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采用Smith预估补偿的时滞系统PI控制器的设计

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:

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.

图2 Smith 预估补偿的控制系统

3 PI 控制器的设计

大多数工业控制对象可用一阶或二阶系统加纯滞后来近似描述,

即: G p (s)=K (T s +1)n e - s n =1,2 设PI 控制器的形式为:G c (s )=K p 1+1T i s

由Smith 预估补偿的原理可知,对于PI 控制器的设计只考虑无时滞部分,对象无时滞

部分为: G p (s)=K (Ts +1)

n n =1,2 当n =1时,设计目标为:G c (s )G p (s )1+G c (s )G p (s )=11+T d s

其中:T d = T , 取值范围0.2~1

求得PI 控制器的参数为:T i =T ,K p =T K T d

当n =2时,设计目标为:G c (s )G p (s )1+G c (s )G p (s )= 2n s 2+2 n s + 2n

求得PI 控制器的参数为:T i =T ,K p =14 2K

其中: 取值范围0.5~1

4 仿真实验

例1.考虑大时滞一阶对象模型:G p (s)=1.4e -14s 16s +1

按上述方法给出PI 控制器的参数为:K p =2.5,T i =16

无Sm ith 预估补偿由Z -N 法整定的PI 控制器的参数为: K p =0.63,T i =35.27

无Sm ith 预估补偿由SPAM 法整定的PI 控制器的参数为: K p =0.43,T i =15.9

例2.考虑大时滞二阶对象模型:G p (s)=0.57e -18.7s (8.6s +1)2

按上述方法给出PI 控制器的参数为:K p =1.75,T i =8.6

无Sm ith 预估补偿由SPAM 法整定的PI 控制器的参数为: K p =0.50,T i =13.86 利用MATLAB 软件仿真[3],其阶跃响应如图3:一阶对象;图4:二阶对象 26 兰州工业高等专科学校学报第8卷

图3 一阶对象阶跃响应曲线图4 二阶对象阶跃响应曲线

仿真结果显示:采用Smith 预估补偿后,系统的控制性能获得了较大改善,尤其响应速度明显提高,抑制干扰能力明显增强。

5 结论

采用Smith 预估补偿后,消除了闭环系统中的较大纯滞后的影响,使系统控制性能获得了较大改善。给出PI 控制器的参数能满足较高动态性能要求,并且适用于高阶和非最小相位系统。

参考文献:

[1] 陶永华,等.新型PI D 控制及其应用[M ].北京:机械工业出版社,1998.25-50.

[2] 王亚刚,邵惠鹤.自整定PI D 控制器的研究综述[J ].电气自动化,2000,(1):7-9.

[3] 薛定宇.控制系统计算机辅助设计 M A T L A B 语言及应用[M ].北京:清华大学出版社,1996.181-

204.

Design of PI Controller of Time -lag System Based on Smith

Predictable Compensation

DONG H ong sheng 1,ZHO U Geng lie

2(1.T he Electr ical Department o f L anzhou Hig her Polytechnical College,

2.T he Computer Engineer ing Depar tment of Lanzhou Higher Polytechnical Colleg e ,Lanzhou,730050,Gansu,China)Abstract:Aiming at the great pure delay characteristics of control process ,this paper,based on Smith predictor,presents a design method of PI controller.Simulation shows that the tuning rules overcome efficiently the influence of the g reat pure delay on the system performance and produces a much better system performance than the traditional Z-N and SPAM tuning rules.Key words:the g reat pure delay process;Smith predictable compensation;the tuning of PI controller (责任编辑:吴春生) 27 第1期董红生,等:采用Smith 预估补偿的时滞系统PI 控制器的设计

Smith预估器控制设计要点

《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：

控制系统组成及作用

第四章控制系统 4.1 控制系统的组成及其作用控制系统的组成（5部分）（1）数字控制装置作用：程序译码执行；状态信号输入采集处理，产生输出控制信号和状态显示信息（2）输入装置作用：接受现场状态信息和操作命令，（专为可识别的信息格式）（3）输出装置（输出设备）作用：接受来自数字控制装置的控制命令，转化并执行相应命令信息，产生调解、改变系统工作状态的操作和动作（4）输入输出接口作用：连接数字控制装置和输入输出设备的信息桥梁，完成I/O信号的电平转换，隔离，信号方式转换，滤波，锁存和缓冲等功能（5）功率放大电路作用：将输出接口的输出控制信号进行功率放大，以足够的功率驱动输出执行设备（输出装置），完成系统的运行

