基于大林算法的温度控制系统设计说明
第五组-基于大林算法的电阻炉(二阶系统)温度控制
课程设计任务书课程设计计划表5.基于大林算法的电阻炉(二阶系统)温度控制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二阶系统串联描述)12)(1()(++=-s s e s G s采样周期1=T ，期望闭环传递函数为：1)(+=Φ-s e s s电阻炉的温度设定为1000o C 。
设计控制器是系统满足：调整时间s t s 80≤，超调量%10≤p σ，稳态误差C e os 2≤。
工作要求：1. 查找资料，描述电阻炉的基本情况；2. 设计大林控制算法，用Simulink 实现；3. 设计传统PID 控制器，并将二者算法进行比较；4. 分析系统是否存在振铃现象，若存在试消除振铃；5. 改变模型结构，考察模型扰动下系统性能变化情况；6.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。
目录第一章课题背景知识介绍 ........................................ 错误!未定义书签。
1.1摘要 (6)1.2设计任务和要求 ............................................ 错误!未定义书签。
1.3大林算法 (7)1.4 PID算法 (9)第二章控制系统分析 (10)2.1 被控对象分析 (10)2.1.1纯滞后介绍 (10)2.2 控制器分析 (10)第三章控制系统的仿真 ............................................ 错误!未定义书签。
3.1 PID控制器控制下的系统仿真 (12)3.2 大林控制算法下的系统仿真 (13)3.3 大林控制算法和PID控制器的仿真 (14)第四章振铃现象分析 (17)第五章扰动下的系统性能分析 (18)课程设计心得 (19)参考文献 (20)第一章系统方案1.1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。
大林算法在温度控制中的应用.ppt
大林算法在温度控制中的应用.ppt————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：引言随着现代科学技术水品格发展，与其是近年来，电力工业的迅速发展，工业电阻炉尤其是钟罩式真空电阻炉越来越受人们的青睐。
工业钟罩式真空电阻炉是一种重要的热处理设备,它能使被加热零件脱气、脱氧、脱硫，以及能使有害杂质蒸发分离,避免零件氧化污染,而且它的温度容易调节，相对其它电阻炉来讲热惯性小升温时间短，它在工业中被广泛采用。
他一般具有较大的时间常数和一定的纯滞后时间，且滞后时间比较长，我们知道这样的系统村不利于现代化工业生产自动化水平提高，不利于产品质量和生产效率的提高。
但是一般来讲，对这样的系统在工业生产中要求没有超调量或超调量很小，调节时间希望在确定的采样时间内结束(虽然也希望尽快结束过渡过程，但是这是第二位的）.因此超调试主要的设计目标，用一般的控制系统设计方法是不行的,用模拟仪表控制算法效果也欠佳。
IBM公司的大林于1968年提出一种针对工业生产过程中含有纯滞后的控制对象的控制算法，即大林算法。
它具有良好的效果,采用大林算法的意义在于大林控制算法能在一些具有纯滞后环节的系统中兼顾动静两方面的性能，可做到小超调小稳态误差。
控制效果比较理想。
对工程实际应用具有很大的意义。
第一章钟罩式真空电阻炉1。
1钟罩式真空电阻炉钟罩式真空电阻炉所谓钟罩式系指炉膛位于工作台面以上，钟罩可以升降，由侧面装卸工件，所以又称侧装式。
图1—1所示为双位钟罩式真空炉。
这种型式的炉子其加热器有两种安装方式:一种是装在钟罩内，随钟罩升降，这时，固定在炉盖上的电极汇流排5也要随盖运动.另一种是固定在静止的台面板上,电极汇流排需从机架下方引入。
钟罩式真空电阻炉的基本参数见表1-1所示。
图1—1 双位钟罩式真空电阻炉1-机架；2—真空系统；3-观察孔；4炉体;5-汇流排；6—电气部分；7—变压器;8-升降机构。
基于大林算法电加热炉温度控制系统设计
基于大林算法电加热炉温度控制系统设计电加热炉温度控制系统设计是现代工业生产中非常重要的一环，它关乎着工作环境的安全和产品质量的稳定性。
在这一设计过程中，大林算法被广泛应用于温度控制系统中，以实现精确、稳定和可靠的温度控制。
本文将介绍电加热炉温度控制系统设计的基本原理和过程，并重点阐述大林算法在该系统中的应用。
首先，要了解电加热炉温度控制系统的基本原理。
该系统主要由温度传感器、控制器和执行器组成。
温度传感器负责将电加热炉内的温度信号转化为电信号，控制器则接收并处理这些电信号，并通过执行器调节电加热炉的功率，以维持设定的温度。
在传统的温度控制系统设计中，一般采用PID（比例、积分、微分）控制算法。
然而，PID算法并不能完全满足电加热炉温度控制的要求。
因此，大林算法成为了一个更好的选择。
大林算法是一种自适应控制算法，它能够根据炉内温度的变化自动调整控制参数，以提供更加精确和稳定的控制效果。
接着，我们来具体介绍大林算法在电加热炉温度控制系统设计中的应用。
首先，大林算法通过建立一个数学模型来描述电加热炉的温度特性。
这个模型包括了电加热炉的热容、传热系数、功率等参数。
基于这个模型，大林算法可以根据炉内温度的变化预测未来的温度变化，并相应地调整控制参数。
在实际应用中，大林算法将炉内温度信号作为输入，经过计算得到一个误差信号。
根据这个误差信号，大林算法会自动调整比例、积分、微分参数，并通过控制器向执行器发出相应的命令，以调节电加热炉的功率。
通过这种自适应的控制方式，大林算法能够快速响应温度变化，并在不断迭代过程中逐步调整控制参数，以达到最佳的温度控制效果。
同时，大林算法还具有自学习的功能。
在系统运行的过程中，大林算法会根据反馈信号和期望信号之间的差异不断优化控制参数，以提高控制效果。
这种自学习的特性使得大林算法在应对复杂的工艺和环境变化时也能够取得良好的控制效果。
综上所述，大林算法在电加热炉温度控制系统设计中具有重要意义。
基于大林算法的温度控制系统设计
