卷煙機(jī)電子天平的選型和天平臺(tái)架的改進(jìn)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)

卷煙機(jī)電子天平的選型和天平臺(tái)架的改進(jìn)設(shè)計(jì)【關(guān)鍵詞】卷煙機(jī);電子天平;煙支重量;測(cè)量準(zhǔn)確性;天平臺(tái)架;天平選型;改進(jìn)設(shè)計(jì)【摘要】煙支重量是影響卷煙質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為此多數(shù)卷煙廠都配備了機(jī)臺(tái)天平，進(jìn)行在線煙支重量的稱量和控制，同時(shí)為消除由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境振動(dòng)和風(fēng)速對(duì)天平稱量精度的影響，需要同時(shí)制作和改進(jìn)天平臺(tái)架，根據(jù)相關(guān)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要選用感量為0.1mg的II級(jí)天平才能滿足毫克級(jí)煙支重量稱量的計(jì)量要求。通過設(shè)計(jì)制作具有抗震、調(diào)平、調(diào)高方便快捷的天平臺(tái)架，提高了天平的穩(wěn)定性和放置水平度。通過上述選型和改進(jìn)，提高了煙支重量測(cè)量的準(zhǔn)確性。TheModelSelectionandBalancePlatformImprovementDesignofElectronicBalanceLuoHeCigaretteFactory,BranchofChinaTobaccoHenanIndustrialcorporation;LuoheCityPeopleEastRoad518#,Henna,ChinaPostCode:462000Keywords:cigarettemakingmachine；electronicbalance；cigaretteweight；accuracy；balanceplatform；ModelSelection；ImprovementDesignAbstract:AcigaretteweightisakindofkeyfactorofeffectingCigaretteQuality.So,almostCigaretteFactoriesfurnishelectronicbalancestoWeighandcontrolcigaretteweightonline,AtthesametimetoremovetheeffectsofbalanceWeighingaccuracybecauseofenvironmentalshockandwindspeedcondition,creaseandimprovethebalanceplatform.DependingontherelevantMeasurementTechnologystandards,selectinganInductance0.1mgIIclassbalancemeetsthemg-classcigaretteweightmeasurementrequirements.Bydesigningandcreatingeasilyanti-vibration,levelingandrisingbalanceplatform,itraisesbalancestabilityandlevelness.ByModelSelectionandImprovement,raisetheaccuracyofcigaretteweightmeasurement.

【1】煙支重量是影響卷煙產(chǎn)品總體質(zhì)量的重要因素之一，【2】《卷煙工藝規(guī)范》要求：煙支重量設(shè)計(jì)允許偏差值為±70mg，標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于23mg；【3】GB5606.3-2005《卷煙》規(guī)定，單支卷煙重量設(shè)計(jì)允許偏差值為±80mg，該指標(biāo)作為C類質(zhì)量缺陷考核。為實(shí)現(xiàn)煙支重量過程控制,通常需要在每個(gè)卷煙機(jī)臺(tái)配備一臺(tái)天平,實(shí)現(xiàn)在線計(jì)量抽檢,但選用的天平等級(jí)不同、量程不同對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，選型是提高測(cè)量精度的第一步，其次選用毫克級(jí)的天平受測(cè)量環(huán)境影響較大，如卷包機(jī)臺(tái)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的震動(dòng)、溫濕度送風(fēng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的風(fēng)速等都對(duì)天平稱量產(chǎn)生影響，因此選型和消除或減少天平環(huán)境影響尤為重要。