具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计介绍
5.1 系统仿真 ................................................... 24 5.2 抗干扰性能分析.............................................. 25 5.3 元件清单 ................................................... 27 第六部分 心得体会 ................................................. 28 参考文献.......................................................... 29 附程序 ........................................................... 30
具体内容： 1） 自己给出系统的闭环传递函数的表达式 2） 自己设定系统性能指标 3） 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图 4） 硬件布线连接图转化为系统结构图 5） 选择一种控制算法 6） 软件工程知识编写程序流程图 7） 在 MATLAB 下进行编程和仿真，给出单位阶跃函数的输出结
果表 8） 进行系统的可靠性和抗干扰性的分析
第三部分 电路设计 ................................................. 19 3.1 器件选型 ................................................... 19 3.1.1 控制芯片的选择 ........................................ 19 3.1.3 A/D 转换器的选择....................................... 19 3.1.4 D/A 转换器的选择....................................... 20 3.2 温度检测电路与整形放大滤波电路 ............................... 20 3.3 A/D 转换电路 ............................................... 21 3.4 D/A 转换电路 ............................................... 21 3.5 数码管显示电路.............................................. 22
第二部分 设计方案.................................................. 4 2.1 设计方案分析论证 ............................................. 4 2.1.1 控制对象特性分析........................................ 4 2.1.2 算法选择............................................... 6 2.1.3 控制器设计 ............................................. 6 2.2 系统方框图 ................................................. 14 2.2.1 控制系统结构示意图..................................... 14 2.2.2 硬件结构框图 .......................................... 14 2.3 程序设计流程图.............................................. 15 2.3.1 主程序流程图 .......................................... 15 2.3.2 温度采集流程图 ........................................ 16 2.3.3 达林算法及其控制量输出流程图............................ 17 2.4 软件实现 ................................................... 18
计算机控制系统课程设计
ห้องสมุดไป่ตู้
目录
