3
第二章设计流程5
2.1大林算法软件设计流程图5
2.2 PID算法程序设计流程图5
第三章设计过程及结果6
3.1 GUI界面设计6
3.1.1 GUI界面的建立7
3.1.2 制作GUI界面9
3.2 Simulink设计10
3.2.1 大林算法Simulink10
3.2.2 PID控制算法Simulink11
3.3 程序设计12
3.3.1 大林算法编程12
3.3.2 PID控制算法编程14
3.4 两种算法的比较16
第四章总结17
致谢18
参考文献19
附录20
1、大林算法程序19
2、PID控制器算法程序20
第一章 系统方案
1.1设计任务和要求
已知电阻炉对象数学模型为
1
)(+=-Ts ke s G s
τ
其中，k=12, T=400, 60=τ，电阻炉的温度设定为1000℃. 要求：
(1)设计大林控制算法；
(2)设计PID 控制器，并与PID 算法进行比较； (3)改变模型参数，考察模型扰动下系统性能变化情况。
1.2大林算法
在一些实际工程中，经常遇到纯滞后调节系统，它们的滞后时间比较长。对于这样的系统，往往允许系统存在适当的超调量，以尽可能地缩短调节时间。人们更感兴趣的是要求系统没有超调量或只有很小超调量，而调节时间则允许在较多的采样周期内结束。也就是说，超调是主要设计指标。对于这样的系统，用一般的随动系统设计方法是不行的，用PID 算法效果也欠佳。
针对这一要求，IBM 公司的大林(Dahlin)在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法。其目标就是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。该算法具有良好的控制效果。
大林算法中D(z)的基本形式
设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，其传递函数分别为：
（1-1）
（1-2）
其中
为被控对象的时间常数，
为被控对象的纯延迟时间，为了
简化，设其为采样周期的整数倍，即N 为正整数。
由于大林算法的设计目标是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，即
，其中
由于一般控制对象均与一个零阶保持器相串联，所以相应的整个闭环系统的脉冲传递函数是
（1-3）
于是数字控制器的脉冲传递函数为
（1-4）D(z)可由计算机程序实现。由上式可知，它与被控对象有关。下面分别对一阶或二阶纯滞后环节进行讨论。
一阶惯性环节的大林算法的D(z)基本形式
当被控对象是带有纯滞后的一阶惯性环节时，由式（1-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为：
将此式代入（2-4），可得
（1-5）
式中：T——采样周期：
———被控对象的时间常数；
———闭环系统的时间常数。
二阶惯性环节大林算法的D(z)基本形式
当被控对象为带有纯滞后的二阶惯性环节时，由式（1-1）的传递函数可知，其脉冲传递函数为
其中，
将式G(z)代入式（1-3）即可求出数字控制器的模型：
（1-6）
由此，我们可以设计出控制器的传递函数，利用MATLAB工具在SIMULINK里画出整个控制系统，给定一个阶跃信号就可得到整个控制系统的响应曲线。
1.3 PID算法
根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行控制（简称PID控制），是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。不过，用计算机实现PID控制，不是简单地把模拟PID控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。它的结构如图1.1所示：
图1-1 PID 结构图
在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为
差分方程。
数字PID 增量型控制算式为
[][])2()1(2)()()1()()
1()()(u -+--++--=--=?k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k D I P （2-7）
式中
δ1
=
P K 称为比例增益；
I P
I T T
K K = 称为积分系数；
T T K K D
P
D = 称为微分系数。
为了编程方便，可将式整理成如下形式
)
2()1()()(210-+-+=?k e q k e q k e q k u （1-8）
其中 ?????
??
?