计较机控制技巧课程设计之五兆芳芳创作2015/2016学年第二学期设计课题：基于大林算法的电路温度控制系统的设计专业：____班级：___学号：___ _______姓名：________ _____2016年5月目录第一章课题简介11.1.1 本机实现的功效11.1.2 扩展功效：1第二章系统计划设计22.1 水温控制系统的总体介绍22.2 系统框图22.3 闭环系统的任务原理2第三章系统硬件设计33.1 系统原理图33.2 单片机最小系统设计3第四章大林控制算法设计54.1 大林控制算法原理：54.2 控制器的设计及公式推导进程6 4.3 采样周期的选择：7第五章水温控制系统的仿真75.2 Matlab仿真95.2 大林算法控制系统编程设计：10第六章小结与体会15第七章参考文献16第八章附录17第一章课题简介课题的目的1.1.1 本机实现的功效（1）利用温度传感器收集到当前的温度，通过AT89S52单片机进行控制，最后通过LED数码管以串行口传送数据实现温度显示.（2）可以通过按键任意设定一个恒定的温度.（3）将水情况数据与所设置的数据进行比较，当水温低于设定值时，开启加热设备，进行加热；当水温高于设定温度时，停止加热，从而实现对水温的自动控制.（4）当系统出现毛病，超出控制温度规模时，自动蜂鸣报警.1.1.2 扩展功效：（1）具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备. （2）采取适当的控制办法实现当设定温度或情况温度突变时，减小系统的调节时间和超调量.（3）温度控制的静态误差.1.2课题的任务及要求一升水由800W的电热设备加热，要求水温可以在一定规模内由人工设定，并能在情况温度下降时实现自动调整，以保持设定的温度根本不变.（1）温度丈量规模：10~100℃，最小区分度不大于1℃.℃以内，温度控制的静态误差小于1℃.（3）用十进制数码管显示实际水温.第二章系统计划设计2.1 水温控制系统的总体介绍本次设计采取采样值和键盘设定值进行比较运算的办法来复杂精确地控制温度.先通过键盘输入设定温度，保管在AT89S52单片机的指定单元中，再利用温度传感器DS18B20进行信号的收集，送入单片机中，保管在采样值单元.然后把采样值与设定值进行比较运算，得出控制量，从而调节继电器触发端的通断，来实现将水温控制在一定的规模内.当水温超出单片机预存温度时，蜂鸣器进行报警.单片机控制系统是一个完整的智能化的集数据收集、显示、处理、控制于一体的系统.由传感器、LED显示单片机及执行机构控制部分等组成2.3 闭环系统的任务原理本设计以AT89S52单片机系统进行温度收集与控制.温度信号由模拟温度传感器DS18B20收集输入AT89S52，利用温度传感器收集到当前的温度，通过AT89S52单片机进行控制，最后通过LED数码管以串行口传送数据实现温度显示.可以通过按键任意设定一个恒定的温度.将水情况数据与所设置的数据进行比较，当水温低于设定值时，开启加热设备，进行加热；当水温高于设定温度时，停止加热，从而实现对水温的自动控制.当系统出现毛病，超出控制温度规模时，自动蜂鸣报警.用单片机控制水温可以在一定规模内设定，并能在情况温度变更时保持温度不变.第三章系统硬件设计在温度丈量控制系统中，实际温度值由PT100恒流任务调理电路进行丈量.为了克服PT100线性度欠好的缺点，在信号调理电路中参加负反应非线性校正网络；调理电路的输出电压经ADC0808转换后送入单片机AT89S51；对采样数据进行滤涉及标定处理后，由3位7段数码管显示.输入的设定值由4位独立按键电路进行设定，可辨别对设定值的十位和个位进行加1、减1操纵.设定值送入单片机后，由另外一组3位7段数码管显示.数码管的段码由74HC05驱动，位码由三极管2N2222A驱动.系统采取PID闭环控制计划.将预置初值与温度传感器反应信号比较得到偏差(e)进行PID运算处理得到控制量(u)，通过此量来控制加热器的加热时间，从而控制加热功率.由于水自己具有很大的热惯性，所以必须对水温的变更趋势作出预测，并且按照需要实时反标的目的抑制，以避免出现较大的超调量的动摇.在PID控制中，积分环节（I）具有很强的滞后效应，而微分环节（D）具有预见性，所以该计划最终采取PD算法，能够很好的控制超调，并且稳态误差也很小.图3-1 系统原理图单片机最小系统设计根本的AVR硬件线路，包含以下几部分：(1)复位线路的设计AT89S52已经内置了上电复位设计.并且在熔丝位里，可以控制复位时的额定时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很复杂：直接拉一只10K的电阻到VCC便可(R6).为了可靠，再加上一只的电容(C0)以消除搅扰、杂波.D3(1N4148)的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系统断电时，将R1(10K)电阻短路，让C0快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位.当AVR在任务时，按下S0开关时，复位脚酿成低电平，触发AVR芯片复位.重要说明：实际应用时，如果你不需要复位按钮，复位脚可以不接任何的零件，AVR芯片也能稳定任务.即这部分不需要任何的外围零件.图3-2 复位电路设计（2）晶振电路的设计Mega16已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率.不过，内置的究竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比方要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路.早期的90S系列，晶振两端均需要接22pF左右的电容.Mega系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常任务.不过为了线路的标准化，我们仍建议接上.重要说明：实际应用时，如果你不需要太高精度的频率，可以使用内部RC振荡.即这部分不需要任何的外围零件.图3-3 晶振电路设计(3)电源设计AVR单片机最经常使用的是5V与两种电压.