《计算机控制》课程设计报告 题目: Smith预估器控制设计 姓名:
《计算机控制》课程设计任务书 指导教师签字：系（教研室）主任签字： 2012年7月5 日
Smith 预估器控制设计 一、实验目的 通过混合仿真实验，学习并掌握用于具有纯滞后系统的纯滞后补偿（Smith 预估器控制）的设计及其实现。 二、实验内容 被控对象为-512()2 s e G s s =+， 1.0s T =画出系统框图，设计Smith 数字预估器。 三、控制系统仿真 1.方案设计 已知纯滞后负反馈控制系统，其中 图1. 其中D(s)为调节器传递函数，-512()2 s e G s s =+为对象传递函数，其中-5()s O G s e 包含纯滞后特性，纯滞后时间常数5τ=。 系统的特征方程为：5121()()1() 02 s e D s G s D s s -+=+=+ 由于闭环特征方程中含有-5s e 项，产生纯滞后现象，/5/150.5m T τ==≥， 采用常规的PID 控制会使系统稳定性变差，甚至产生振荡。 为了改善系统特性，引入Smith 预估器，使得闭环系统的特征方程中不含有-5s e 项。 Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统：
图 2. 上图所示ZOH 为零阶保持器，传递函数为：s e s G Ts h --1)(=，并且有：lT =τ（l 为大于1的整数，T 为采样周期）。由已知可知， 1.0T s =，则5 51 l T τ = = =。 2.负反馈调节器D(z)的确定 D(z)为负反馈调节器，通常使用PID 控制规律。使用扩充响应曲线法对数字PID 控制器进行参数整定。扩充响应曲线法是在模拟PID 控制器响应曲线法的基础上推广应用到数字PID 控制器参数整定的方法。扩充响应曲线法是用于具有纯滞后的一阶对象，由前面分析和已知: 1.0T s =,5τ=,5l =,1m T =,因此依据课本128页表4.2扩充响应曲线法整定PID 参数表选择数字PID 参数计算公式，由于1 =0.25T τ=，则选择控制度为1.20，控制规律为PI 控制，因此选定PI 参数为： 0.78( ) p m K T τ= 3.60i T τ= 所以有：0.156p K = 18i T = 则 控制器 的传递函 数 为 ： i 110.1 560. 0()(1 )0.15 6 ( 1 ) T 18 p s D s K s s s +=+= +=? 将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到：
Smith 预估控制算法设计仿真实验 实验目的 在控制算法学习的基础上，根据给定对象特性设计Smith 预估控制器算法，并利用Matlab 软件进行仿真实验，同时与PID 控制算法进行比较，加深对该控制算法的掌握和理解。 实验内容和要求 设广义被控对象为： 1011()()()1Ts s s e e H s G s G s e s T s ττ----==?+ 控制系统框图为： T 取T=1、τ=2、T 1=2.88，经采样（T=1s ）保持后，其广义对象z 传递函数为 00.2934 ()0.7066 G z z = -， 而2s e -转换为2个单位迟延。 控制器参数：Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0。 实验要求： (1) 设计Smith 预估控制算法，作给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线。 （2）被控对象不变，采用理想PID 进行给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线。 思考和讨论 （1）分析两类控制算法对带迟延对象的控制效果。 （2）根据实验分析Smith 预估控制算法的优点是什么，若采用PID 算法解决同 类问题效果如何？ Matlab 辅助设计软件
具体操作步骤： 1、 启动Matlab ； 2、单击工具栏中的Simulink 仿真图标 ，进入Simulink 仿真环 境 3、新建仿真结构图，寻找模块，拖动到新建仿真结构图中 新建 模块库