?=+-=++
=T T K q T T K q T T T T K q D
P
D P D I P 210)21()1( （1-9）
大林算法课程设计
摘要 在控制系统应用中，纯滞后环节往往是影响系统动态特性的不利因素。工业过程中如钢铁，热工和化工过程中往往会有纯滞后环节。对这类系统，控制器如果设计不当，常常会引起系统的超调和持续振荡。由于纯延迟的存在，使被控量对干扰、控制信号不能即时的反映。即使调节机构接受控制信号后立即动作，也要经过纯延时间t后才到达被控量，使得系统产生较大的超调量和较长的调节时间。当t>=0.5T（T为对象的时间常数）时，实践证明用PID控制很难获得良好的控制品质。对这类具有纯滞后环节系统的控制要求，快速性往往是次要的，通常要求系统稳定，要求系统的超调量要小，而调整时间允许在较多的采样周期内结束。 这样的一种大时间滞后系统采用PID控制或采用最少拍控制，控制效果往往不好。本课程设计介绍能满足上述要求的一种直接数字控制器设计方法——大林（Dahlin)算法。 关键字：纯滞后、大林（Dahlin)算法
目录 0引言 (1) 1被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成 (2) 1.1被控对象 (2) 2大林算法 (3) 2.1一阶被控对象的达林算法 (3) 3振铃现象和消除方法 (4) 3.1振铃现象的产生 (4) 3.1.1振铃现象的分析 (4) 3.2振铃幅度RA (6) 3.3振铃现象的消除 (6) 3.4Simulink 仿真 (7) 4一种改进的消除振铃现象的方法 (9) 5总结 (10) 参考文献 (11)
0引言 大林算法是由美国IBM公司的大林(Dahllin)于1968年针对工业生产过程中含纯滞后的控制对象的控制算法。该算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个系统的闭环传递函数为带有原纯滞后时间的一阶惯性环节。大林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。
基于大林算法的炉温控制系统
计算机控制技术课程设计2015/2016学年第二学期 设计课题：基于大林算法的炉温控制系统
目录
1 课题简介 课题目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制系统》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 课题任务 设计以89C51单片机和AD 、DA 驱动电路、控制电路、滤波电路、被控对象电路等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用DAC0832和运放等）；由运放实现的被控对象。 2. 控制算法：大林控制算法。 3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D 转换程序、大林算法控制程序、D/A 输出程序等。 4.仿真设计：用Matlab 仿真闭环控制系统。 设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V ），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V ）。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 选择被控对象：G (),3.341 s c e s T s τ-= =+ 4. 对象的纯延迟环节s e τ-用软件通过数组单元移位实现。 5. 定时中断间隔选取50ms ，采样周期T 既要是采样中断间隔的整数倍，又满足 (0.2~1)T τ=。 6. 闭环系统时间常数T τ按倍的被控对象最大时间常数选择。 2 大林算法控制系统方案设计 大林算法总体介绍 + )(r t ) (t e D(Z) U(Z) s e Ts --1G(S) C(T) - 图2-1 大林算法设计的闭环控制系统方框图 在控制系统设计中，纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素，这种系统如果控制器设计不当，常常会引起系统产生大的超调或振荡。对这类系统的控制要求，快速性是次要的，
大林算法课程设计报告
微型计算机控制技术课程设计报告 班级：自动化901 A B C
一、课题名称 大林算法控制系统设计 二、课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 三、课程设计内容 已知被控对象的传递函数为： 采样周期为T=0.5s ，用大林算法设计数字控制器D(z)，并分析是否会产生振铃现象。 四、课程设计要求 1、用大林算法设计数字控制器D(z) ； 2、在 Simulink 仿真环境画出仿真框图及得出仿真结果，画出数字控制； 3、绘制并分析数字控制器的振铃现象； 4、对振铃现象进行消除; 5、得出仿真结果并进行仿真分析; 6、程序清单及简要说明; 7、成设计说明书（列出参考文献，以及仿真结果及分析）。 五、大林算法控制系统方案设计 在控制系统应用中，纯滞后环节往往是影响系统动态特性的不利因素。工业过程中如钢铁，热工和化工过程中往往会有纯滞后环节。对这类系统，控制器如果设计不当，常常会引起系统的超调和持续振荡。 由于纯延迟的存在，使被控量对干扰、控制信号不能即时的反映。即使调节机构接受控制信号后立即动作，也要经过纯延时间t 后才到达被控量，使得系统产生较大的超调量和较长的调节时间。当t >=0.5T （T 为对象的时间常数）时，实践证明用PID 控制很难获得良好的控制品质。 对这类具有纯滞后环节系统的控制要求，快速性往往是次要的，通常要求系统稳定，要求系统的超调量要小，而调整时间允许在较多的采样周期内结束。 这样的一种大时间滞后系统采用PID 控制或采用最少拍控制，控制效果往往不好。本节介绍能满足上述要求的一种直接数字控制器设计方法 ——达林(Dahlin)算法 ()1s e G s s -=+
PID控制器设计及其参数整定
