89C51单片机电阻炉炉温控制系统设计+源程序(5)
4. 仿真
4.1 Matlab/Simulink仿真
采用simulink仿真，通过simulink模块实现积分分离PID控制算示。设采样时间Ts=10s，被控对象为：
Simulink仿真图如图9：
图9 Simulink仿真图
选择合适的Kp，Ki，Kd使系统的仿真效果趋于理想状态。MATLAB程序如下：
clear all;
close all;
ts=4;
sys=tf([1],[30,1],'inputdelay',10);
dsys=c2d(sys,ts,'zoh');
[num,den]=tfdata(dsys,'v');
kp=15;
ki=1;
kd=1;
执行结果如图10所示，MATLAB仿真波形如图11所示（给定值为20）。
图10 执行结果图 图11 MATLAB仿真波形图
结果分析：
(1) Ki，Kd一定时，改变Kp的值观察波形可以知道其对系统超调量以及调节时间的影响。当Kp增大时的波形如图12所示，当Kp减小时的波形如图13所示。
图12 Kp增大时的波形图 图13 当Kp减小时的波形图
由上图我们可以看出我们可以观察到当Kp增大时系统超调量减小，稳态误差减小，调节时间增大，系统不稳定；当Kp减小时系统超调量增大，调节时间减小，加快了系统的动态响应速度。
(2) Kp，Ki一定时，改变Kd的值观察波形。Kd增大时的波形如图14所示，Kd减小时的波形如图15所示。
图14 Kd增大时的波形图 图15 Kd减小时的波形图
(3) Kp，Kd一定时，改变Ki的值观察波形。Ki增大时的波形如图16所示，Ki减小时的波形如图17所示。
图16 Ki增大时的波形图 图17 Ki减小时的波形图
因此，将P、I、D三种调节规律结合在一起，可以使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。
4.2 不同控制算法的Simulink仿真
以电炉控制对象的控制模型为 为例。
4.2.1 PID控制算法simulink仿真
图18 PID控制算法系统的仿真模型
利用拼凑法整定PID参数，经多次改变参数以达到基本理想的效果。
当Kp=1，Ki=0.15，Kd=0.02时达到基本理想效果，系统仿真结果波形图如图19所示。
图19 系统仿真结果图
4.2.2 Dahlin控制算法simulink仿真
图20 Dahlin控制算法系统的仿真模型
参数整定值及系统输出阶跃响应：
图21 执行结果图
图22 系统仿真结果图
4.2.3 Smith控制算法simulink仿真
图23 Smith控制算法系统的仿真模型
当Kp=2，Ki=0.3，Kd=0.9时达到基本理想效果，系统仿真结果波形图如图24所示。
图24 系统仿真结果图
通过三种算法的比较，可以看出PID控制算法能使系统既快速敏捷，又平稳准确，只要P、I、D三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。
5. 结束语
电阻炉是一种常用的电加热设备，广泛应用于冶金、机械、建材等行业，而各个领域对电阻炉温度控制的精度、稳定性、可靠性等要求也越来越高，因此对于电阻炉温度控制系统的研究具有重要的研究意义。本论文考虑到避免各种干扰因素，采用了一种较好的控制方案，选择了合适的芯片和控制算法。本系统以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度；采用先进PID控制算法控制，精度高、超调量小原理简单、易于实现、参数整定方便、结构改变灵活、适应性强、超调量小；整个设计工作稳定性强、精度高、实用性强、控制效果好。本设计对于电阻炉温度控制技术的发展具有一定意义。