本线路以转换成5V直流电压，电路需要变压器把220交换电压转换成28V交换电，再通过整流器，把交换电转化成直流电，通过7809和7805三端正电源稳压电路转化成直流5V.电源如图3-4.图3-4电源电路设计图第四章大林控制算法设计4.1 大林控制算法原理：在许多产业进程中，被控对象一般都有纯滞后特性，并且经常遇到纯滞后较大的对象.美国IBM公司的大林，在1968年提出了一种针对产业生产进程中，含有纯滞后对象的控制算法，具有较好的效果.假定带有纯滞后的一阶、二阶惯性环节的对象为：K为缩小系数.，N为正整数.大林算法的设计目标是设计适合的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数为具有时间纯滞后的一阶惯性环节，并且要求闭环系统的纯滞后时间等于对象的纯滞后时间.4.2 控制器的设计及公式推导进程采样周期T=1s,系统狭义对象的脉冲传递函数为：当输入为单位阶跃时，输出为：控制量的输出为：4.3 采样周期的选择：在本实验中，定时中断距离选取100ms ，采样周期T 要求既是采样中断距离的整数倍，又要满足，而由被控对象的表达式可知，所以取N=1，取T=1s.T=1s ，定时中断为1s ，就是说1个定时中断落后行采样.第五章水温控制系统的仿真直接用上述控制算法组成闭环控制系统时，人们发明数字控制器输出U（z)会以1/2采样频率大幅度上下摆动.这种现象称为振铃现象.振铃现象与被控对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等都有关系.振铃现象中的振荡是衰减的，并且于由被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种振荡对系统的输出几近无任何影响，但是振铃现象却会增加执行机构的磨损.在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，所以，在系统设计中，应设法消除振铃现象.可引入振铃幅度RA来权衡振荡的强烈程度.振铃幅度RA的定义为：在单位阶跃信号的作用下，数字控制器D（z）的第0次输出与第1次输出之差值.设数字控制器D(z)可以暗示为：5-1）其中5-2）那么，数字控制器D（z)输出幅度的变更完全取决于Q（z)，则在单位阶跃信号的作用下的输出为：5-3）按照振铃的定义，可得：5-4）上述标明，产生振铃现象的原因是数字控制器D（z）在z平面上位于z=-1邻近有顶点.当z=-1时，振铃现象最严重.在单位圆内离z=-1越远，振铃现象越弱.在单位圆内右半平面的顶点会削弱振铃现象，而在单位圆内右半平面的零点会加重振铃现象.由于振铃现象容易损坏系统的执行机构，因此，应设法消除振铃现象.大林提出了一个消除振铃的复杂可行的办法，就是先找造成振铃现象的因子，然后令该因子中的z=1.这样就相当于取消了该因子产生振铃的可能性.按照终值定理，这样处理后，不会影响输出的稳态值.本设计的被控对象是含有纯滞后的一阶惯性环节，大林算法求得的数字控制器为式：5-5）有可暗示为式3-14所示：5-6）可能引起振铃现象的因子是式3-15所示：5-7）其振铃的幅度为：5-8）按照r值的不合，有一下几种情况：（1）当r=0时，不存在振铃顶点因子，此时不产生振铃现象（2）当r=1时，存在一个顶点；当τz≈-1，存在严重的振铃.当r=2时，存在顶点当τ<<T时，z≈1时，存在振铃现象.对于r=2时的振铃顶点，令Z=1代入式中可得：此时就求得的消除振铃的数字控制器D（z)表达式为atlab仿真Matlab仿真图（无振铃现象）5.2 大林算法控制系统编程设计：按照系统的总体功效和键盘设置选择一种最适合的监控程序结构，然后按照实时性的要求，公道地安插监控软件和各执行模块之间地调度关系.本部分详细介绍了基于AT89S52单片机的多路温度收集控制系统的软件设计.按照系统功效，可以将系统设计分为若干个子程序进行设计，如温度收集子程序，数据处理子程序、显示子程序、执行子程序.采取Keil uVision3集成编译情况和C语言来进行系统软件的设计.本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再逐一阐发各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序.收集到当前的温度，通过LED数码管实现温度显示.通过按键任意设定一个恒定的温度将水情况数据与所设置的数据进行比较.当水温低于设定值时，开启加热设备，进行加热；当水温高于设定温度时，停止加热.当系统出现毛病，超出控制温度规模时，自动蜂鸣报警并对温度进行实时显示.采取C语言编写代码，鉴于篇幅限制及DS18B20的应用已经标准和成熟，本文仅就主程序流程图和显示子程序流程图及其代码进行说明.通过定时器口的定时来实现，在此不再赘述.有关DS18B20的读写程序，编程时序阐发等请见附录三.功效主程序流程图主程序通过调用温度收集子程序完成温度数据收集，然后调用温度转换子程序转换读取温度数据，调用显示子程序进行温度显示和判断温度数据.主程序（见附录二）调用四个子程序，辨别是温度收集程序、数码管显示程序、温度处理程序和数据存储程序.温度收集程序：对温度芯片送过去的数据进行处理，进行判断和显示.数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分.温度处理程序：对收集到的温度和设置的上、下限进行比较，做出判断，向继电器输出关断或闭合指令.数据存储程序：对键盘的设置的数据进行存储.图1 系统总流程图设计主程序的主要功效是担任温度的实时显示、读出并处理DS18B20的丈量的当前温度值，温度丈量每1s进行一次.这样可以在一秒之内丈量一次被测温度，其程序流程见图2所示.通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分隔存放在不合的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来.