一、绪论 PID 参数的整定就是合理的选取PID 三个参数。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态误差等方面考虑问题，三参数作用如下： 比例调节作用：成比例地反映系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生与其成比例的调节作用，以减小偏差。随着P K 增大，系统的响应速度加快，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大P K 只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。比例调节的显著特点是有差调节。 积分调节作用：消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数i T ，i T 越小，积分速度越快，积分作用就越强，系统震荡次数较多。当然i T 也不能过小。积分调节的特点是误差调节。 微分调节作用：微分作用参数d T 的作用是改善系统的动态性能，在d T 选择合适情况下，可以减小超调，减小调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。因此，可以改善系统的动态性能，得到比较满意的过渡过程。微分作用特点是不能单独使用，通常与另外两种调节规律相结合组成PD 或PID 控制器。 二、设计内容 1. 设计P 控制器 控制器为P 控制器时，改变比例系数p K 大小。 P 控制器的传递函数为：()P P K s G =，改变比例系数p K 大小，得到系统的阶跃响应曲线
当 K=1时， P 当 K=10时， P K=50时，当 P
当P K =100时， p K 超调量σ% 峰值时间p T 上升时间r T 稳定时间s T 稳态误差ss e 1 49.8044 0.5582 0.2702 3.7870 0.9615 10 56.5638 0.5809 0.1229 3.6983 0.7143 50 66.4205 0.3317 0.1689 3.6652 0.3333 100 70.7148 0.2506 0.0744 3.6410 0.2002 仿真结果表明：随着P K 值的增大，系统响应超调量加大，动作灵敏，系统的响应速度加快。P K 偏大，则振荡次数加多，调节时间加长。随着P K 增大，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大P K 只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。 2. 设计PI 控制器 控制器为PI 控制器时，改变积分时间常数i T 大小（50=P K 为定值） PI 控制器的传递函数为： 11 ()PI P I G s K T s =+? ，改变积分时间常数i T 大小，得到系统的阶跃响应曲线
基于大林算法的电阻炉温度控制系统的设计
目录 摘要..................................................... 错误!未定义书签。Abstract................................................... 错误!未定义书签。 1 绪论 (1) 1.1 论文选题背景与意义 (2) 1.2 炉温控制的发展与进步 (3) 2退火电阻炉的结构以及系统介绍 (4) 2.1退火电阻炉结构介绍 (4) 2.2系统建模 (5) 3 控制算法 (7) 3.1 大林算法 (7) 3.2参数确定 (10) 3.3大林算法的途径 (10) 4硬件核心电路部分 (11) 4.1模块的选择与设计 (12) 4.1.1输入模块的选择与设计 (12) 4.1.2输出模块的设计 (13) 4.2系统的抗干扰设计 (14) 5 PID算法对比研究 (15) 6 控制算法仿真设计 (16) 6.1 PID系统仿真 (17) 6.2大林算法系统仿真 (20) 6.3大林算法与PID算法对比仿真 (21) 7扰动状态下的系统性能分析 (22) 结论 (24) 参考文献 (23) 致谢 (24)
摘要 电阻炉对于冶金化工等工业领域应用十分广泛，对于我国的工业生产以及科学研究意义重大，而温度的控制对于电阻炉而言是其核心的关键技术。对于电阻炉的温度控制的精度来说，温度过高或者过低以及不稳定都会对产品生产的质量产生严重的影响，并且也并不利于产品生产的效率，工业上电阻炉的系统是一个纯滞后控制环节，其特点是纯滞后、大惯性以及非线性，使用传统控制方法会使而且多参数进行整定也很难达到我们想要的预期效果，而采用大林算法这一直接的数字设计法来进行对电阻炉的温度控制系统进行控制，使整个闭环系统的传递函数相当于一个延迟环节加上一个惯性环节串联以便实现工业上对于温度的精确要求。 关键词：大林算法；电阻炉；自动控制 Abstract Resistance furnaces are widespread used in industrial spheres such as metallurgical and chemical engineering. They are of great significance for industrial production and scientific research in China, and temperature control is the core technology of resistance furnaces. For the accuracy of temperature control of resistance furnace, too high or too low temperature and instability will have a serious impact on the quality of product production, and also not conducive to the efficiency of product production. For the industrial resistance furnace, the control system is a pure