第一部分 设计任务.................................................. 1 1.1 课程设计任务题目及要求 ....................................... 1 1.2 课程设计任务对象与设计的分析论证 .............................. 2 1.2.1 控制对象的分析与说明 .................................... 2 1.2.2 被控对象传递函数的确定 .................................. 2 1.2.3 系统设计的一般步骤和要点 ................................ 3
第一部分 设计任务
1.1 课程设计任务题目及要求
题目：具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计 要求： 1、 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节
G(s) Kes Ts 1
的温度控制系统和给定的系统性能指标： 工程要求相角裕度为 30°～60°，幅值裕度>6dB 要求测量范围-50℃ ～200℃ ，测量精度 0.5％，分辨率 0.2℃ 2、 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图，并转化为系统结构图； 3、 选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图； 4、 用 MATLAB 和 SIMULINK 进行仿真分析和验证; 对象确定：K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state’,C),T=rand(1), 考虑θ=0 或 T/2 两种情况。 C 为学号的后 3 位数，如 C=325，K=115.7，T=0.9824，θ=0 或 0.4912 5、 进行可靠性和抗干扰性的分析。
计算机控制系统 第四章 最小拍控制与纯滞后补偿
Z
根据题意，输入信号为单位速度输入，即r (t ) = t ，则有：
Φ e ( z ) = (1 − z −1 ) 2
代入式（4-12）求出最小拍控制器为
5.435(1 − 0.5 z −1 )(1 − 0.368z −1 ) D( z ) = (1 − z −1 )(1 + 0.718z −1 )
s ( 0 .5 s + 1)
位速度输入时的最小拍控制器。 解：根据图4-1可求出系统广义被控对象脉冲传递函数
1 − e −Ts 2 ] G( z) = Z[ ⋅ s s (0.5s + 1) 4 = Z [(1 − e −Ts ) 2 ] s ( s + 2) 4 4e −Ts = Z[ 2 ] − Z[ 2 ] s ( s + 2) s ( s + 2) 2 1 1 2 1 1 = Z[ 2 − + ] − Z [e −Ts ( 2 − + )] s s s+2 s s s+2 e − 2T z −1 (1 − z −1 + e 2T z −1 ) = (1 − z −1 )(1 − e − 2T z −1 )
对最小拍控制系统设计的要求是： （1）调节时间最短，即系统跟踪输入信号所需的采样周期数 最少； （2）在采样点处无静差，即对特定的参考输入信号，在达到 稳态后，系统在采样点能精确实现对输入信号的跟踪； （3）设计出来的数字控制器必须是物理上可以实现的； （4）闭环系统必须是稳定的。
一、最小拍闭环脉冲传递函数的确定 首先根据对控制系统性能指标的要求和其他约束条件， Φ (z 构造系统的闭环脉冲传递函数 。) 最小拍控制系统的设计要求是对特定的参考输入信号， 在系统达到稳态后，系统在采样点处静差为零。根据此约束条 件可以构造出系统的误差脉冲传递函数 Φ e (z )。典型计算机控制 系统结构图如图4-1所示。
滞后控制系统设计
课程设计任务书摘要在工业过程中，大滞后系统普遍存在。
论文以一实验用加热装置为研究对象，针对该温度控制系统具有大滞后特点，采用Smith 预估控制器的控制方案。
理论分析该种控制系统与单回路PID 控制相比，具有更优的动态特性。
关键词：大纯滞后； PID；smith 预估目录引言 (1)第1章课程设计基本资料 (2)1.1软硬件平台 (2)1.2控制方案 (2)1.3流程： (3)第2章内胆加循环水单环定值控制 (4)第3章纯滞后常规PID控制 (5)第4章Smith预估补偿控制 (7)4．1 Smith预估补偿器原理 (7)4.2对象特性测试 (9)4.3实验步骤： (12)第5章总结 (13)参考文献 (14)引言在工业生产过程中，经常由于物料、能量的传输带来时间延迟的问题，即被控对象具有不同程度的纯滞后，不能及时反映系统所承受的扰动。
即使测量信号能到达控制器,执行机构接受信号后立即动作，也需要经过一个滞后时间，才能影响到被控制量，使之受到控制。
这样的过程必然会产生较大的超调量和较长的调节时间，使过渡过程变坏，系统的稳定性降低。