所涉及模块的位置： 加法器Sum：在Simulink/Math Operations子库中。 离散PID控制器：在SimPowerSystems/Extra Library/DiscreteControl Blocks子库中。 离散传递函数Discrete Transfer Fcn：在Simulink/Discrete子库中。 示波器Scope：在Simulink/Sinks模型库中。 阶跃信号Step：在Simulink/Sources模型库中。 4、修改模块参数。双击模块，在出现的窗口中设置参数。 5、连接模块。将光标移到一个模块的输出端(>)按下鼠标左键拖动鼠标到另一个模块的输 入端(>)，松开鼠标左键就可以完成两个模块的连接。 6、设置仿真参数，进行仿真。
过程控制课程设计 ---双容水箱Smith预估控制 班级 姓名 学号 指导老师 日期
扬州大学信息工程学院 目录 一、课程设计意义和目的 (2) 二、课程设计设备 (2) 三、课程设计原理 (4) 四、课程设计步骤 (6) 五、注意事项 (8) 六、实验结果 (8) 七、心得体会 (11) 八、参考文献 (12)
一、课程设计意义和目的 1、了解纯滞后过程及其影响 2、学习smith控制的原理 3、掌握smith控制器的整定方法 二、课程设计设备 1、四水箱实验系统DDC实验软件 软件功能说明：四水箱DDC实验软件的核心调度程序实现了数据的采集和输出、数据的实时记录以及实时监控。同时，四水箱DDC实验软件为学生在四水箱过程控制实验装置上进行实验提供了友好的人机交互界面，包括：首页界面、实验界面、控制器界面、趋势界面和I/O设置界面。通过这些友好的界面，学生可以在过程控制实验装置实现经典和先进的控制方案。 如上图所示，首页界面为整个软件的导航界面，当软件正确安装并正常启动后，将进入此画面，
其主要功能有： 2、PC机（Windows 2000 Professional 操作系统）
三、课程设计原理 1、 纯滞后过程 某些过程在输入量改变后，输出变量并不立即改变，而要经过一段时间才反映出来，纯滞后就是指在输入变量变化后，看不到系统对其响应的这段时间。 当物质或能量沿着一条特定的路径传输时就会出现纯滞后，路径的长度和运动速度是决定纯滞后大小的两个因素。纯滞后环节对任何信号的响应都是把它推迟一段时间，其大小等于纯滞后时间，纯滞后环节的数学描述为： ()s s τ-=λG （19－1） 2、 Smith 预估算法 设一个控制系统，对象特性为： ()s s P P PC G G τ-=λ （19－2） 这里将对象分成两部分P G 和s P τ-λ ，设这两部分之间有变量B ，如 果能将B 检测出来，则可以按下图构造简单的反馈控制系统 图 19－1 理想的纯滞后过程的单回路控制 如上图所示，由于B 信号没有滞后，所以系统响应将会大大地改善。然而因为B 是不能直接检测的，只有用过程模型才能将它推算出来。 Smith 预估器的实质是借助于过程模型推算出滞后环节前的输出，以 实现没有纯滞后的反馈控制。 本仿真系统采用了改进型的Smith 预估控制器，其组成的控制系统 如下图所示：
实验报告 实验名称：Smith预估控算法设计仿真实验课程名称：计算机控制与组成 学生姓名；专业班级:自动化1001 学生学号：实验时间：2013.5.7 指导教师：成绩：
一、实验目的 在控制算法学习的基础上，根据给定对象特性设计Smith 预估控制器算法，并利用Matlab 软件进行仿真实验，同时与PID 控制算法进行比较，加深对该控制算法的掌 握和理解。 二、实验内容和要求 实验内容： 设广义被控对象为： 1011()()()1Ts s s e e H s G s G s e s T s ττ----==?+ 控制系统框图为： T 取T=1、τ=2、T 1=2.88，经采样（T=1s ）保持后，其广义对象z 传递函数为 00.2934()0.7066 G z z =-， 而2s e -转换为2个单位迟延。 控制器参数：Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0。 实验要求： (1)设计smith 预估控制算法，作给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线。 （2）被控对象不变，采用理想PID 进行给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线。 三、实验步骤 1.根据实验原理图在Matlab 中搭建如下仿真结构图：