lag control, which is characterized by pure hysteresis, large inertia and nonlinearity. The control method will make the overshoot amount relatively large, the control precision is low, and the adjustment time is long, and it is difficult to guarantee the conditions for processing and production of the product. In the actual production life, people's expectation for the control system is that there is no overshoot or overshoot, especially in the control system with hysteresis. The scheme using the ordinary follower system is definitely not feasible. Use PID. The control method is also not suitable.In the temperature control, the traditional approaches uses the PID method of calculation to dominate, but in the case of the temperature control system of Electric Resistance Furnaces with larger residual Properties, the PID Control has a less trends and static control., and Multi-parameter tuning is also difficult to achieve the desired effect, and the direct digital design method of Dalin
实验 大林算法(1)
实验 大林算法 一、实验目的 1.进一步掌握大林算法 2.熟悉大林算法硬件电路结构 二、实验器材 https://www.360docs.net/doc/4b17440856.html,KL —4型实验箱 2.虚拟示波器（软件） 3.计算机 三、实验线路原理 (1)纯滞后环节是通过控制采样保持器，使采样保持器的输出滞后D/A 输出一拍来模拟实现的。 采样周期T=0.2S ，大林设计目标定为：W b (S)=1 S e rs +τ- 式中τ=0.1S (2)D(Z)算法 计算机输入为E(Z)，输出为U(Z)，有： D(Z)=3 322113 322110Z P Z P Z P 1Z K Z K Z K K )Z (E )Z (U ------++++++= 将D(Z)式写成差分方程，则有： U K =K 0E K +K 1E K-1+K 2E K-2+K 3E K-3-P 1U K-1-P 2U K-2-P 3U K-3 (3)采样周期T 计算机用8253产生定时信号，定时10ms ，采样周期T 为：T=T K ×10ms T K 需事先送入2F60H 单元。范围：01H ～FFH ，对应T 的范围：10ms ～2550ms ，实验取T=0.2S=200ms ，T K =20=14H 。 (4)接线：
四、实验内容及步骤 (1)根据设计要求，确定计算机的D(Z)各个系数。 D(Z)=(0.48-0.3936Z-1)/(1-0.1350Z-1-0.8650Z-2) K0=0.4800， K1=-0.3936， K2=0， K3=0， P1=-0.1350， P2=0.8650， P3=0 (2)S11置方波档，S12置T3档，调W12使U1单元的OUT端的输出波形为2.5V方波，实验过程中调节W11改变波形的周期。S与ST短接。 (3)装入程序（TH6-1.EXE），使用默认的段地址和偏移量，由于程序前256T数据为存储缓冲，T K值（14H）存入2F60H单元，。 (4)在调试窗口内运行程序G=0000：2000，对照输入R观察输出C点的波形。 图6.1－4
实验 系统 PID 控制器设计及其相应参数整定集合供参考
实验五 系统 PID 控制器设计及其参数整定 一、实验目的 （1） 掌握 PID 控制规律及控制器实现。 （2） 对给定系统合理地设计 PID 控制器。 （3） 掌握对给定控制系统进行 PID 控制器参数在线实验工程整定的方法。 二、实验原理 在串联校正中，比例控制可提高系统开环增益，减小系统稳态误差，提高系统的控制 精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成系统闭环系统不稳定；积分控制可以提 高系统的型别（无差度），有利于提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的 开环极点。使信号产生 90°的相位滞后，于系统的稳定不利，故不宜采用单一的积分控制 器；微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的 阻尼程度，从而改善系统的稳定性，但微分控制增加了一个-1/τ 的开环零点，使系统的相 角裕度提高，因此有助于系统稳态性能的改善。 在串联校正中，PI 控制器增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于 s 左半平面的开环零点。位于原点的开环极点可以提高系统的型别（无差度），减小稳态误 差，有利于提高系统稳态性能；负的开环零点可以减小系统的阻尼，缓和 PI 极点对系统产 生的不利影响。只要积分时间常数 T i 足够大，PI 控制器对系统的不利影响可大为减小。PI 控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。 