控制系统的组成实例1：控制系统的组成实例2：

作业： 1．简述机电一体化控制系统的构成 2．简述机电一体化控制系统各功能部件的作用第四章控制系统 4.2 控制系统的设计要求控制系统的设计要求包括10个部分：（1）功能实用性：指功能，性能，精度，应用范围及特点等技术指标概况（2）系统可靠性：指系统在给定条件，预定时间内能够正常工作的概率（评价：无故障工作时间和故障的排出时间（含永久性和偶发性故障））（3）运行稳定性：系统的输入量变化或受到外界干扰时，输出量被迫离开原来的稳定值过渡到另一个新的稳定状态的过程中，输出量发生超出规定限度或发生非收敛性变化的概率（包括超调，振荡，滞后，静态误差等）（4）操作宜人性：人机工程概念内容，有助于提高效率，速度，质量和可靠性（5）人机安全性：监测，自动保护，报警，显示，急停，极限保护等（6）环境保护水平：不产生环境污染（7）技术经济性：包括机电一体化设备制造的性价比和运行的性价比（8）结构工艺性：设计应满足加工，装配，检测，包装，安装，维护的最佳工艺性（9）造型艺术性：系统外形，比率，形体结构，色彩符合工业设计要求和时代美感（10）成果规范性：设计遵从相关法规，符合相关技术标准和技术规范附： ※对工业控制计算机系统的基本要求

Smith预估控制算法设计仿真实验

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。

5.2 闭环电子控制系统的设计与应用(1)

如图所示是JN6201集成电路鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理图完成1~3题。 1.该电路图作为控制系统的控制（处理）部分是IC JN6201，当JN6201集成输出9脚长时间处于高电平，三极管V2处于截止状态，继电器释放，电热丝通电加热。 2.安装好调试时，先将温度传感器Rt1放入37℃水中，调整电位器Rp1，使继电器触点J-2吸合，再将温度传感器Rt2放入39℃水中，调整Rp2，使继电器触点J-2释放。 3.调试时发现，不管电位器Rp1和Rp2怎么调，继电器J 始终吸合，检查电路元器件安装和接线都正确，用万用表测三极管V2集电极电位，在不同的调试状态分别为2.8V 和0V ，可知电路发生故障的原因是（ B ） A.二极管V6内部断路 B.三极管V3内部击穿（短路） C.电阻R4与三极管V3基极虚焊 D.继电器线圈内部短路如图所示是运算放大器鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理完成4~6题。 4.该电路作为控制系统的输出部分是继电器J 、电热丝等，当电路中集成运放2脚的电位低于3脚的电位，三极管V3处于饱和状态，继电器J 吸合，电热丝通电加热。上限 V2饱和导通时候Uce 电压降0.2V ，所以留下来给集电极2.8V ，截止时候0V

5.安装好后调试时，将温度传感器Rt 放入39℃水中，调R4，使电压U2=U3，集成运放输出端6脚的电压为0V ，电路实现39℃单点温度控制。 6.调试时发现，将温度传感器Rt 放入高于39℃水中，继电器吸合；将温度传感器Rt 放入低于39℃水中，继电器释放，出现该故障现象的原因可能是（ A ） A.集成运放2脚与3脚接反 B.二极管V4接反 C.电阻R2断路 D.三极管V3损坏如图所示是晶体管组成的水箱闭环电子控制系统电路，根据该原理图完成7~9题。 7.该电路作为控制系统被控对象的是水箱内的水，水箱的水位从a 点降到b 点的过程中，三极管V1处于饱和状态，三极管V2处于截止状态，继电器触点J-1处于吸合状态。 8.安装调试时，将三个水位探头按图中的高低放入空玻璃杯中，如果电路正常，电路通电后，继电器J 吸合；向玻璃杯中加水，到达a 点时，继电器J 释放；接着将玻璃杯中的水排出，水位降到b 点以上时，继电器J 释放；水位降到b 点以下时，继电器J 吸合。 9.调试时发现，玻璃杯中的水位在b 点以下时，继电器J 就吸合；水位加到b 点，继电器J 就释放。出现该故障现象的原因是（ D ） A.继电器J 没用 B.三极管V1损坏 C.二极管V3接反 D.电路没接J-1触点，b 点直接接到了电阻R1 如图所示是555集成电路组成的水箱水位闭环电子控制系统电路图， (第4~6题) (第7~9题) R4 10k ?R5 4.7k R3 4.7k