1卷煙機(jī)臺(tái)天平的選型1.1量程的選擇通常稱量值為量程的最為準(zhǔn)確，即。如某牌號(hào)卷煙產(chǎn)品煙支單支重量設(shè)計(jì)值為840～940mg，中心值為890mg，【4】根據(jù)GB/T6378-2003《不合格率的計(jì)量抽樣檢驗(yàn)程序及圖表（適用于連續(xù)批的檢驗(yàn)）》，【1】設(shè)計(jì)出其計(jì)量抽檢樣本數(shù)n=81(支)，測(cè)量值為81×890=72090（mg），其，取量程為100g天平最為合適，如果選200g天平，反而不精確。1.2分辨率（感量）的選擇煙支單支重量為毫克，為保持其1毫克的精確，需要選用感量為0.1mg讀數(shù)的數(shù)字天平（數(shù)字指示末尾數(shù)字為估讀的），檢定分度值e=10d=1mg.1.3精度等級(jí)的選擇【5】根據(jù)JJG1036-2008電子天平檢定規(guī)程，分度數(shù),選用高準(zhǔn)確度等級(jí)（II級(jí)）天平，其最小稱量為20e(20mg),在20mg～5g,最大允差為0.5e(0.5mg)；5g～20g,最大允差為e(1mg)；20g～100g1.4環(huán)境要求要求天平零點(diǎn)穩(wěn)定，抗震能力強(qiáng)，帶有風(fēng)力干擾的玻璃外罩。綜上所述，選用準(zhǔn)確度等級(jí)為II級(jí)，最大稱量為100g，感量為0.1mg的天平為宜。這里，我們選用上海恒平科學(xué)儀器有限公司的JA1003天平，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到計(jì)量要求。2天平臺(tái)架的改進(jìn)通過設(shè)計(jì)、加工一機(jī)臺(tái)天平臺(tái)架，解決目前卷接機(jī)組在線煙支稱量過程中由于現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)和天平不水平造成的稱量不準(zhǔn)確問題。2.1機(jī)臺(tái)天平臺(tái)架存在問題一是卷接機(jī)臺(tái)震動(dòng)，傳導(dǎo)給天平荷重傳感器，引起天平零點(diǎn)不穩(wěn)定，漂移大，超出天平規(guī)定的誤差。二是天平臺(tái)架變形或地面不平整帶來天平不平，引起誤差大，天平失準(zhǔn)。為準(zhǔn)確了解震動(dòng)和水平問題對(duì)天平準(zhǔn)確性造成的影響，我們以JA1003天平為例結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2.1.1振動(dòng)影響同一天平經(jīng)校準(zhǔn)后放在實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)一樓和生產(chǎn)二樓，放置100g砝碼其顯示值如表1所示，另外不水平也會(huì)造成的影響。表1：不同放置位置天平指示的穩(wěn)定性(改進(jìn)前)單位：g位置實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)一樓生產(chǎn)二樓合格評(píng)價(jià)零點(diǎn)值0.00000.00020.0016生產(chǎn)二樓零點(diǎn)超差100g顯示100.0001100.0004100.0010生產(chǎn)二樓零點(diǎn)超差100g1小時(shí)后顯示100.002100.0032100.0064生產(chǎn)一、二樓零點(diǎn)超差注：天平檢定標(biāo)準(zhǔn)為：零點(diǎn)值最大允許誤差為0.5mg2.1.2其他缺陷天平水平調(diào)整超出調(diào)整極限；天平臺(tái)架過高或過低，操作人員操作不適宜；機(jī)臺(tái)附近震動(dòng)大，天平零點(diǎn)不歸零，有零點(diǎn)漂移；天平臺(tái)架固定安裝，帶配重后不易轉(zhuǎn)動(dòng)方向；為提高天平在非實(shí)驗(yàn)室比較惡劣的生產(chǎn)在線環(huán)境下準(zhǔn)確測(cè)量，提高工藝質(zhì)量檢測(cè)水平，有必要進(jìn)行改進(jìn)。2.2具體設(shè)計(jì)2.2.1底座配重按圖1設(shè)計(jì)，采用鑄鐵件，底座重量經(jīng)過計(jì)算其重量為16kg，增加配重使整個(gè)臺(tái)架更穩(wěn)定。另外為了減震，增加穩(wěn)定性，在其底部切削了一圓臺(tái)，粘接φ380-10的橡膠墊利于減震.圖1：天平臺(tái)架底座2.2.2手輪螺絲調(diào)節(jié)高度和旋轉(zhuǎn)自由度圖2中,采用三個(gè)高度調(diào)節(jié)手柄4（手輪螺絲），使支架鎖定高度后，架體更穩(wěn)定，方法更快捷。松開手輪4后，天平方向還可360度自由旋轉(zhuǎn)。按圖設(shè)計(jì)，該臺(tái)架在松開手輪4后，其調(diào)整高度在0.91～1.4米，滿足不同身高在線煙支檢測(cè)人員操作，減輕煙支在線監(jiān)測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用三個(gè)帶倒順螺絲手輪6進(jìn)行托盤11水平調(diào)節(jié)，快速自由。