基于Smith预估算法的电加热管温度控制系统的设计毕业设计论文.doc

北京理工大学2014届本科生毕业设计（论文）一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。）工作基础：了解时滞系统的基本概念，掌握Smith预估控制器的设计原理。研究条件：Smith预估控制器的基本原理以及大迟滞被控对象-电加热管。应用环境：采用Smith预估器与PID控制器相结合的方法，推导其控制算法，对被控对象电加热管搭建计算机控制系统，并对其温度进行实时控制。工作目的：熟练掌握Smith算法的基本原理。采用阶跃响应曲线法获取被控对象的数学模型。利用实验室现有设备，确定控制方案，搭建计算机控制系统。获取符合要求的温度控制曲线。二、参考文献[1]王志萍.带有Smith预估器的模糊控制系统仿真研究[J].上海电力学院学报.2004(02).[2]储岳中,陶永华.基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J].安徽工业大学学报(自然科学版).2004(01).[3]尹明,董振银,宋利君.模糊PID在电炉温度控制中的应用[J].齐齐哈尔大学学报.2003(02).[4]张涛,李家启.基于参数自整定模糊PID控制器的设计与仿真[J].交通与计算机.2001(S1).[5]周荔丹,童调生.模糊PID在电阻加热炉温控系统中的应用[J].自动化与仪器仪表.2001(05).三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。）1、掌握迟滞系统以及Smith算法的基本概念与原理。2、获取电加热管的被控对象数学模型。3、采用Smith预估器与PID相结合的方式，推导被控对象的表达式。4、根据实验室设备，确定温度数值与模拟电压之间的对应关系，搭建计算机控制系统，并完成相关控制界面的设计。指导教师（签字）年月日审题小组组长（签字）年月日北京理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称基于Smith预估算法的电加热管温度控制系统的设计系名信息工程系专业自动化学生姓名指导教师一、课题来源及意义PID是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。因算法简单、鲁棒性好、可靠性高，一直是工业生产过程中应用最广的控制器。然而，实际生产过程往往具有非线性、时变不确定性，应用常规PID控制不能达到理想的控制效果。这时，往往不得不采用模型预测控制、自适应控制等先进控制策略来获得更好的控制性能。但是也存在多种原因阻碍这些先进控制策略在实际中的应用。因此，近年来越来越多的研究人员就上层采用模型预测控制这类先进的控制算法，而底层保留传统的PID控制算法，即所谓的预测PID控制算法，展开了一系列的研究。滞后环节的存在使得整个系统的控制品质变坏甚至引起闭环系统的不稳定。因此今年来，对时滞控制系统的方法研究方兴未艾。Smith预估控制是一种对被控对象的纯滞后补偿，在工业过程中有着比较广泛的应用。二、国内外发展现状从50年代以来，时滞控制先后出现了基于模型的方法和无模型两大方法，PID控制是迄今为止应用最广泛的一种方法，在工业过程控制中大多数采用此方法。优点是原理简单，通用性强，鲁棒性好。然而PID控制在纯滞后系统中的应用中有一定限制，对于滞后较大的系统，常规的PID控制往往显得无能为力。1958年，Smith提出了一种纯滞后补偿模型，即Smith预估控制。其最大优点是将时滞环节移到了闭环之外，提高了系统的控制品质。并在传统Smith预估算法的理论基础上，采用Smith预估器与PID控制器相结合的方法，推导出相应的控制算法。三、研究目标利用Smith预估控制的理论思想以及实验室现有的硬件设备，被控对象为电加热管，参阅有关文献，通过建立数学模型，在MATLAB环境下，对控制电加热管温度的Smith控制算法进行仿真研究，最终获得对应的阶跃响应曲线。四、研究内容Smith预估法也叫纯滞后补偿法，设计的目标是引入一个纯滞后环节即Smith预估器，与被控对象相并联。基于Smith预估器的温控系统能有效克服大纯滞后对控制系统稳定性的影响，且实现简单，可靠性好。由于电加热管温控系统本身为大时滞系统，对象参数变化较大，要建立精确的数学模型很困难。Smith预估控制对于大时滞系统具有良好的控制作用，它在估计对象动态特性的基础上用一个预估模型进行补偿，从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器。将Smith预估器和PID控制器结合，具有较强的鲁棒性，能克服系统模型不确定性和外部干扰的影响。Smith预估器能够估计出系统的动态特性，并对其进行补偿，使得被延迟了的被控变量能够超前反映到PID控制器，通过整定PID控制器参数，可以减小系统的超调量和调节时间，将Smith预估器和PID控制器数字化。采用阶跃响应曲线法测取电加热管的对象特性，通过建立数学模型，在MATLAB环境下，对控制电加热管温度的Smith控制