当τ/T 增加时，过程中的相位滞后增加而使超调增大甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故。
我们通常将纯滞后时间与过程的时间常数TP 之比大于0.3的过程认为是具有大滞后的过程[1]。
传统的PID 控制一般不能解决过程控制上的大滞后问题，因此具有大滞后的过程控制被认为是较难的控制问题，成为过程控制研究的热点。
锅炉的炉温控制问题是一个典型的时间滞后问题。
第1章课程设计基本资料1．1软硬件平台沈阳理工大学信息科学与工程学院购置的“THJ-3型西门子PLC过程控制系统”是由实验控制对象、实验控制柜及上位监控PC机三部分组成。
它是本公司根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。
第9章纯滞后系统
章
纯 【例9-1】钢带压制过程中的钢带厚度控制
滞
(具体内容请参阅教材)
后
可见，如果调节时间按时间常数的3倍计算，则调节时间约为25.15×3＝75.45秒。也
系 就是说，在扰动产生钢带厚度不均匀后75.45秒，才被检测装置检测出来用作钢带厚度的控制
统
信号。显然，这样的控制已完全错过了真正产生厚度不均匀的时刻。 控制信号的给出与相应产生偏差的动作不合拍，这样很容易产生控制过程中钢带厚
系
统 (具体内容请参阅教材)
过 程 控 制 系 统 仿 真
25
第 9
9.3 综合仿真实例
章
9.3.6参数摄动对系统影响仿真
纯 滞
【例9-12】微分先行控制系统鲁棒性仿真分析综合实例。（续例9-6）微分先行控制系统鲁棒 性分析。在图9.35中仅考虑有随机干扰部分中延时时间常数变化±10%，分析系统鲁棒性。
9
第 9
9.2 纯滞后系统的设计
章
9.2.2 史密斯补偿控制
纯
滞
【例9-4】史密斯预估器在纯滞后矿仓料位控制中的应用 在钢铁行业的烧结厂中，混合料仓料位参数的准确控制是平衡和稳定烧结生产的重要手
后 段。矿仓料位系统的工艺流程如图9.9 所示。
系
统
过 程 控 制 系 统 仿 真
(具体内容请参阅教材)
系统成功地解决了这一问题。
制
系
统
仿
真
11
第 9
9.2 纯滞后系统的设计
章
9.2.2 史密斯补偿控制
纯
滞
后
系
统
过 程 控 制 系 统 仿 真
图9.11表明料位波动都在3 %以内。所以，采用了史密斯预估补偿控制策略后，预估器能 够有效地克服纯滞后和外因扰动而引起的料位波动，该系统和常规的PID 控制相比具有控 制品质高，鲁棒性好和抗干扰能力强等优点。
17大林算法控制器的设计——【东北大学 计算机控制系统】
Wd
(
z
)
Z
1
eTs s
Ke NTs T1s 1
K
(1 eT /T1 )z(N 1) 1 eT /T1 z1
得到控制器传递函数为：
D(z)
(1 eT /T1 z1)(1 eT /T0 ) K (1 eT /T1 )[1 eT /T0 z1 (1 eT /T0 )z(N 1) ]
大林算法设计原理
思考：给定的闭环系统传递函数WB(s)的增益为何为1？
整个系统的闭环脉冲传递函数为：
大林算法设计原理
WB (z)
Y (z) R(z)
Z
1 eTs
s
eNTs T0s 1
z(N 1) (1 eT /T0 1 eT /T0 z1
)
为什么加零阶保持器？
原因： （1）加入零阶保持器：保证离散前后的阶跃 响应相等 （2）不加零阶保持器：保证离散前后的脉冲 响应相等
效果：消除了振铃现象 出现了超调，过渡过程时间变长
·教学单元四结束·
本节内容结束
W (s) K es , NT
T1s 1
W (s)
K
e s , NT
(T1s 1)(T2s 1)
大林算法设计原理
大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，即：
滞后与被控对象相同
WB
(s)
e s 和T2中最小的还要小。
大林算法设计原理
解：系统广义被控对象传递函数为
Wd
(s)
1
e sT s
W
(s)
(1 e0.5s )es s(s 1)
大林算法设计原理
大林控制算法实验报告
一、实验目的1. 理解大林控制算法的基本原理及其设计过程。
2. 掌握大林控制算法在计算机控制系统中的应用。
3. 通过实验验证大林控制算法在解决纯滞后系统控制问题上的有效性。
二、实验原理大林控制算法（Dahlin Control Algorithm）是一种针对具有纯滞后特性的控制对象而设计的新型控制算法。
该算法的核心思想是将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯延迟形式，然后通过反向设计得到满足这种闭环响应的控制器。
对于具有纯滞后特性的被控对象，其传递函数可以表示为：\[ G(s) = \frac{K}{T_s s + 1} \cdot e^{-\frac{s}{T}} \]其中，\( K \) 为系统增益，\( T_s \) 为采样周期，\( T \) 为纯滞后时间。