三個(gè)水平調(diào)節(jié)螺栓6通過JF8型桿端關(guān)節(jié)軸承7把托盤11與支架5自由連接，使水平調(diào)整的高度與幅度加大了，水平調(diào)整方便輕松。2.2.3多采用焊接連接，增加整體剛度除了調(diào)整部分采用螺絲連接外，整個(gè)臺(tái)架采用焊接，目的是為了減少震動(dòng)的傳導(dǎo)作用，穩(wěn)定天平，提高其零點(diǎn)穩(wěn)定性。2.2.4零部件加工材料優(yōu)先選用型材，降低加工成本圖2中,為減少制作成本，托盤底架伸縮桿3與立柱2分別選用φ38—δ4與φ60—δ5無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)成材制作。整體效果見圖4。2.3改進(jìn)后機(jī)臺(tái)天平的性能一是臺(tái)架高度可調(diào)，上下伸縮自由；二是增加底座配重，增加減震橡膠墊，減少震動(dòng)產(chǎn)生影響；三是設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)螺母手輪，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高低可方便調(diào)節(jié)；四是天平方向360度旋轉(zhuǎn)可調(diào)，調(diào)節(jié)方便快捷。改進(jìn)后天平零點(diǎn)指示的穩(wěn)定性得到增強(qiáng),測(cè)試見表2.消除了天平不水平和地面震動(dòng)對(duì)天平零點(diǎn)的穩(wěn)定。表2：不同放置位置天平指示的穩(wěn)定性(改進(jìn)后)單位：g位置實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)一樓生產(chǎn)二樓合格評(píng)價(jià)零點(diǎn)值0.00000.00020.0000零點(diǎn)誤差合格100g顯示100.0001100.0004100.0003零點(diǎn)誤差合格100g1小時(shí)后顯示100.002100.0004100.0004零點(diǎn)誤差合格注：天平檢定標(biāo)準(zhǔn)為：零點(diǎn)值最大允許誤差為0.5mg1.底座;2.立柱;3.伸縮桿;4.高度調(diào)節(jié)手柄（三個(gè)）;5.托盤底架;6.水平調(diào)整手柄（三個(gè)）;7.JF8型桿端關(guān)節(jié)軸承;8.鉸接軸銷;9.天平水平泡;10.?8卡簧;11.天平托盤;12.JA1003天平圖2天平臺(tái)架總裝圖3結(jié)語按照上述配備的天平能滿足煙支重量稱量的計(jì)量要求。設(shè)計(jì)制作的天平臺(tái)架螺絲連接和桿端關(guān)節(jié)軸承須定期用油潤(rùn)滑，防止銹蝕；底座平面加工力求保持一定的平面度，地面力求平整。臺(tái)架放置不要與卷接機(jī)臺(tái)接觸，以免機(jī)臺(tái)振動(dòng)的傳導(dǎo)，并且遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)，如電機(jī)、大容量線圈繞組的部位。使用改進(jìn)后的臺(tái)架調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便、快捷，提高了高精度天平現(xiàn)場(chǎng)使用的穩(wěn)定性，也提高了測(cè)量的測(cè)量的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)[1]張蒙生，趙保國等，煙支質(zhì)量計(jì)量抽檢方案的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)計(jì)量，2007增刊1：37-39.[2]國家煙草專賣局.卷煙工藝規(guī)范[M].北京：中央文獻(xiàn)出版社，2003.[3]GB/T5606.1-2004,GB5606.2～5606.6-2005,卷煙[S][4]GB/T6378-20025606.不合格率的計(jì)量抽樣檢驗(yàn)程序及圖表（適用于連續(xù)批的檢驗(yàn)）[S][5]JJG1036-2008電子天平檢定規(guī)程，[S]引言1.1MATLAB軟件簡(jiǎn)介MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。1.2MATLAB軟件組成MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫、MATLAB語言、MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應(yīng)用程序接口（API）五大部分構(gòu)成。開發(fā)環(huán)境MATLAB開發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用的MATLAB函數(shù)和文件工具集，其中許多工具是圖形化用戶接口。