一种管道机器人结构与控制系统设计

摘要在现代社会中，人们总要遇到各种各样的管道设施，而许多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这样一来，通过人力对管道的内部进行检测就很不方便。本文研制的移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，可以对一定口径的管道内壁进行检测，具有较高的实用价值。本文首先对国内外管道机器人技术的发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，详细介绍了机器人的驱动机构、云台系统等环节的结构。所讨论的机器人采用上下位机的控制模式，使用了目前在国内较为先进的光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机的图像信号。下位机以LPC2114为核心处理器，进行了移动式管道机器人行走电机的驱动控制设计、云台电机的驱动控制设计、RS232串口通信电路以及控制系统外围电路的讨论。关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。

Abstract In modern society, people always encounter a variety of pipeline facilities, and many are not set up in the air piping system is buried underground, so that, through human testing within the pipeline is very inconvenient. This pipe mobile robot developed to carry CCD camera itself, you can certainly detect pipe wall diameter, has a high practical value. Firstly, the domestic and international pipeline robot technology summarized in this paper, given the structure of portable pipeline design of the robot body, detailing, the robot drive mechanism, heads and other aspects of the system structure. Robot discussed by upper and lower computer control mode, using more advanced in the domestic fiber channel to transmit control signals and image signals from the CCD camera. The next crew to LPC2114 core processor for the mobile pipeline robot drive motor for control design, the design head of the motor drive control, RS232 serial communication circuit and control system peripheral circuit discussion.

一、控制系统的组成

4.2控制系统的组成和描述习题一、判断题（1）控制器肯定是控制系统中最先动作的构件。（）（2）执行器是能直接对被控对象起控制作用的装置。（）（3）被控对象是连动过程中最后动作的构件。（）（4）存在比较器的控制系统一定是闭环控制系统。（）二、判断下列关于楼道灯声控开关电路的说法是否正确。（1）它是一个闭环控制系统。（）（2）它能自动纠正控制误差。（）（3）灯是被控对象。（）（4）控制量是控制灯的亮灭。（）二、选择题 1.下列控制系统中，属于开环控制系统的是（） A 电冰箱的温度控制 B 计算机的CPU上的风扇的转速控制 C 现代化农业温室的温度控制 D 家用缝纫机的缝纫速度控制 2 .下面控制系统中，属于闭环控制的有（） A 电风扇机械定时开关控制系统 B 电子门铃控制系统 C 电磁炉温度自动控制系统 D 自行车制动系统 3．下列控制现象属于自动控制的是（）

A 电风扇 B 洗衣机 C 红绿灯定时转换 D 电子词典 4．下列属于闭环控制系统的是（） A 楼道里的防盗报警控制系统 B 火灾自动报警系统 C 公园音乐喷泉自动控制系统 D 电冰箱的温度控制系统 5．下列各项中，属于开环控制系统的是（） A 家用电风扇的转速调节系统 B 电冰箱温度控制系统 C 汽车自动档位控制系统 D 抽水马桶水位的控制系统 6.“皮影戏”是我国的传统的民间艺术，演员只要在屏幕和灯光之间抖动如栓在“小兔”身上的细线，屏幕上就能出现生动活泼的小兔形象，这是一种控制现象，其控制对象是（） A 细线 B “小兔” C 屏幕 D 灯光 7．普通高压锅使用过程中，当锅内压力达到一定值时，压力阀会浮起并放气，使锅内压力维持在预定值水平。该压力控制系统是( ) ①人工系统②自然系统③人工（手动）控制④自动控制 A ①③ B ①④ C ②③ D ②④ 8.闭环控制系统由下列各个环节组成（） ①控制器②执行器③被控对象④检测装置 A ①②③ B ①③④

控制系统设计作业(DOC)