图2 主程序流程图读出温度子程序的主要功效是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写.DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须依照所要求的时序才干达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位.DS18B20的数据读写是通过期序处理位来确认信息互换的.当总线控制器倡议读时序时，DS18B20仅被用来传输数据给控制器.因此，总线控制器在收回读暂存器指令[BEh]或读电源模式指令[B4H]后必须立刻开始读时序，DS18B20可以提供请求信息.所有读时序必须最少60us,包含两个读周期间至少1us的恢复时间.当总线控制器把数据线从高电平拉到低电平时，读时序开始，数据线必须至少保持1us,然后总线被释放在总线控制器收回读时序后，DS18B20通过拉高或拉低总线上来传输1或0.当传输逻辑0结束后，总线将被释放，通过上拉电阻回到上升沿状态.从DS18B20输出的数据在读时序的下降沿出现后15us 内有效.因此，总线控制器在读时序开始后必须停止把I/O脚驱动为低电平15us,以读取I/O脚状态.图3 读出温度子程序本系统采取八位共阳极数码管，用模拟串口的动态显示数据.其流程图如图4所示：图4 数码管显示流程图基于单片机水温控制系统通过DS18B20温度传感器收集到的温度和设置的温度上、下限进行比较得出结果.如果低于下限温度或是高于上限温度，则报警器进行进行报警.第六章小结与体会这次的课程设计分派到两团体一组完成，虽然只有短短的两周时间，但是通过这些天的学习使我收获巨大，让我加倍深刻的温习了课本知识，使得自己在专业技巧和动手能力方面有了很大的提高，为以后自己进入社会打下了一个良好的根本.在这次的课程设计进程中，我与周航一组，我很感激老师对我的指导及同学的帮忙，我主要担任软件的仿真，周航担任硬件系统的设计.在大林控制算法的设计中，遇到了许多的难题，对于原理概念十分模糊，一些公式也忘了如何去使用，拿出了以前的课本对遗忘的知识进行了回首，在同学的帮忙下，与周航的讨论中一步一步的完成了控制器的设计和大林算法公式的推导.使得我能够顺利的完成此次的课程设计，通过完成这次的课程设计，使我深刻的体会到了团队的重要性，这次的课程设计很，但两人一组的团队的协作使课程设计复杂了许多，每团体都有明确的分工，这样，再加上自己的努力终能取得成功.感激此次的课程设计让我收获良多！第七章参考文献[1]于海生主编，微型计较机控制技巧[M]，北京:清华大学出版社，2009[2]李小坚,赵山林,冯晓军,龙怀冰.Protel DXP电路设计与制版实用教程(第2版).北京:人民邮电出版社.2009选编（第一届-第五届）.北京: 北京理工大学出版社.2004[4]张琳娜,刘武发.传感检测技巧及应用.北京:中国计量出版社.1999[5]沈德金,陈粤初. MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例.北京:北京航空航天大学出版社.1990[6]型80C51单片机速成与实战.北京:北京航空航天大学出版社.C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社社.199[8]胡汉才.单片机原理及接口技巧.北京:清华大学出版社社.1996[9]李志全等.智能仪表设计原理及应用.北京:国防产业出版社.[10]何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社.1990.1第八章附录附录一：系统程序#include <reg52.h> //52系列头文件#include <stdio.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit ds=P3^4;sbit dula=P2^6;sbit beep=P1^4; //定义蜂鸣器sbit led=P1^1;sbit jdq=P1^0;uint temp,t,w; //定义整型的温度数据uchar flag;float f_temp; //定义浮点型的温度数据uint low; //定义温度下限值是温度乘以10后的结果uint high; //定义温度的上限值sbit led1=P1^0; //控制发光二极管sbit led2=P1^1; //控制发光二极管sbit s1=P3^5;sbit s2=P3^6;sbit s3=P3^7;uchar flag1,flag2,flag3,flag4,s1num,qian,bai,shi,ge;uchar code table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xc6}; //共阳数码管段码表uchar code table1[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//带小数点的编码void delay(uchar z) //延时函数{uchar a,b;for(a=z;a>0;a--)for(b=100;b>0;b--);}void init(){EA=1;ET1=1;TR1=1;TMOD=0x10;TH1=(65536-4000)/256;TL1=(65536-4000)%256;flag=0;high=100;jdq=1;}void didi(){beep=0;led=0;delay(500);beep=1;led=1;delay(500);}void dsreset(void) //DS18b20复位，初始化函数{uint i;ds=0;i=103; //延时最短480uswhile(i>0) i--;ds=1; //等待16-60us，收到低电平一个约60-240us则复位成功i=4;while(i>0) i--;}bit tempreadbit(void) //读1位数据函数{uint i;bit dat;ds=0;i++;ds=1;i++;i++; //i++起到延时作用dat=ds;i=8;while(i>0)i--;return(dat);}uchar tempread(void) //读1字节的数据函数{uint