计算机控制技术课程设计。基于PID-电阻炉温度控制系统.doc

科 技 学 院
课程设计报告
( -- 第 2 学期)
名 称： 计算机控制系统A
题 目：
院 系： 动力工程系
班 级： 自动化11K×班
学 号：
学生姓名：
指引教师：
设计周数： 1周
成 绩：

日期： 年 7 月 11 日
基于Smith-PID电阻炉温度控制系统
一、课程设计(综合实验)目与规定
设计目
用SMITH-PID控制器控制电阻炉。避免由于延时过大导致控制误差过大
设计规定
设计一种基于闭环直接数字控制算法电阻炉温度控制系统详细化技术指标如下：
~500℃；
2. 加热过程中恒温控制，误差为±2℃；
3. LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1℃；
4. 采用Smith-PID数字控制算法，规定误差小，平稳性好；
5. 温度超过预置温度±5℃时发出报警。
2方案设计
本系统是一种典型温度闭环控制系统，需要完毕功能是温度设定、检测与显示以及温度控制、报警等。温度设定和显示功能可以通过键盘和显示电路某些完毕；温度检测可以通过热电阻、热电偶或集成温度传感器等器件完毕；温度超限报警可以运用蜂鸣器等实现；温度控制可以采用可控硅电路实现。
系统采用89C51作为系统微解决器来完毕对炉温控制和键盘显示功能。8051片内除了128KBRAM外，片内又集成了4KBROM作为程序存储器，是一种程序不超过4K字节小系统。系统程序较多时，只需要外扩一种容量较小程序存储器，占用I/O口减少，同步也为键盘、显示等功能设计提供了硬件资源，简化了设计，减少了成本。因而89C51可以完毕设计规定。
系统建模和数字控制器设计
PID调节是持续系统中技术最成熟、应用最广泛一种控制算办法。它构造灵活，不但可以用常规PID调节，并且可以依照系统规定，采用各种PID变型，如PI、PD控制及改进PID控制等。它具备许多特点，如不需规定出数学模型、控制效果好等，特别是在微机控制系统中，对于时间常数比较大被控制对象来说，数字PID完全可以代替模仿PID调节器，应用更加灵活，使用性更强。因此该系统采用PID控制算法。系统构造框图如图
3-1所示：

具备一阶惯性纯滞后特性电阻炉系统，其数学模型可表达为：

采用离散Smith预估控制系统。该系统框图如下
设涉及零阶保持器在内广义被控对象传递函数为

式中：T为采样周期，并设m=(取整数)。
纯滞后补偿器传递函数为
采用由传递函数直接求差分方程式办法进行计算，其环节如下。
计算外反馈回路偏差e1(n),即

式中：y(n)为被控量第n次采样时数值；R(n)为给定值，在定值控制系统中为常数。
计算纯滞后补偿器输出y1(n)，即

化为微分方程式，则可写成：
用差分代替微分，则有
在计算第n次采样z(n)值时，p(n)尚未计算，因而用p(n-1)和p(n-2)代替p(n)和p(n-1)。经移项整顿后得
其中;;;
纯滞后补偿器输出为

计算内反馈回路偏差e2(n),即

计算数字控制器输出p(n),控制器采用PID控制规律，则

式中：为控制器比例系数；为积分系数，；为微分系数，。
P(n)即为计算机控制输出，用以控制执行机构信号。若有需要还可用此p(n)重新计算z(n)，作为下一种采样周期z(n-1)值。
返回
z(n)~z(n-m)
z(n-1)~z(n-m-1)
P(n)P(n-1)
P(n-1)P(n-2)
……
P1(n)P1(n-1)
……
重算z(n)
计算p(n)
数字滤波
输出P1（n）
Pmp1(n)
P1(n)>Pm
计算p1(n)
计算e2(n)
计算y1(n)
计算z(n)
计算e1(n)
有效性检查
读入y1(n)
Smith预估补偿控制程序流程框图如下