大林控制算法要求选择闭环传递函数 \( W(s) \) 时，采用相当于连续一阶惯性环节的 \( W(s) \) 来代替最少拍多项式。
如果对象有纯滞后，则 \( W(s) \) 应包含有同样的纯滞后环节。
带有纯滞后的控制系统闭环传递函数为：\[ W(s) = \frac{K}{T_s s + 1} \cdot e^{-\frac{s}{T}} \]根据大林控制算法，可以设计出满足期望闭环响应的数字控制器 \( D(z) \)：\[ D(z) = \frac{K_1 e^{-\frac{1}{T}}}{(1 - e^{-\frac{1}{T_1}}) (1 - e^{-\frac{1}{T_2}})} \cdot \frac{1}{[1 - e^{-\frac{1}{T_1}} (1 - e^{-\frac{1}{T_2}})] (1 - e^{-\frac{1}{T} z^{-1}})} \]其中，\( K_1 \)、\( T_1 \) 和 \( T_2 \) 为大林算法的参数。
三、实验仪器1. MATLAB 6.5软件一套2. 个人PC机一台四、实验步骤1. 启动MATLAB软件，创建一个新的脚本文件。
一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制
目录0.前言 (1)1. 不完全微分PID算法设计 (2)2.算法仿真研究 (3)3.一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制程序 (4)4.实验结果 (7)5.结论及总结 (8)参考文献 (8)课设体会 (10)$一阶纯滞后系统的不完全微分PID控制沈阳航空航天大学北方科技学院摘要：提出在PID算法中加入一阶惯性环节，通过不完全微分PID算法来改善干扰对系统的影响，用MATLAB仿真分析说明该算法在改善过程的动态性能方面具有良好的控制精度。
在现代工业生产中，自动控制技术的使用越来越多，而随着工业和控制技术的发展，自动控制理论也在发展和完善，出现了多种控制方法如最基础的PID控制以及微分先行控制、中间微分控制、史密斯补偿控制、模糊控制、神经网络控制等。
自动控制技术的发展在工业生产中遇到了一系列的问题：如在本文中所研究的一阶纯滞后系统的控制就是控制理论中一个较为重要的问题。
由控制理论可知，无滞后控制系统（简单点说就是没有延迟）比有滞后系统更加稳定，更加容易控制。
因此如何解决生产中滞后的问题在当前工业大生产中尤其重要。
论文在常规PID控制也就是比例-积分-微分控制的基础上提出了三种控制方法即：微分先行控制、中间微分反馈控制、史密斯补偿控制。
并对这三种方案进行Simulink 仿真，检测其抗干扰性能。
为便于分析，论文将所得仿真结果以图形的方式给予显示出来，形象生动便于理解。
关键词：一阶纯滞后 ;不完全微分;仿真;PID…0.前言在多数工业过程当中,控制对象普遍存在着纯时间滞后现象,如化工,热工过程等.这种滞后时间的存在,会使系统产生明显的超调量和较长的调节时间,滞后严重时甚至会破坏系统的稳定性,在工业生产上产生事故.因此长期以来,纯滞后系统就一直是工业过程中的难控制对象,人们也对它进行了大量的研究.在现代工业生产和理论研究中出现了多种控制方法,如PID控制、PID改进控制、Smith 预估算法控制以及模糊控制、神经网络控制等.而对于最基础的一阶纯滞后系统常用的控制方法主要是PID 控制、不完全微分PID 控制.1. 不完全微分PID 算法设计为了克服上述缺点， 在PID 算法中加一个一阶惯性环节（低通滤波器）G f （S ）=1/[1+T f （S ）]，将低通滤波器直接加在微分环节上，构成如图1的不完全微分PID 控制：式中，T 为采样时间，T f 为滤波器系数，T 1和T D 分别为积分时间常数和微分时间常数，令 ɑ=T f /(T f +T),则T/（T+T f ）=1-ɑ；显然有1<α，1−α<1成立，不完全微分项为：若e(k)为单位阶跃（即e（k）=1，k=0,1,2，∧）由此得出不完全微分项为：（可见，引入不完全微分后，微分输出按ɑk U D（0）的规律)（ɑ(1)逐渐衰减，所以不完全微分能有效地克服前述微分项的不足。
第9章纯滞后系统
真
微分先行和中间微分反馈方法都能有效地克服超调现象，缩短调节时间，而且不需特殊设 备。因此，这两种控制形式都具有一定的实际应用价值。但是这两种控制方式都仍有较大 超调且响应速度很慢，不适于应用在控制精度要求很高的场合。
7
第 9
9.2 纯滞后系统的设计
章
9.2.2 史密斯补偿控制
纯
滞
纯滞后补偿控制的基本思路是：在控制系统中某处采取措施（如增加环节，或增加控
这类控制过程的特点是：当控制作用产生后，在滞后时间范围内，被控参数完全没
程 有响应，使得系统不能及时随被控制量进行调整以克服系统所受的扰动。因此，这样的过程