它是一個(gè)集成的用戶工作空間，允許用戶輸入輸出數(shù)據(jù)，并提供了M文件的集成編譯和調(diào)試環(huán)境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件編輯調(diào)試器、MATLAB工作空間和在線幫助文檔。數(shù)學(xué)函數(shù)庫MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫包括了大量的計(jì)算算法。從基本算法如加法、正弦，到復(fù)雜算法如矩陣求逆、快速傅里葉變換等。語言MATLAB語言是一種高級(jí)的基于矩陣/數(shù)組的語言，它有程序流控制、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入/輸出和面向?qū)ο缶幊痰忍厣D形處理系統(tǒng)圖形處理系統(tǒng)使得MATLAB能方便的圖形化顯示向量和矩陣，而且能對(duì)圖形添加標(biāo)注和打印。它包括強(qiáng)大的二維三維圖形函數(shù)、圖像處理和動(dòng)畫顯示等函數(shù)。應(yīng)用程序接口MATLAB應(yīng)用程序接口（API）是一個(gè)使MATLAB語言能與C、Fortran等其它高級(jí)編程語言進(jìn)行交互的函數(shù)庫。該函數(shù)庫的函數(shù)通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）實(shí)現(xiàn)與MATLAB文件的數(shù)據(jù)交換，其主要功能包括在MATLAB中調(diào)用C和Fortran程序，以及在MATLAB與其它應(yīng)用程序間建立客戶、服務(wù)器關(guān)系。1.3SIMULINK簡(jiǎn)介SIMULINK是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。SIMULINK具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)SIMULINK已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于SIMULINK。1.4SIMULINK仿真步驟(1)根據(jù)要仿真的系統(tǒng)框圖，在SIMULINK窗口的仿真平臺(tái)上構(gòu)建仿真模型。(2)設(shè)置模塊參數(shù)。(3)設(shè)置仿真參數(shù)。仿真時(shí)間(Simulationtime)有開始時(shí)間(Starttime)和終止時(shí)間(Stoptime)兩項(xiàng)，連續(xù)系統(tǒng)中仿真時(shí)間一般從零開始，可以先預(yù)設(shè)一個(gè)仿真的終止時(shí)間，在仿真過程如果預(yù)設(shè)的時(shí)間不足，可以即時(shí)修改。算法選擇(Solveroptions)中計(jì)算類型(Type)有可變步長(zhǎng)(Variablestep)和固定步長(zhǎng)(Fixed-step)兩種，在可變步長(zhǎng)和固定步長(zhǎng)下還有多種數(shù)值計(jì)算方法可供選擇，關(guān)于數(shù)值計(jì)算方法將在后面作進(jìn)一步介紹。該欄中經(jīng)常還要設(shè)置的有仿真誤差，這有相對(duì)誤差(Relativetolerance)和絕對(duì)誤差(Absolutetolerance)兩項(xiàng)，系統(tǒng)默認(rèn)的相對(duì)誤差是1/1000。選擇合適的計(jì)算誤差，對(duì)仿真的速度和仿真計(jì)算能否收斂影響很大，尤其在仿真不能收斂時(shí)，適當(dāng)放寬誤差可以取得效果，絕對(duì)誤差一般可取"自動(dòng)(auto)"。(4)啟動(dòng)仿真。(5)觀測(cè)仿真結(jié)果。在SIMULINK中最常用的觀測(cè)儀器是示波器(Scope)，這時(shí)只要雙擊該示波器模塊就可以打開示波器觀察到以波形表示的仿真結(jié)果。圖1.1SIMULINK界面基本原理2.1史密斯算法控制器的傳遞函數(shù)為D(s)，被控對(duì)象傳遞函數(shù)為Gp(s)e-ts，被控對(duì)象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)為Gp(s)，被控對(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)為e-ts。圖2.1純滯后對(duì)象控制系統(tǒng)框圖由于系統(tǒng)特征方程中含有純滯后環(huán)節(jié)，它會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。