上图中，上面的回路为Smith预估控制器与对象所构成的回路，下面的回路为PID控制算法与被控对象所构成的回路，通过scope可以看到两种控制算法对扰动产生的响应曲线，分别在两条回路中加入给定值扰动和二次扰动，且注意两次扰动加入的时间间隔开，以便观察两种算法对不同扰动的克服情况。 2.在搭建好的模型中给控制器设定参数，加入阶跃扰动，两次扰动时间差为30s，对系统进 行仿真，记录仿真曲线。 3.保持Smith与控制算法回路参数不变，改变PID控制算法参数，使其响应曲线接近用 Smith控制算法控制所得到的曲线，记录最接近时的两条曲线并记录此时PID 参数。 四、实验结果及分析 1.控制器参数：Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0时，两种控制算法得到的曲线： （其中蓝色的为Smith算法控制下得到的阶跃响应曲线，绿线则为常规PID控制下得到的曲线）
文章编号:1009-2269(2001)01-0025-03 采用Smith 预估补偿的时滞系统 PI 控制器的设计 董红生1,周耿烈2 (1.兰州工业高等专科学校电气工程系;2.兰州工业高等专科学校计算机工程系,甘肃兰州 730050) 摘要:针对纯滞后的控制对象特性,提出了基于Smith 预估补偿的PI 控制器的 设计方法。仿真实验表明,此方法整定的PI 控制器能有效克服较大纯滞后的影 响,性能优于传统的Z N 法和SPAM 法。 关键词:纯滞后对象;Smith 预估补偿;PI 控制器整定 中图分类号:TM571.6 文献标识码: A 1 引言 在工业过程控制中,许多被控对象具有纯滞后性质,会导致控制作用不及时,引起系统产生超调或不稳定[1],采用Smith 预估补偿的PI 控制器的参数整定方法,通过仿真验证能有效抑制大纯滞后的影响,控制效果优于传统Zieg ler Nichols 法和SPAM 法[2]。 2 Smith 预估补偿的原理 Smith 预估补偿方案如图1所示。 G p (s)=G (s )e - s 控制通道的滞后环节。 G m (s) 补偿环节的传递函数。 由图1可知:Y (s)=(G p (s )+G m (s)) R (s ) 将G p (s)代入则有:Y(s )=(G p (s)e - s +G m (s )) R (s) 为了克服时滞,补偿环节G m (s )应为:G m (s )=G (s)(1-e - s ) 由此可得出带有Smith 预估器补偿的控制系 统的结构如图2所示。 其系统闭环传递函数为: G (s )=G c (s)G p (s)e - s 1+G c (s )G p (s ) 从上式看出:e - s 已不含在系统的特征方程 里,系统性能完全不受纯滞后的影响,因此,控制 器G C (s)的设计不必考虑纯滞后环节的影响。 图1 S mith 预估补偿方案第8卷 第1期 兰州工业高等专科学校学报 Vol.8,No.12001年3月 Journal o f L anzhou Hig her Po lytechnical College M ar.,2001 收稿日期:2000-10-18 作者简介:董红生(1968-),男,吉林东丰人,兰州工业高等专科学校工程师.
实验报告 | | 实验名称Smith预估控制算法设计实验 课程名称计算机控制技术与系统 | |
实验三 Smith 预估控制算法设计实验 1、实验目的 在控制算法学习的基础上，根据给定对象特性设计Smith 预估控制器算法，并利用Matlab 软件进行仿真实验，同时与PID 算法控制算法进行比较，加深对该控制算法的掌握和理解。 2、系统结构框图 Smith 预估控制系统框图为： 3、实验过程及分析 设广义被控对象为 要求一： 取τ=2、T 1=，取采样时间T=1s ，采用零阶保持器，使用Matlab 函数求取出广义对象的z 传递函数； 实验过程： 使用matlab 求z 传函的函数： clc; clear all; close all; T=1; T1=; tao=2; G0=tf([1],[T1 1],'inputdelay',tao) sysd=c2d(G0,T,'zoh') 上述函数将s 传函210(s) 2.881s G e s -= +转化为z 传函20.29340(z)0.7066 G z z -=-。 要求二： 通过对象阶跃响应曲线，整定PID 参数，采用常规PID 进行给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线； 实验过程： 借助matlab 软件中的simulink 搭建系统仿真模型。 首先将外部扰动置零，利用阶跃响应曲线来整定PID 参数。 利用试凑法整定PID 参数。PID 控制器的数学描述如下。 首先只给比例作用，调节系统使其稳定；其次加入积分作用消除系统静差；最后加入微分作用。最后合理调整各个参数，使系统品质达到最优。经过整定，最终选取P=，I=，D=0，N=100，系统可以相对较好的稳定下来。输出的曲线如下 在30T 的时候在对象之前加入的阶跃干扰，在50T 的时候在对象之后加入幅值为的阶跃扰动，得到的系统的输出曲线如下。 对应的控制器的输出曲线如下 由此看来该参数下的PID 控制器的控制效果还是比较令人满意的。