第一题：现控有哪些控制器结构，各有何特点，作用，用在什么场合？答：（1）状态反馈：特点：1、状态反馈将系统的每个状态变量乘以相应的反馈系数，然后反馈到输入端与参考输入相加形成控制律，作为受控系统的控制输入；2、不增加系统的维数（状态反馈解耦时也不增加系统的维数）；3、比不增加补偿器的输入反馈的效果要好；4、不增加新的状态变量；5、反馈增益阵是常矩阵，反馈为线性反馈；6、不改变受控系统的能控性，但不保证系统的能观性不变；7、对于完全能控的单输入系统能实现闭环极点的任意配置，而且不影响原系统零点的分布，但如果故意制造零极点对消，那么此时闭环系统将是不能观的；8、系统能镇定的充要条件是不能控子系统为渐近稳定。作用：状态反馈增益阵K的引入不增加系统的维数，但可通过K的选择自由地改变闭环系统的特征值，从而是系统获得所要求的性能。场合：（2）输出反馈：特点：1、采用输出矢量y构成线性反馈律；2、在技术实现上的方便性；3、输入反馈的HC和状态反馈的K相当，由于m

控制系统的设计

5、控制系统的设计 5.1 控制策略的选择在3.2节转子的位移方程一节，我们已经论述过，对转子的位移方程进行变换后，可以得到如下的电流和位移之间的传递函数： X i K ms K s I s X s G -==2)()()( （5—1）由上式可以看出，该对象有两个实数极点，其中一个在正实轴上，因而是一个不稳定的二阶对象，只有通过闭环控制才有可能使之稳定地工作。然而，闭环控制也有很多种控制策略，采用古典控制论中关于连续系统的分析方法进行近似分析，经分析可知，使系统稳定的基本控制规律为PD 控制。下面对其进行分析。（1）PD 控制策略假设PD 控制器传递函数为 ]1[)(s T K s G d p c += （5—2）其中，K P 为比例系数，T d 为微分时间常数。当忽略功率放大器和位置传感器的惯性，设功放放大系数为K a ,传感器放大系数为K s ，则此时整个系统的闭环传递函数为： ) ()(1)()()(s G s G K K s G s G K s c s a c a +=Φ （5—3）将式（5—1）和式（5—2）代入式（5—3）中可以得到： x p i s a d p i s a d p i a K K K K K s T K K K K ms s T K K K s -+++=Φ2) 1()( （5—4）令k K K K K K x p i s a =- （5—5）用Routh 判据可知，该系统稳定的充要条件为包括k 在内的所有参数均大于0。由式（5—4）和（5—5），可得闭环系统的特征方程为 02=++k s T K K K K ms d p i s a

软件设计-Smith纯滞后补偿PID控制算法

一、题目题目5：以中等纯度的精馏塔为研究对象，考虑到不等分子溢流的影响和非理想的汽液平衡，可以得到塔顶产品轻组分含量Y 与回流量L 之间的传递函数为： s e s s s s L s Y 12) 15.17)(13.28() 19.0(4.3)()(-?+++= 控制要求： 1、采用Smith 纯滞后补偿PID 控制算法将塔顶轻组分含量控制在0.99。 2、采用继电法整定PID 参数。 3、整定效果验证：当被控过程参数时变时，如滞后时间由12→24，开环增益由3.4→6时，讨论PID 控制的响应速度及鲁棒性问题，考察当系统参数发生改变时，上述PID 参数是否选取合适。