史密斯補(bǔ)償?shù)脑硎牵涸谀Ｐ途_或者無負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),與控制器D(s)并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用來補(bǔ)償被控對(duì)象中的純滯后部分，這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為Gp(s)(1-e-ts)，t為純滯后時(shí)間，補(bǔ)償后的系統(tǒng)如下圖所示：圖2.2補(bǔ)償后控制系統(tǒng)框圖由控制器D(s)和史密斯預(yù)估器組成的補(bǔ)償回路稱為純滯后補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為可得史密斯預(yù)估器補(bǔ)償后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為可以看出經(jīng)過補(bǔ)償后，純滯后環(huán)節(jié)在閉環(huán)回路外，這樣就消除了純滯后環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。拉氏變換的位移定理說明e-ts僅僅將控制作用在時(shí)間座標(biāo)上推移了一個(gè)時(shí)間t，而控制系統(tǒng)的過渡過程及其它性能指標(biāo)都與對(duì)象特性為Gp(s)時(shí)完全相同。2.2PID調(diào)節(jié)及作用PID調(diào)節(jié)實(shí)際上是由比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)方式組成，它們各自的作用如下：比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。方案設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果3.1已知資料及設(shè)計(jì)要求已知過程控制系統(tǒng)的被控廣義對(duì)象為一個(gè)帶延遲的慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為設(shè)計(jì)要求：1、分析系統(tǒng)，得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線；2、設(shè)計(jì)合適的控制器，盡量滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快三原則；3、設(shè)計(jì)Smith預(yù)估控制器；4、比較不同控制器各自的優(yōu)缺點(diǎn)3.2經(jīng)典PID控制器設(shè)計(jì)經(jīng)典的PID一般使用下圖給出的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其過程控制方式就是將被測(cè)參數(shù)由傳感器變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中,與設(shè)定值進(jìn)行比較,把比較出的差值e(t)經(jīng)PID運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu),改變進(jìn)給量,以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。圖3.1PID控制基本結(jié)構(gòu)在MATLAB的SIMULINK仿真環(huán)境下用搭建如下圖的PID控制系統(tǒng)模塊,再把經(jīng)過計(jì)算的參數(shù)代入PID控制器模塊的參數(shù)中,點(diǎn)擊運(yùn)行后就可以通過示波器(scope)模塊觀察到優(yōu)化后的PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。圖3.2經(jīng)典PID控制器仿真模塊圖圖3.2經(jīng)典PID控制器仿真模塊圖PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。通過一系列的計(jì)算與試湊，最終得到PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)為kp=0.5，ki=0.1，kd=0.05。3.3經(jīng)典PID控制器仿真結(jié)果按照?qǐng)D3.2所示搭建SIMULINK模塊,并將得到的PID參數(shù)帶入，得到如下結(jié)果：圖3.3未使用PID調(diào)節(jié)器時(shí)仿真波形在進(jìn)行PID參數(shù)的的整定時(shí)，為了顯示不同參數(shù)對(duì)控制效果的影響，特選取下述三條曲線進(jìn)行比較：曲線1：kp=0.2ki=0kd=0.05控制效果差曲線2：kp=0.8ki=0.1kd=0控制效果差曲線3：kp=0.5ki=0.1kd=0.05控制效果較好圖3.4使用PID調(diào)節(jié)器時(shí)仿真波形圖3.4使用PID調(diào)節(jié)器時(shí)仿真波形3.4smith--pid控制器設(shè)計(jì)史密斯預(yù)估補(bǔ)償?shù)幕究刂撇呗允窃煲粋€(gè)過程參考模型,將延遲環(huán)節(jié)e^-τs移出系統(tǒng)閉環(huán),使系統(tǒng)反饋信號(hào)不受e^-τs的影響,使系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)、穩(wěn)定性等得到相應(yīng)改善,系統(tǒng)響應(yīng)速度提高,適應(yīng)性強(qiáng)。