i,j,dat;dat=0;for(i=1;i<=8;i++){j=tempreadbit();dat=(j<<7)|(dat>>1);//读出的数据最低位在最前面，这样恰好一个字节在dat里}return(dat);}void tempwritebyte(uchar dat) //向DS18B20写一个字节的数据函数{uint i;uchar j;bit testb;for(j=1;j<=8;j++){testb=dat&0x01;dat=dat>>1;if(testb) //写1{ds=0;i++;i++;ds=1;i=8;while(i>0)i--;}else //写0{ds=0;i=8;while(i>0) i--;ds=1;i++;i++;}}}void tempchange(void) //DS18B20开始获得温度并转换{dsreset();delay(1);tempwritebyte(0xcc); //写跳过读ROM指令tempwritebyte(0x44); //写温度转换指令}uint get_temp() //读取存放器中存储的温度数据{uchar a,b;dsreset();delay(1);tempwritebyte(0xcc); //写跳过读ROM指令tempwritebyte(0xbe); //写温度转换指令a=tempread(); //读低8位b=tempread(); //读高8位temp=256*b+a;f_temp=temp*0.0625; //温度在存放器中为12位，分辩率为 temp=f_temp*10+0.5; //乘以10暗示小数点前面只取一位return temp; //temp是整型}void keyscan(){if(s1==0){P2=0xff;delay(5);if(s1==0){while(!s1);s1num++;if(s1num==1){flag=1;}if(s1num==2){s1num=0;flag=0;}}}if(s1num==1){flag=1;if(s2==0){delay(5);if(s2==0){while(!s2);high+=10;if(high==1000)high=100;}}if(s3==0){delay(5);if(s3==0){while(!s3);high-=10;if(high==0)high=100;}}}}void main() //主函数{init();while(1){tempchange(); //温度转换函数if(temp<high-10){jdq=0;didi();}if((temp>=high-10)&&(temp<=high)){jdq=0;beep=1;}if((temp>high)&&(temp<=high+10)){jdq=1;beep=1;}if(temp>high+10){jdq=1;didi();}}}void time1() interrupt 3{TH1=(65536-4000)/256;TL1=(65536-4000)%256;t++;keyscan();if(flag==0){if(t==4) t=0;switch(t){case 1:P0=table[get_temp()/100]; P2=0xfd;break;case 2:P0=table1[get_temp()%100/10];P2=0xfb;break; case 3:P0=table[get_temp()%10]; P2=0xf7;break;}}if(flag==1){if(t==4) t=0;switch(t){case 0:P0=0xff; P2=0xfe;break;case 1:P0=0xff; P2=0xfd;break;case 2:P0=table[high/100]; P2=0xfb;break;case 3:P0=table[high%100/10]; P2=0xf7;break; }}}班级：姓名：学号：1.扼要叙述系统的任务原理.2.简述复位电路设计原理.3.系统如何产生报警？4.简述大林算法的原理.5.采样周期如何确立？。
基于Dahlin算法的温度控制器设计
境 自编
汁 算控制器参数 ， １ 许利剐 ＳＭＵＬＮＫ工具建立仿真模掣调试控制器 的控制效果 ， Ｉ Ｉ 提高 ｒ温度的控 制质量 。
关键 词 ： 度 控 制 ； ｈｉ 算法 ； 温 Ｄａ ｌ１ ｉ 控 器 参 数 ；『 ｆ 真 Ｊ 中罔 分 ： Ｍ ５ １３ Ｔ ７ ． 文献 标 识 码 ： Ｂ 文章 编 弓 ：０ ３ ２ １ ０ １０ 一 ０ ３ ４ １０ ７４ （ １）６ １ ０ ２ ０
ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｕｏ ｕ ｌ ｙ ｉ ｉ ｒ ｖ ｄ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｃ ｎ ‘ ｌ ａ ｉ ｓ ｍｐ ｏ ｅ ． ｑ ｔ Ｋｅ ｒ ｓ ｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔｏ ； ｈ ｉ ｒｔ ｍｅ ｉ ； ｏ ｔｏ ｌ ｒｐ ｒ ｍ ｅｅ ； ｉ ｌ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ Ｄａ ｌｎ ａ ｉ ｈ ｔ ｃ ｎ ｒ ｌ ａ ａ ｔ ｒ ｓ ｍｕ ａ ｉ ｃ ｅ ｏ
１ 引 言
在冶 金 、化工 、 电力工程 等诸多 生产过程 中， 工业 电阻炉 是一 种 重要 的 热处 理设 备 ， 电阻炉 的 温度 进 对
结 构 图如 图 ｌ 示 。主 机采用 ＡＴ８ Ｓ 单片机 ， 所 ９ ５ ｌ 其性
能 比较 稳定 ， 能 完全 可 以满 足本 系统 控 制要 求 。 电 功 阻炉 的 温度 检测 采 用镍 铬 一镍硅 热 电偶 ， 经信号 调 再 理 电路转换 成单片机方便 识别的 电压信 号经 Ａ／ Ｄ转换 器 输入 给单 片机 。执 行机 构 采用单 片机控 制 的交 流过 零 型 固态继 电器控 温 电路 ， 波形为 完整 的正弦 波 ， 其 对 惯性 较大 的被 控对象 ， 是一 种稳定 、可靠 、较合理 的控
工 业 控 制 与 应 用
DALIN 算法用于温度控制实验