实验三-Smith预估 实验报告| | 实验名称Smith预估控制算法设计实验 课程名称计算机控制技术与系统 | |
实验三 Smith 预估控制算法设计实验 1、实验目的 在控制算法学习的基础上，根据给定对象特性设计Smith 预估控制器算法，并利用Matlab 软件进行仿真实验，同时与PID 算法控制算法进行比较，加深对该控制算法的掌握和理解。 2、系统结构框图 Smith 预估控制系统框图为： T 3、实验过程及分析 设广义被控对象为 1011()()()1Ts s s e e H s G s G s e s T s ττ----==?+ 3.1要求一： 取τ=2、T 1=2.88，取采样时间T=1s ，采用零阶保持器，使用Matlab 函数求取出广义对象的z 传递函数； 实验过程： 使用matlab 求z 传函的函数： clc; clear all; close all; T=1; T1=2.88; tao=2; G0=tf([1],[T1 1],'inputdelay',tao) sysd=c2d(G0,T,'zoh') 上述函数将s 传函210(s) 2.881s G e s -=+转化为z 传函2 0.29340(z)0.7066 G z z -=-。
3.2要求二： 通过对象阶跃响应曲线，整定PID 参数，采用常规PID 进行给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线； 实验过程： 借助matlab 软件中的simulink 搭建系统仿真模型。 首先将外部扰动置零，利用阶跃响应曲线来整定PID 参数。 利用试凑法整定PID 参数。PID 控制器的数学描述如下。 11111 s s N P IT D z NT z ++-+- 首先只给比例作用，调节系统使其稳定；其次加入积分作用消除系统静差；最后加入微分作用。最后合理调整各个参数，使系统品质达到最优。经过整定，最终选取P=0.8，I=0.24，D=0，N=100，系统可以相对较好的稳定下来。输出的曲线如下 在30T 的时候在对象之前加入0.3的阶跃干扰，在50T 的时候在对象之后加入幅值为0.3的阶跃扰动，得到的系统的输出曲线如下。
0 引言 时滞现象常产生于化工、轻化、冶金、计算机网络通讯和交通等系统中[1,2]。就控制系统而言，时滞是指作用于系统上的输入信号或控制信号与在它们的作用下系统所产生的输出信号之间存在的时间上的延迟，当时滞较大时，将会使系统中的被调量不能及时反映控制信号的作用；另外，当被控对象受到干扰而使被调量改变时，控制器产生的控制作用不能及时有效地抑制干扰的影响，从而导致较大的超调量和较长的调节时间，甚至产生不稳定。因此，大时滞系统一直受到人们关注，成为目前过程控制研究领域的一个重要课题。过程控制中，通常用过程 纯滞后时间常数和系统时间常数之比来衡量过程时滞。当τ/T≤0.3时，称为 一般时滞过程，过程比较容易控制，常规PID控制就能收到良好的控制效果；当 τ/T＞0.3时，称为大时滞过程，需要采取特殊的高级控制方法，其控制难度随τ/T的比值增加而增加。本文分析了在过程控制中广泛采用的大时滞过程控制算 法——Smith预估补偿法，即Smith预估 器，并重点讲述了其改进算法——双自由度Smith预估器，最后进行了仿真。仿真结果表明该改进算法是可行的。 1 传统Smith预估器 传统Smith预估器实质上是一种模型补偿控 1.1 Smith预估控制基本思路 Smith预估控制是瑞典科学家Smith于1957年提出的一种解决时滞系统控制问题的预估控制方法，其控制基本思路是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿控制，使被延迟了的被调量提前反映到调节器，并使之动作，以此来减小超调量与加速调节过程[3]。 1.2 Smith预估控制补偿算法 引入补偿环节Gk(s)后的闭环系统方框图如图1所示。其中，Gc(s )e-τσ表示实 际过程，Gk(s)表示系统一般PID调节器。