控 必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间。所以，含有纯延迟的过程被公认为是较
制 难控制的过程，其难控制程度随着纯滞后时间与整个过程动态时间参数的比例增加而增加。
系
统
一般认为，纯滞后时间与过程的时间常数之比大于0.3时，该过程是大滞后过程。随此比值
仿 增加时，过程的相位滞后增加而使超调增大，在实际的生产过程中甚至会因为严重超调而出
真 现聚爆、结焦等事故。此外，大滞后会降低整个控制系统的稳定性。因此大滞后过程的控制
一直备受关注。
3
第 9
9.1 纯滞后系统概述
低，有利于改善系统的控制性能。
无论在设定值扰动或负荷扰动下，史密斯预估器对模型精度十分敏感，而改进型方
案确有相当好的适应能力，是一种有希望的史密斯改进方案。
19
第 9
9.3 综合仿真实例
章
纯
滞
9.3.1 微分先行控制仿真
后
9.3.2 中间微分控制仿真
系
9.3.3 史密斯补偿控制仿真
统
纯滞后对象的控制算法
求广义对象的脉冲传递函数G(z)及闭环系统的脉冲传递函数 Φ(z)
求数字控制器的脉冲传递函数D(z)
6.9 史密斯(Smith)预估控制
设被控对象传递函数为
GP(s)是G(s)中不含纯滞后特性的部分
r(t) +
e(t) D(s) -
u( t)
GP(s)e-τs
因此，z2可能出现在Z平面负实轴的单位 圆上，或非常靠近这一点。
——Z2会产生振铃现象。
② 振铃幅度RA
用振铃幅度RA来衡量振铃强烈的程度。 为描述振铃强烈的程度，应找出数字控制器输出
量的最大值umax。 由于这一最大值与系统参数的关系难于用解析的
式子描述出来，所以常用单位阶跃作用下数字控 制器第0次输出量与第1次输出量的差值来衡量振 铃现象强烈的程度。 振铃幅度定义：控制器在单位阶跃输入作用下， 第0次输出幅度与第一次输出幅度的差。
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅地阐述观点。
GP(s)e-τs
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅地阐述观点。
y(t)
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅地阐述观点。
经过补偿后的闭环系统，因其滞后特性e-τs相当于已到了闭环 回路之外，它相当于下面的系统
02
同样带零阶保持器用采样周期T对它进行离散化，
其脉冲传递函数
（4） 数字控制器设计
如果对象脉冲传递函数为 G(z)，其闭环脉冲传递函 数是我们按性能要求构造 的，就是前面得到的Φ(z)。 这样我们就可以求出控制 器D(z)。
G(z)
+
01
R(z)
我们需要求出 D(z)，完成控 制器的设计
退火炉计算机温度控制系统设计
题目退火炉计算机温度控制系统设计分院姓名学号专业班级指导教师引言退火炉是一种热处理设备，它把压力容器加热到一定温度并维持一段时间，然后让其自然冷却。
其目的在于消除压力容器的整体压力。
提高压力容器的使用寿命。
温度是退火炉的主要被控变量，是保证其产品质量的一个重要因素。
1 设计要求温度控制系统设计：已知某退火炉，规定额定温度为T，允许误差为△T=±2%，其加热是通过煤气燃烧来实现的，试设计一个计算机温度控制系统来实现炉温控制？并给出系统模型，选用主要元器件，设计控制算法，最后在MATLAB上对系统进行仿真？大概过程：1 设计要求2 要求分析，建立温度控制系统的原理框图3 根据框图给出系统的方块图（包括各个主要组成部分的模型建立，如电机，退火炉（为一阶环节与滞后环节相乘）等）4 选好控制器（单片机），A/D，D/A，传感器，电机等，画出大概电路图5 选定控制算法，给出计算公式，并把具体参数带入到公式中，在MATLAB上建模仿真，分析典型信号的相应特性。
2、退火炉温度控制系统的原理框图退火炉以煤气、空气混合气为辅助燃料，煤气和空气的比例为3:2，炉温的高低直接与混合气的进给量有关，适当调节它的进给量，即恰当地控制混合气的阀门的开启角度就可以控制退火炉的温度高低。
退火炉的结构框图如图1所示。
其工作原理是退火炉温度Tx经传感器、变送器检测、变换的T(t)值，与温度给定值R(t)比较后,两者的偏差值Et(t)经微机数字控制器D(z)分析、运算，输出相应的控制量，驱动执行机构C，调节流量控制阀阀门C的开启角度，改变混合气的进给量。
流量控制阀C图13、退火炉温度控制系统的方块图退火炉温度控制系统的方块图如图2所示其中：H(s)=1st e s -- 1()1sc Ke G s s θτ-=+ ()1D s =R(t)+-ET(t)ET(z)Uc(z)图24、退火炉温度控制系统的控制算法分析“温度”的表现，可以用纯滞后一阶惯性环节来描述，即1()'()*()*11sc c Ke G s G s D s s θτ-==+式中：Gc(s) ——煤气退火炉的传递函数；D(s) ——比例环节取1；K ——比例系数；θ——纯滞后时间；τ1——时间常数。