在串联校正中，PID 控制器增加了一个位于原点的开环极点，和两个位于 s 左半平面 的开环零点。除了具有 PI 控制器的优点外，还多了一个负实零点，动态性能比 PI 更具有 优越性。通常应使积分发生在低频段，以提高系统的稳态性能，而使微分发生在中频段， 以改善系统的动态性能。 PID 控制器传递函数为 G e （s ）=K p （1+1/T i s +T d s ），注意工程 PID 控制器仪表中比 例参数整定常用比例度 δ%，δ% =1/K p *100%. 三、实验内容 （1）Ziegler-Nichols ——反应曲线法 反应曲线法适用于对象传递函数可以近似为 e -Ls 的场合。先测出系统处于开环状态 下 的对象动态特性(即先输入阶跃信号，测得控制对象输出的阶跃响应曲线)，如图 6-25 所 示，然后根据动态特性估算出对象特性参数，控制对象的增益 K 、等效滞后时间 L 和等效 时间常数 T ，然后根据表 5-4 中的经验值选取控制器参数。 图 5-1 控制对象开环动态特性 表 5-1反应曲线法 PID 控制器参数整定 控制器类型 比例度 δ% 比例系数 K p 积分时间 T i 微分时间 T d P KL/T T/KL ∞ 0 PI 1.1KL/T 0.9T/KL L/0.3 0 PID 0.85KL/T 1.2T/KL 2L 0.5L 【范例 5-1】已知控制对象的传递函数模型为: G(s)= ) 5)(3)(1(10 +++s s s
基于某Vensim PLE啤酒游戏仿真实验报告材料
基于Vensim PLE啤酒游戏仿真实验报告 专业班级：工业工程一班 姓名：石洋洋 学号：20100770223
2 基于Vensim PLE啤酒游戏仿真 1.实验报告 2.提交啤酒游戏的因果关系及仿真结果 基于Vensim PLE啤酒游戏仿真实验报告 一、实验目的与要求 1.1实验目的 (1)初步掌握VENSIM软件的仿真模拟过程，认识并了解VENSIM软件 VENSIM是一个建模工具，可以建立动态系统的概念化的，文档化的仿真、分析和优化模型。PLE（个人学习版）是VENSIM的缩减版，主要用来简单化学习动态系统，提供了一种简单富有弹性的方法从常规的循环或储存过程和流程图建立模型。本实验就是运用VENSIM进行系统动力学仿真，进一步加深对系统动力学仿真的理解。 （2）以上机题目所给的啤酒游戏为案例实际操作VENSIM软件进行模拟仿真 运用系统动力学的原理和VENSIM软件构建了啤酒游戏的供应链模型，以及各相关因素之间的因果反馈关系模型。模拟仿真一个供应链流程的运行。从而将系统动力学的知识与软件实际操作融会贯通，更加了解该软件的应用。
（3）通过模拟仿真的结果来分析牛鞭效应 牛鞭效应，就是指当供应链上的各级供应商只根据来自其相邻的下级销售商的需求信息进行供应决策时，需求信息的不真实性会沿着供应链逆流而上，产生逐级放大的现象。 通过增加供应链模型节点个数并对其仿真结果进行分析，证明随着供应链长度的增加，牛鞭效应也愈加明显；对VMI 库存管理模式与传统库存管理模式的系统结构及运营绩效进行了比较，说明供应链成员间的信息共享可以有效地弱化牛鞭效应。 1.2实验要求 啤酒游戏中包含零售商、批发商、供应商三个成员。同时对游戏中的参数进行如下假设：消费者对啤酒的前4周的需求率为300箱/周，在5周时开始随机波动，波动幅度为±200，均值为0，波动次数为100次，随机因子为4个。假设各节点初始库存和期望库存为1000箱，期望库存持续时间为3周，库存调整时间为4周，预测平滑时间为5周，生产延迟时间和运输延迟时间均为3周，且为3阶延迟；不存在订单延迟。仿真时间为0～100周，仿真步长为1周。期望库存等于期望库存持续时间和各节点的销售预测之积。 策略1：不补充以往缺货需求N T I I Q j a j ej j + -= 策略2：考虑以往缺货需求N T I I Q k a fj ej j +-= 根据啤酒游戏基于VENSIM 软件的上级题目要求，分析确立所需建
大林算法实验报告(20200623034811)
大林算法实验报告 一、实验目的 1、 掌握大林控制算法的基本概念和实现方法； 2、 进一步熟悉MATLAB 的使用方法； 3、 掌握在MATLAB 下大林算法控制器的调试方法; 4、 观察振铃现象，并且尝试消除振铃现象 二、实验原理 1■大林算法的原理及推导 大林算法是IBM 公司的大林(Dahlin)在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯 滞后对象的控制算法。其目标就是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。该算法具有良好的控制效果。 大林控制算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数 0 (s) 相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即 ： 整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象 G0(s)的纯滞后时间T 相同。 闭环系统的时间常数为 T T ，纯滞后时间T 与采样周期T 有整数倍关系, T =NT 。 其控制器形式的推导的思路是用近似方法得到系统的闭环脉冲传递函数，然后再由被 控系统的脉冲传递函数，反推系统控制器的脉冲传递函数。 由大林控制算法的设计目标，可知整个闭环系统的脉冲传递函数应 当是零阶保持器与理想的 0 (s)串联之后的Z 变换，即0 (z)如下： R(z) _ s Ts 1 1- e T z 对于被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节即: s NTs Ke G o (s)- 1 Tp Ke 1 「s 其与零阶保持器相串联的的脉冲传递函数为: (s)二 1 Ts 1 G (z)=z3 心 .s 1 + T 1S 」 K Z — NT T/T 1 1 _ e ； 1 ■ e z