圖3.5史密斯預(yù)估補(bǔ)償原理圖在SIMULINK中我們可搭建下圖所示模塊進(jìn)行對(duì)史密斯預(yù)估控制的仿真：圖3.6圖3.6smith--pid控制器模塊圖3.5smith--pid控制器仿真結(jié)果按照?qǐng)D3.6所示搭建SIMULINK模塊,將得到的PID參數(shù)帶入，并與經(jīng)典PID控制進(jìn)行比較，得到如下結(jié)果：圖3.7圖3.7smith--pid控制器仿真圖結(jié)論通過對(duì)各種情況下的仿真圖形進(jìn)行比較，我們可得以下結(jié)論：對(duì)控制系統(tǒng)中含有純滯后的環(huán)節(jié)采用史密斯預(yù)估補(bǔ)償器法是一種在工程上行之有效的方法之一，史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制與常規(guī)的PID控制相比,具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn).但是前提是得獲得被控系統(tǒng)精確的控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,它對(duì)模型的誤差十分敏感,因而限制了它在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用。通過MATLAB的SIMULINK仿真環(huán)境,可以很好的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,這大大縮短了模擬試驗(yàn)的時(shí)間,同時(shí)在實(shí)際工業(yè)控制中也提供了一種快捷簡(jiǎn)便的調(diào)整控制器參數(shù)的方法,可以根據(jù)不同的系統(tǒng)、不同的環(huán)境對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真,以獲取系統(tǒng)最適合的參數(shù),從而提高系統(tǒng)控制器參數(shù)整定的效率。與此同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)典PID的參數(shù)調(diào)節(jié)以及仿真后波形分析亦是同樣重要的，如若沒有堅(jiān)實(shí)的理論研究及實(shí)際操作，想要獲得最佳的控制效果是十分困難的。體會(huì)與心得通過本次計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)，我更加充分的理解了課本上的知識(shí)，并能夠加以擴(kuò)展，從而應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中。這幾天的課程設(shè)計(jì)令我受益匪淺，很多平時(shí)模棱兩可的知識(shí)點(diǎn)都認(rèn)真復(fù)習(xí)并實(shí)踐了。在課程設(shè)計(jì)中我遇到了很多問題，由于自己對(duì)PID參數(shù)的整定以及史密斯預(yù)估算法有許多不明白的地方，所以我在網(wǎng)上查閱了很多資料，對(duì)這種史密斯預(yù)估控制有了一個(gè)全面的概念，史密斯預(yù)估控制是一種十分巧妙的方法，把反饋信號(hào)從滯后環(huán)節(jié)之前引出，從而消除了滯后環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，但是史密斯預(yù)估控制有很多缺陷，無法在模擬儀表上實(shí)現(xiàn)，以及在被控對(duì)象模型不精確時(shí)活著有負(fù)荷擾動(dòng)，控制精度比較低，這些都留給我們以后進(jìn)一步的研究。這學(xué)期學(xué)的控制系統(tǒng)仿真課已經(jīng)結(jié)課了，雖然對(duì)內(nèi)容有一定得了解，但一直沒有用過，這次課程設(shè)計(jì)仿真環(huán)節(jié)用到了MATLAB軟件的SIMULINK工具箱，我通過自己繪制模塊圖，進(jìn)行參數(shù)整定，最終得到了仿真圖，讓我對(duì)這個(gè)軟件的功能有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，在今后的學(xué)習(xí)中，我還要去了解更多相關(guān)知識(shí)，取得更大的提高。書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟，大學(xué)四年轉(zhuǎn)瞬即逝，即將走上工作崗位的我們已然沒有過多的在校安心學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)了，很珍惜這次實(shí)踐，也期冀在今后還有這樣提高自己動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)。