基于PID控制算法的温度控制系统的设计与仿真
摘要本设计是一种温度控制系统，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、促进科技进步等具有重要的现实意义。
PID控制法最为常见，控制输出采用PWM波触发可控硅来控制加热通断。
使系统具有较高的测量精度和控制精度。
单片机控制部分采用AT89S51单片机为核心，采用Keil 软件进行编程，同时采用分块的模式，对整个系统的硬件设计进行分析，分别给出了系统的总体框图、温度检测调理电路、A/D转换接口电路，按键输入电路以及显示电路，并对相应电路进行相关的阐述软件采用PID算法进行了建模和编程，在Proteus环境中进行了仿真。
关键词：PID;单片机；温度控制；Keil；ProteusAbstractThis design is a kind of temperature control system,The temperature control in industrial production and scientific research is of great significance.Belongs to pure first-order lag link, the control system has the characteristics of big inertia, pure lag and nonlinear, the traditional control overshoot and adjustment time is long, low control precision.By single chip microcomputer temperature control, has simple circuit design, high accuracy and good control effect, to improve the production efficiency, promote the progress of science and technology has important practical significance.PID control is the most common, the control output PWM wave triggering thyristor is used to control the heating on and off.Make the system has high accuracy of measurement and control precision.Single-chip microcomputer control part adopts single chip microcomputer A T89S51 as the core,Using Keil software programming,Using block pattern at the same time, analyzes the hardware design of the whole system, respectively, of the overall system block diagram is given, the temperature detection circuit, A/D conversion interface circuit, key input circuit and display circuit, and the corresponding circuit are related in this paper, the software, the PID algorithm is used for modeling and programming in the Proteus simulation environment.Key words:PID；Single chip microcomputer；The temperature control；Keil；Proteus目录1绪论 (1)2设计方案 (2)3系统硬件仿真电路 (3)3.1 温度测量调理电路 (3)3.2 A/D转换电路 (4)3.3 按键输入电路 (5)3.4 数码管显示电路 (6)3.5 温度控制电路 (7)4程序设计 (9)4.1 程序整体设计 (9)4.2 子程序设计 (1111)4.3源程序设计 (119)5软件调试与运行结果 (41)结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)1绪论现代工业生产过程中，用于热处理的加热炉，需要消耗大量的电能，而且温度控制是纯滞后的一阶大惯性环节。