实验四 复杂规律数字控制器的设计----DALIN 算法用于温度控制实验预习报告一、实验目的：1．理解具有纯滞后的温度控制系统的数学模型和工作特点；2．理解DALIN （大林）算法工作原理并掌握控制器参数对系统性能的影响；3．能够运用MA TLAB/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．掌握计算机控制仿真结果的分析方法。
二、实验工具：MA TLAB 软件（6.1以上版本）。
三、实验内容：1．实验原理图1 单回路温度控制系统图1中：D (z )为数字调节器传递函数；A/D 环节近似为一采样开关；0()H s 为D/A 环节传递函数，采用零阶保持器；0()G s 为温度被控对象函数，此环节可近似认为是一个纯滞后一阶惯性环节，所以系统是一个具有零阶保持器的单变量调节系统。
根据大林算法的控制原理，将期望的闭环响应设计成一阶惯性加纯迟延，然后反过来得到能满足这种闭环响应的控制器。
设图1所示单回路温度控制系统中，0()G s 为被控对象，()D z 为大林控制器，闭环控制系统传递函数为00()()()()()1()()D z G z Y z W z R z D z G z ⋅==+⋅，则有0()1()()()()1()U z W z D z E z G z W z ==⋅−，由此我们可知，如果能事先设定系统的闭环响应()W z ，则可得控制器()D z 。
2．实验设计假定被控对象为：0.760()0.41se G s s −=+，采样时间为0.5s ，期望的系统闭环传递函数为：0.76()0.151se W s s −=+，其中0.15s 为校正后闭环系统的时间常数。
为便于比较，可取M=1时采用大林控制算法；M=2时采用普通PID 控制算法（ 1.0,P K = 0.50,I K = 0.10D K =）。
运用MA TLAB 软件使用大林算法及PID 算法分别对一阶惯性纯滞后温度系统进行控制，并分析两种算法的优缺点。
基于大林算法的电阻炉(一阶系统)温度控制解析
摘要介绍了将达林算法用于电阻炉温度的计算机控制系统中的结构、原理。
阐述了大林算法作为一种直接数字设计法，适用于被控对象为滞后的系统。
电阻炉作为工业炉窑中的一种常用加热设备被广泛应用于工业生产中。
对电阻炉温度控制精确与否将直接影响到产品的质量和生产效率。
电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。
本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。
设计一个控制精度高、运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。
仿真结果表明，该算法优于常规PID算法，是一种较好的控制算法。
关键词：炉温控制、PID算法、大林算法AbstractThe paper introduces Dahlin Algorithm used in resistance furnace’s temperature computer control system. Dahlin Algorithm is a direct digital design method, it adapts to the plant with delay. Resistance furnace was widely used in industrial production, the effect of the temperature control of Resistance furnace has a direct impact on product quality and productivity. Therefore, the design of a high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value. Simulations show this method is better than ordinary PID algorithm, it is a good control method.Key words: furnace’s temperature; Dahlin Algorithm; PID control;目录第1章绪论 (1)1.1 电阻炉的简介 (1)1.2 电阻炉温度控制研究的目的及意义 (2)1.3 电阻炉温度控制系统的研究状况 (2)1.3.1 国际发展现状 (3)1.3.2 国内发展现状 (3)1.4本论文的设计任务 (3)第2章控制系统分析 (5)2.1 被控对象分析 (5)2.1.1 纯滞后介绍 (5)2.1.2 控制器分析 (5)2.2 PID算法 (6)2.2.1 数字PID控制器 (7)2.2.2 数字PID的参数整定 (8)2.3大林算法 (9)第3章控制系统的设计与仿真 (12)3.1 PID控制器控制下的系统仿真 (12)3.2 大林控制算法下的系统仿真 (15)3.3 大林控制算法和PID控制器的比较 (16)第4章振铃现象及扰动分析 (18)4.1 振铃现象 (18)4.2 扰动下的系统性能分析 (18)第5章课程设计心得 (19)参考文献 (20)第1章绪论1.1 电阻炉的简介我们所讲的普通电阻加热炉属于工业炉，而非是锅炉，常见的锅炉不属于此类高温工业炉范畴，锅炉属于能源转化设备，例如：采暖锅炉是将煤转化为热能。
温度计算机控制实验系统设计
度计 算 机 控 制 实验 系统 设 计
郝 莹 ，房 朝 晖 ， 白瑞 峰
３ ０ ０ ０ ７ ２ ）
（ 天 津大 学 电气 与 自动化 工程 学院 ，天津
摘 要 ：设 计 温 度 计 算 机 控 制 实 验 系统 ，介 绍 控 制 系 统 的 硬 件 结 构 ； 大 林 算 法控 制 器 设 计 ； 以 及 利 用
第 １ １ ６期 第 ２期
２ ０ １ ３年 ６月
高 校 实 验 室 工 作 研 究
ＧＡＯＸＩ ＡＯ Ｓ ＨＩ ＹＡＮＳ ＨＩ ＧＯＮＧＺ ＵＯ ＹＡＮＪ Ｉ Ｕ
Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ＮＯ． １ １ ６， ＮＯ． ２