參考文獻(xiàn)1、李國勇.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2003，92、王丹力.MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真應(yīng)用[M]，北京：中國電力出版社，2007，93、薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—MATLAB語言及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，19964、聞新、周露、李東江等.MATLAB模糊邏輯工具箱的分析與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，20015、易繼鍇.智能控制技術(shù)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2003，46、張蒙.新型Smith預(yù)估控制器在大延遲系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].《電力自動(dòng)化設(shè)備》.2011年4月.第31卷4期.136-1387、陸萍藍(lán).張火明.毛汝東.史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制與PID控制的比較研究[J].《中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》.2009年6月.第20卷第2期.171-1798、俞倩蘭.基于MATLAB的大延遲系統(tǒng)的PID控制與Smith預(yù)估器控制的仿真分析[J].《常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)》.2006年11月.第20卷第6期.67-69附錄Matlab仿真程序及程序注釋（摘自網(wǎng)絡(luò)）%BigDelayPIDControlwithSmithA_gorithmclearall;%清除包括全局變量在內(nèi)的所有變量closeall;%關(guān)閉所有窗口(程序運(yùn)行產(chǎn)生的，不包括命令窗，editor窗和幫助窗）Ts=20;%定義變量ts表示采樣時(shí)間%delayplantkp=1;%用傳函形式建立被控對(duì)象模型Tp=60;delay=80;sys=tf([kp],[Tp,1],'inputdelay',80)%用加零階保持器的方法將傳函離散化dsys=c2d(sys,Ts,'zoh');%從LTI對(duì)象提取傳遞函數(shù)兩對(duì)組模型參數(shù)其中參數(shù)'v'的意義是以向量形式輸出[num,den]=tfdata(dsys,'v');M=1;ifM==1;%對(duì)象模型不精確時(shí)，采用用Pi+smiith控制kp1=kp*1.10;%對(duì)象模型不精確時(shí)，確定比例系數(shù)Tp1=Tp*1.10;%由被控對(duì)象傳韓得Tp=60delayl=delay*1.0;%對(duì)象模型不精確時(shí)，確定滯后時(shí)間elseifM==2|M==3%在對(duì)象模型精確采用Pi+Smith或者采用Pi控制kp1=kp;%在對(duì)象模型精確時(shí)，確定比例系數(shù)Tp1=Tp;%由被控對(duì)象傳韓得Tp=60delay1=delay;%在對(duì)象模型精確時(shí)，確定滯后時(shí)間End%在三種情況下，用傳函形式建立被控對(duì)象模型sys=tf([kp1],[Tp1,1],'inputdelay',80);%在三種情況下，用加零階保持器的方法將傳函離散化dsys1=c2d(sys,Ts,'zoh');%在三種情況下從LTI對(duì)象提取傳遞函數(shù)兩對(duì)組模型參數(shù)其中參數(shù)'v'的意義是以向量形式輸出[num1,den1]=tfdata(dsys1,'v');%數(shù)字控制器初始輸出設(shè)置為零u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;u_4=0.0;u_5=0.0;e1_1=0;%系統(tǒng)誤差初值設(shè)置為零e2_1=0.0;%數(shù)字控制器輸入誤差初值設(shè)置為零ei=0;%所有采樣時(shí)刻誤差值之和開始時(shí)設(shè)置為零xm_1=0.0;%不含有滯后環(huán)節(jié)被控對(duì)象預(yù)估器輸出初值為零ym_1=0.0;%含有滯后環(huán)節(jié)被控對(duì)象預(yù)估器輸出初值為零y_1=0.0;%系統(tǒng)初始時(shí)刻輸出設(shè)置為零fork=1:1:600time(k)=k*Ts;%采樣時(shí)間信號(hào)值s=