于是相应的控制器形式为: （仁「厲）（仁/仁一1 ） K （I e TTl ）1 - ―1 -（1 e TT ）^N_1 2■振铃现象及其消除 按大林算法设计的控制器可能会出现一种振铃现象，即数字控制器 的输出以二分之一的采样频率大幅度衰减振荡，会造成执行机构的磨损。 在有交互作用的多参数控制系统中，振铃现象还有可能影响到系统的稳 定性。 衡量振铃现象的强烈程度的量是振铃幅度 RA (Ringing Amplitude)。 它的定义是：控制器在单位阶跃输入作用下，第零次输出幅度与第一次 输出幅度之差值。 当被控对象为纯滞后的一阶惯性环节时，数字控制器 D(z)为： D 注 ⑴e TT )(i -宀\ D(Z) T T 1 T T -1 T T N -1 K(1- e J 1- e "z - (1- e f)z ] 由此可以得到振铃幅度为： T/T T/T 1 T/T 1 -T/T RA= ( e ) -( e 1 p e - e 于是，如果选择 T T >T1,则RA W 0,无振铃现象；如果选择 T T < T1, 则有振铃现象。由此可见，当系统的时间常数 T T 大于或者等于被控对象的 时间常数T1时，即可消除振铃现象。 三、实验内容 已知某过程对象的传递函数为: 期望的闭环系统时间常数 T 0 = 0.25s ，采样周期 T =0.5s 。 要求： (1) 适用大林算法设计数字控制器； (2) 判断有无振铃现象，若有则修改控制器消除之，仿真并分析系统在单位阶跃响应下 的输出结果； (3) 利用PID 控制器控制该对象，使得系统在单位阶跃信号下的响应满足超调量不超过 20%，衰减比为4:1，调节时间不超过 4s ； ⑷分析以上两种方法的优缺点。 四、实验过程 G （s ）二 3e -0.5s 0.6s 1
大林算法控制系统设计
扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告 题目：大林算法控制系统设计 课程：计算机控制技术课程设计 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号：
第一部分 任 务 书
《计算机控制技术》课程设计任务书 一、课题名称 大林算法控制系统设计 二、课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 三、课程设计内容 设计以89C51单片机和ADC 、DAC 等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。 2. 控制算法：大林控制算法。 3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D 转换程序、滤波程序、大林算法控制程序、D/A 输出程序等。 四、课程设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V ），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V ）。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 每个同学选择不同的被控对象： 5 10 0.5 1.5(), ()(1)(0.81) (1)(0.41) s s G s e G s e s s s s --= = ++++8 8 10.5(), ()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51) s s G s e G s e s s s s --==++++5 8 1.52(), ()(1)(0.21) (0.81)(0.21) s s G s e G s e s s s s --= = ++++ 5 5 12(), ()(0.81)(0.31) (0.81)(0.21) s s G s e G s e s s s s --= = ++++
实验三 PID控制器设计及其参数整定---已完成
实验三 PID 控制器设计及其参数整定 一、实验目的 1) 通过本实验，掌握使用Simulink 仿真设计连续和离散PID 控制器的方法。 2) 掌握对给定控制系统进行PID 控制器参数在线实验工程整定的方法。 二、实验原理 PID 控制是最经典、应用最广泛的控制方法，是单回路控制系统主要的控制方法，是其他控制思想的基础。本实验针对被控对象，选定控制器的调节规律，在控制器的调节规律已经确定的情况下，控制系统的品质主要决定于控制器参数的整定。 1. 连续PID 控制器 本实验采用的PID 控制器传递函数为： 111()(1)(1)C p d d i i G s K T S T S T S T S δ=+ +=++ 或写成： ()i C p d K G s K K S S =+ + 有 ,p i d p d i K K K K T T = = 其中K p 、K i 、K d 分别为比例系数、积分系数和微分系数；T i 、T d 分别为积分时间常数和微分时间常数；δ为比例度。 控制系统的Simulink 仿真图如图1所示。连续PID 控制器如图2所示。 根据不同的参数设置，可以得到单纯的比例控制、比例积分控制、比例微分控制以及比例积分微分控制等不同的控制系统。 控制器参数的工程整定实验法，是通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，按照动态特性参数法、衰减曲线法、临界比例度法、或经验法中的某一种方法，求得控制器的各个参数，进行工程整定，使系统的性能达到最佳。
图1 控制系统Simulink 仿真图 图2 连续PID 控制器Simulink 仿真图 2. 离散PID 控制器 将描述模拟PID 控制器的微分方程式化为差分方程，即为数字PID 控制算法。 1 ()(1) ()()()k p i d i e k e k u k K e k K T e i K T =--=++∑ 因为上式包含的数字积分项，需要存储过去全部偏差量，而且累加运算编程不太方便，计算量也较大，所以在应用中，通常都是将上式改为增量算法。 ()()(1) ()2(1)(2)[()(1)]()p I D u k u k u k e k e k e k K e k e k K Te k K T ?=----+-=--++ 即 ()(1)()u k u k u k =-+?