Ｊ ｕ ｎ．２ ０ １ ３
日
皿
பைடு நூலகம்
算 法 进行控 制。 系 统闭 环传递函数 （ ｓ ）
ｊ ，
＝ 被 控 对 象 定 义 为广 义 被 控 对 象 ，并 消 除 全 部 的 可能 引起 根 据 １中 所 述 原 理 对 该 系 统 进 行 分 析 设 计 。取 Ｔ ３ １ １ ｓ ，Ｔ ＝２ ５ ｓ ，ｒ＝１ ２ ｓ ，Ｋ ＝１ ． ４ ３，取 采 样 时 问 Ｔ＝１ ｓ ，
２ 控 制 系统 设 计 及 实 现
象 ，利 用 通 用 工 业 组 态 软 件 ＭＣ Ｇ Ｓ设 计 控 制 系统 ，实 现
１ 大 林 算 法 基 本 原 理
对 电加 热 管 温 度 的计 算 机 控 制 。
． １ 控 制 系统 硬 件 结 构 工 业 生 产 过 程 中 大 多数 含 纯 时 延 的被 控 对 象 可 用 含 ２ 已有 装 置 中被 控 对 象 温 度 的 控 制 采 用 脉 宽 调 制 方 纯 时 延 的 一 阶 惯 性 环 节 或 二 阶惯 性 环节 来 近 似 ，以 一 阶
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
计算机控制技术课程设计2015/2016学年第二学期设计课题：基于大林算法的电路温度控制系统的设计专业：__ __班级： __ _学号：___ _______姓名：_______ _ _____2016年5月目录第一章课题简介 (1)1.1课题的目的 (1)1.1.1 本机实现的功能 (1)1.1.2 扩展功能： (1)1.2课题的任务及要求 (1)第二章系统方案设计 (2)2.1 水温控制系统的总体介绍 (2)2.2 系统框图 (2)2.3 闭环系统的工作原理 (2)第三章系统硬件设计 (3)3.1 系统原理图 (3)3.2 单片机最小系统设计 (3)第四章大林控制算法设计 (5)4.1 大林控制算法原理： (5)4.2 控制器的设计及公式推导过程 (6)4.3 采样周期的选择： (7)第五章水温控制系统的仿真 (7)5.1振铃现象 (7)5.2 Matlab仿真 (9)5.2 大林算法控制系统编程设计： (10)5.3各模块子程序设计 (11)5.3.1主程序设计 (11)5.3.2读出温度子程序 (12)5.5.3数码管显示模块 (13)5.5.4温度处理程序 (14)第六章小结与体会 (15)第七章参考文献 (16)第八章附录 (17)第一章课题简介1.1课题的目的1.1.1 本机实现的功能（1）利用温度传感器采集到当前的温度，通过AT89S52单片机进行控制，最后通过LED数码管以串行口传送数据实现温度显示。
（2）可以通过按键任意设定一个恒定的温度。
（3）将水环境数据与所设置的数据进行比较，当水温低于设定值时，开启加热设备，进行加热；当水温高于设定温度时，停止加热，从而实现对水温的自动控制。
（4）当系统出现故障，超出控制温度围时，自动蜂鸣报警。
1.1.2 扩展功能：（1）具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。
（2）采用适当的控制方法实现当设定温度或环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。
（3）温度控制的静态误差。
1.2课题的任务及要求一升水由800W的电热设备加热，要求水温可以在一定围由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。
（1）温度测量围：10~100℃，最小区分度不大于1℃。
（2）控制精度在0.2℃以，温度控制的静态误差小于1℃。
（3）用十进制数码管显示实际水温。
2.1 水温控制系统的总体介绍本次设计采用采样值和键盘设定值进行比较运算的方法来简单精确地控制温度。
先通过键盘输入设定温度，保存在AT89S52单片机的指定单元中，再利用温度传感器DS18B20进行信号的采集，送入单片机中，保存在采样值单元。
然后把采样值与设定值进行比较运算，得出控制量，从而调节继电器触发端的通断，来实现将水温控制在一定的围。
当水温超出单片机预存温度时，蜂鸣器进行报警。
单片机控制系统是一个完整的智能化的集数据采集、显示、处理、控制于一体的系统。
由传感器、LED显示单片机及执行机构控制部分等组成。
2.2 系统框图单片机进行3.1 系统原理图在温度测量控制系统中，实际温度值由PT100恒流工作调理电路进行测量。
为了克服PT100线性度不好的缺点，在信号调理电路中加入负反馈非线性校正网络；调理电路的输出电压经ADC0808转换后送入单片机AT89S51；对采样数据进行滤波及标定处理后，由3位7段数码管显示。
输入的设定值由4位独立按键电路进行设定，可分别对设定值的十位和个位进行加1、减1操作。
设定值送入单片机后，由另外一组3位7段数码管显示。
数码管的段码由74HC05驱动，位码由三极管2N2222A驱动。
系统采用PID闭环控制方案。
将预置初值与温度传感器反馈信号比较得到偏差(e)进行PID运算处理得到控制量(u)，通过此量来控制加热器的加热时间，从而控制加热功率。
由于水本身具有很大的热惯性，所以必须对水温的变化趋势作出预测，并且根据需要及时反方向抑制，以防止出现较大的超调量的波动。
在PID控制中，积分环节（I）具有很强的滞后效应，而微分环节（D）具有预见性，所以该方案最终采用PD算法，能够很好的控制超调，并且稳态误差也很小。
图3-1 系统原理图3.2 单片机最小系统设计基本的AVR硬件线路，包括以下几部分：(1)复位线路的设计AT89S52已经置了上电复位设计。
并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：直接拉一只10K的电阻到VCC即可(R6)。
为了可靠，再加上一只0.1uF的电容(C0)以消除干扰、杂波。
D3(1N4148)的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系统断电时，将R1(10K)电阻短路，让C0快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。
当AVR在工作时，按下S0开关时，复位脚变成低电平，触发AVR芯片复位。
重要说明：实际应用时，如果你不需要复位按钮，复位脚可以不接任何的零件，AVR芯片也能稳定工作。
即这部分不需要任何的外围零件。
图3-2 复位电路设计（2）晶振电路的设计Mega16已经置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。
不过，置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。
早期的90S系列，晶振两端均需要接22pF左右的电容。
Mega系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。
不过为了线路的规化，我们仍建议接上。
重要说明：实际应用时，如果你不需要太高精度的频率，可以使用部RC振荡。
即这部分不需要任何的外围零件。
图3-3 晶振电路设计(3)电源设计AVR单片机最常用的是5V与3.3V两种电压。
本线路以转换成5V直流电压，电路需要变压器把220交流电压转换成28V交流电，再通过整流器，把交流电转化成直流电，通过7809和7805三端正电源稳压电路转化成直流5V。
电源如图3-4。
图3-4 电源电路设计图第四章 大林控制算法设计4.1 大林控制算法原理：在许多工业过程中，被控对象一般都有纯滞后特性，而且经常遇到纯滞后较大的对象。
美国IBM 公司的大林，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，具有较好的效果。
假设带有纯滞后的一阶、二阶惯性环节的对象为：1()1s C Ke G s T s τ-=+()()()1211s c Ke G s T s T s τ-=++ 式中，τ为纯滞后时间，1T 、2T 为时间常数，K 为放大系数。
为简单起见，设τ=NT ，N 为正整数。
大林算法的设计目标是设计合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数为具有时间纯滞后的一阶惯性环节，而且要求闭环系统的纯滞后时间等于对象的纯滞后时间。
4.2 控制器的设计及公式推导过程被控对象的传递函数：()10s =s+10C G 采样周期T=1s,期望闭环传递函数的惯性时间常数：=4s T τ设期望闭环传递函数为：()-2s 1s =e 4s+1Φ⋅ 系统的广义对象传递函数：()()-1-11-e 1-e 10s =s =s s s+10C G G ⋅⋅系统广义对象的脉冲传递函数为：()()()11-+1-/-11-3-3-/1-1-1-1z 1-e 1-e 101-e 0.632z z ===z =s s+101-e z 1-0.368z1-e z N T T G Z ττ--⎡⎤⋅⎢⎥⎣⎦ 系统的闭环脉冲传递函数为：()-1s -3-2s -11-e 10.221z z =e =s 4s+11-0.779zZ ⎡⎤Φ⋅⋅⎢⎥⎣⎦ 数字控制器的脉冲传递函数为：()()()()-1-3z 10.221z ==z 1-z 1-0.779z -0.291z D G Φ⋅Φ当输入为单位阶跃时，输出为：-3345-110.221z Y （z ）=（z ）（z ）=0.2210.1240.284...(1-0.779z )(1)R z z z z ----Φ=-++-控制量的输出为：-3-1-1-1-113-11()0.221z 1-0.368z 0.350(1-0.368z )（z ）=0.350+0.129z +...()(1-0.779z )(1)0.632(1-0.779z )(1)Y z U G z z z z ---⨯===-- 4.3 采样周期的选择：在本实验中，定时中断间隔选取100ms ，采样周期T 要求既是采样中断间隔的整数倍，又要满足，而由被控对象的表达式可知，所以取N=1，τ=T ，τ=1s ，取T=1s 。
因为，()()()()()y k =m k -m k-=m k =m k-1N τ，因为采样周期T=1s ，定时中断为1s ，就是说1个定时中断后进行采样。
第五章 水温控制系统的仿真5.1振铃现象直接用上述控制算法构成闭环控制系统时，人们发现数字控制器输出U （z)会以1/2采样频率大幅度上下摆动。
这种现象称为振铃现象。
振铃现象与被控对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等都有关系。
振铃现象中的振荡是衰减的，并且于由被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种振荡对系统的输出几乎无任何影响，但是振铃现象却会增加执行机构的磨损。
在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，所以，在系统设计中，应设法消除振铃现象。
可引入振铃幅度RA 来衡量振荡的强烈程度。
振铃幅度RA 的定义为：在单位阶跃信号的作用下，数字控制器D （z ）的第0次输出与第1次输出之差值。
设数字控制器D(z)可以表示为：)(11)(22112211z Q kz z a z a z b z b kzz D N N ------=++++++= （5-1）其中 ++++++=----2211221111)(z a z a z b z b z Q （5-2）那么，数字控制器D （z)输出幅度的变化完全取决于Q （z)，则在单位阶跃信号的作用下的输出为：+-+-++++=------2121122111)()1(111)(z a a z a z b z b z z Q （5-3）+-+-++-+=-2)()1(1122111z a a b z a b根据振铃的定义，可得：1111)1(1b a a b RA -=+--= （5-4） 上述表明，产生振铃现象的原因是数字控制器D （z ）在z 平面上位于z=-1附近有极点。
当z=-1时，振铃现象最严重。
在单位圆离z=-1越远，振铃现象越弱。
在单位圆右半平面的极点会减弱振铃现象，而在单位圆右半平面的零点会加剧振铃现象。
由于振铃现象容易损坏系统的执行机构，因此，应设法消除振铃现象。