数字PID控制器设计制作(附答案)
数字PID控制器设计 设计任务： 设单位反馈系统的开环传递函数为： 设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。采用增量算法实现该PID控制器。 具体要求： 1.采用Matlab完成控制系统的建立、分析和模拟仿真，给出仿真结果。 2.设计报告内容包含数字PID控制器的设计步骤、Matlab仿真的性能曲线、采样周期T的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式。 3.设计工作小结和心得体会。 4.列出所查阅的参考资料。
数字PID控制器设计报告 一、设计目的 1 了解数字PID控制算法的实现； 2 掌握PID控制器参数对控制系统性能的影响； 3 能够运用MATLAB/Simulink 软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置； 4 加深对理论知识的理解和掌握； 5 掌握计算机控制系统分析与设计方法。 二、设计要求 1采用增量算法实现该PID控制器。 2熟练掌握PID设计方法及MATLAB设计仿真。 三、设计任务 设单位反馈系统的开环传递函数为： 设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。采用增量算法实现该PID控制器。 四、设计原理 1.数字PID原理结构框图
2. 增量式PID 控制算法 ()()()()()01P I D i u k K e k K e i K e k e k ∞ ==++--????∑ =u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 所以Δu(k)=u(k)-u(k-1) =Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 整理： Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) A= Kp+Ki+Kd B=-(Kp+2Kd ) C=Kd 五、Matlab 仿真选择数字PID 参数 （扩充临界比例度法/扩充响应曲线法 具体整定步骤） 利用扩充临界比例带法选择数字PID 参数，扩充临界比例带法是 以模拟PID 调节器中使用的临界比例带法为基础的一种数字 PID 参数的整定方法。其整定步骤如下：；
大林算法实验报告
大林算法实验报告 一、实验目的 1、掌握大林控制算法的基本概念和实现方法； 2、进一步熟悉MATLAB 的使用方法； 3、掌握在MA TLAB 下大林算法控制器的调试方法； 4、观察振铃现象，并且尝试消除振铃现象 二、实验原理 1.大林算法的原理及推导 大林算法是IBM 公司的大林(Dahlin)在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法。其目标就是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。该算法具有良好的控制效果。 大林控制算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数φ(s ) 相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即： 整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象G 0(s )的纯滞后时间τ相同。 闭环系统的时间常数为T τ ，纯滞后时间τ与采样周期T 有整数倍关系， τ=NT 。 其控制器形式的推导的思路是用近似方法得到系统的闭环脉冲传递函数，然后再由被控系统的脉冲传递函数，反推系统控制器的脉冲传递函数。 由大林控制算法的设计目标，可知整个闭环系统的脉冲传递函数应 当是零阶保持器与理想的φ(s )串联之后的Z 变换，即φ(z )如下： 对于被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节即： 其与零阶保持器相串联的的脉冲传递函数为： 1 ()1 s s e T s ττ φ-=+1/1() 1(1)()=()11T s ττ T/T s N T T -Y z e e e z z Z z R z s T s e z ττ φ------??--==?=? ? ?+-?? 011()11s NTs Ke Ke G s T s T s τ--== ++11/1/1111()11T T Ts s N T T e Ke e G z Z Kz s T s e z τ-------??--=?=? ?+-??
基于大林算法的电阻炉温度控制系统设计(DOC)
课程设计任务书学院专业 学生姓名班级学号 课程设计题目基于大林算法的电阻炉温度控制系统设计实践教学要求与任务: 1）构成电阻炉温度控制系统 2）大林算法设计 3）硬软件设计 4）实验研究 5）THFCS-1现场总线控制系统实验 6）撰写实验报告 工作计划与进度安排: 1）第1～2天，查阅文献，构成闭环温度控制系统 2）第3天，大林算法设计 3）第4～5天，硬软件设计 4）第6天，实验研究 5）第7～9天，THFCS-1现场总线控制系统实验 6）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 (1) 1.课题简介 (2) 1.1课题目的 (2) 1.2课题内容 (2) 1.3课题要求 (2) 2.大林算法控制系统方案设计 (3) 2.1控制系统总体介绍 (3) 2.2控制系统闭环工作原理 (3) 3.大林算法控制系统硬件电路设计 (4) 3.1 A/D采样电路 (4) 3.2 D/A输出电路 (5) 3.3给定对象硬件电路设计 (6) 3.4总硬件图 (7) 4.大林算法控制系统算法设计 (8) 4.1 控制算法的原理 (8) 4.2 计算机实现的计算机公式推导 (8) 4.3 采样周期的选择 (9) 5.大林算法控制系统软件编程设计 (10) 5.1 主程序与中断流程图 (10) 5.2 部分控制程序代码 (11) 6.结论 (15) 7. 小结与体会 (16) 参考文献 (17)
摘要 电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为20KW ，有220V 交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。本设计针对一个温区进行控制，要求控制温度范围50～350℃，保温阶段温度控制精度为±1℃。选择合适的传感器，计算机输出信号经转换后通过双 向可控硅控制器控制加热电阻两端的电压，其对象温控数学模型为：()1s d d K e G s T s -=+τ其中：时间 常数d T =350秒，放大系数d K =50，滞后时间τ=10秒，控制算法选用大林算法 。 关键词：单片机；A/D 、D/A ；大林算法；传感器；炉温控制
基于大林算法的温度控制
电气工程及自动化学院 课程设计报告 （控制基础实践） 题目：基于大林算法的炉温控制仿真专业班级：自动化101班 姓名：周强 学号：33号 指导老师：杨国亮 2012年12月22日
摘要 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。其控制系统属于一阶纯滞后环节，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。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。 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。若采用大林算法，可做到无或者小超调，无或小稳态误差。 大林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。 本设计主要采用大林算法来实现炉温控制，并与PID算法进行比较。 关键词：PID控制；大林算法；控制算法；MATLAB
基于大林算法的炉温控制系统
基于大林算法的炉温控制 系统 Prepared on 24 November 2020
计算机控制技术课程设计2015/2016学年第二学期 设计课题：基于大林算法的炉温控制系统
目录
1 课题简介 课题目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制系统》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 课题任务 设计以89C51单片机和AD 、DA 驱动电路、控制电路、滤波电路、被控对象电路等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用DAC0832和运放等）；由运放实现的被控对象。 2. 控制算法：大林控制算法。 3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D 转换程序、大林算法控制程序、D/A 输出程序等。 4.仿真设计：用Matlab 仿真闭环控制系统。 设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V ），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V ）。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 选择被控对象：G (),3.341 s c e s T s τ-= =+ 4. 对象的纯延迟环节s e τ-用软件通过数组单元移位实现。 5. 定时中断间隔选取50ms ，采样周期T 既要是采样中断间隔的整数倍，又满足 (0.2~1)T τ=。 6. 闭环系统时间常数T τ按倍的被控对象最大时间常数选择。 2 大林算法控制系统方案设计 大林算法总体介绍 图2-1 大林算法设计的闭环控制系统方框图 在控制系统设计中，纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素，这种系统如果控制器设计不当，常常会引起系统产生大的超调或振荡。对这类系统的控制要求，快速性是次要的，而主要要求系统没有超调或很少的超调。大林
大林算法实验报告
大林算法实验报告 一、实验目的 1、掌握大林控制算法的基本概念和实现方法； 2、进一步熟悉 MATLAB 的使用方法； 3、掌握在 MA TLAB 下大林算法控制器的调试方法； 4、观察振铃现象，并且尝试消除振铃现象 二、实验原理 1.大林算法的原理及推导 大林算法是 IBM 公司的大林 (Dahlin) 在 1968 年提出了一种针对工业生产过程中含有纯 滞后对象的控制算法。其目标就是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。该算法具有良好的控制效果。 大林控制算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数 φ ( s ) 相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即 ： (s) 1 e s T s 1 整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象 G 0( s ) 的纯滞后时间 τ 相同。 闭环系统的时间常数为 T τ ，纯滞后时间 τ与采样周期 T 有整数倍关系， τ =NT 。 其控制器形式的推导的思路是用近似方法得到系统的闭环脉冲传递函数，然后再由被 控系统的脉冲传递函数，反推系统控制器的脉冲传递函数。 由大林控制算法的设计目标，可知整个闭环系统的脉冲传递函数应 当是零阶保持器与理想的 φ ( s ) 串联之后的 Z 变换，即 φ ( z ) 如下： Y( z) 1 e T s e s N (1 e T/T τ 1 = z ) z ( z) Z 1 e T /T τ -1 R( z) s T s 1 z 对于被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节即： G 0 (s) Ke s Ke NTs 1 T 1s 1 T 1s 其与零阶保持器相串联的的脉冲传递函数为： G(z) Z 1 e Ts Ke s Kz N 1 1 e T / T 1 s 1 T 1s 1e T /T 1 z 1