二、Smith 纯滞后补偿控制原理针对纯滞后系统闭环特征方程含的影响系统控制品质的纯滞后问题，1957年Smith 提出了一种预估补偿控制方案，即在PID 反馈控制基础上，引入一个预估补偿环节，使闭环特征方程不含有纯滞后项，以提高控制质量。如果能把图2-1中假想的变量B 测量出来，那么就可以按照图2-1所示的那样，把B 点信号反馈到控制器，这样就把纯滞后环节移到控制回路外边。图2-1 反馈回路的理想结构示意图由图2-1可以得出闭环传递函数为 G (s )=D (s )G P (s)e ?τs 1+D(s)G P (s) 由上式可见，由于反馈信号B 没有延迟，闭环特征方程中不含有纯滞后项，所以系统的响应将会大大地改善。但是由于B 点信号是一个不可测(假想)的信号，所以这种方案是无法实现的。为了实现上面的方案，假设构造了一个过程的模型，并按图2-2所示那样把控制量U(S)加到该模型上去。在图 2-2中，如果模型是精确的，那么虽然假想的过程变量B 是得不到的，但能够得到模型中的B m 。如果不存在建模误差和负荷扰动，那么B m 就会等于B ， E m (s )= Y (s )?Y m (s )=0 ，可将B m 点信号作为反馈信号。但当有建模误差和负荷扰动时，则E m (s )= Y (s )?Y m (s )≠0 ，会降低过程的控制品质。为此，在图2-2中又用E m (s )实现第二条反馈回路，以弥补上述缺点。以上便是Smith 预估器的控制策略。图2-2 Smith 预估器控制系统结构图实际工程上设计Smith 预估器时，将其并联在控制器D(s)上，对图2-2作方框图等效变换，得到图2-3所示的形式。扰动) (s N 扰动) (s N

低压无功补偿系统硬件设计

摘要本文主要介绍低压无功补偿装置的基本原理、控制方案以及硬件方面的选型和设计。该补偿系统采用TI公司的定点TMS320LF2812系列DSP和MCU的双控制器进行控制，TMS320LF2812为补偿装置的总控制器，具有自动采样计算、无功自动调节、故障保护、数据存储等功能。同时具备指令运算速度快（约100MIP）、运算量大的优点，同时MCU与外部设备进行通讯，互不干扰，更好的满足了实时性和精确性的要求。采用晶闸管控制投切电容器、数字液晶实时显示系统补偿情况，可以实现快速、无弧、无冲击的电容器投切。为了更详细的介绍该系统，在论文第四章设计了比较完整的各功能模块的硬件电路图，其中包括电源模块、信号变换及调理模块、AD采样模块、锁相同步采样模块、通讯模块等。关键字：低压无功补偿；晶闸管投切电容器；DSP

Abstract This paper mainly introduces the basic principle of low-voltage reactive power compensation device, control scheme and hardware selection and design. The compensation system by TI company's fixed-point tms320lf2812 series DSP and MCU dual controller control, tms320lf2812 compensation device controller with automatic sample calculation, automatic reactive power regulation, fault protection, data storage and other functions. At the same time with the instruction operation speed (about 100MIP), the advantages of large amount of computation. At the same time, MCU and peripheral equipment

基于Arduino的一种电子显示屏控制系统设计剖析

《学术论文写作》课程论文基于Arduino的一种电子显示屏控制系统设计姓名：学院(系)：专业：自动化班级：学号：

基于arduino的一种简易电子显示屏设计摘要：LED显示屏因其工作稳定可靠、寿命长、亮度高等优点，在许多场合中应用广泛。加强显示屏控制系统的可靠性研究意义重大。基于Arduino单片机，研究设计了一种新的电子显示屏控制系统。以PC机为上位机，向单片机发送显示代码和控制命令，单片机控制显示驱动模块驱动LED点阵显示屏进行扫描显示。PC机与单片机之间的通信采用ISP下载编程器来实现。利用按键模块通过单片机对显示屏的显示内容进行翻页和更新控制。关键词：显示屏；可靠性；Arduino；控制 The Design of Electronic Display Control System based on Arduino Abstract: LED displays is widely used in many occasions because of its a dvantages such as stable, reliable and long life. It is of great significance to strengthen the research of the reliability of electronic display control system. Here introduces a new kind of el ectronic display control system based on Arduino microcontroller. System uses PC as uppe r computer.PC send control commands and display code it has stored to the Arduino microcontr oller. And arduino microcontroller receives and deals with control command and display cod e which are from PC. Then drives scan display o f the display screen. Communication betwee n PC and the microcomputer can be implemented by using ISP download programmer. At last, page and update the content which is displayed of the billboard by using the key module an d all is based on th e single chip microcomputer. Keywords: electronic display; reliability; Arduino microcontroller 1.系统整体设计本系统硬件的设计采用模块化设计，既能满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容，如图1.1所示。系统硬件由Arduino控制系统，显示扫描电路，显示屏，键盘扫描电路及数据传输部分以及上位机六部分组成。上位机通过数据传输部分向MCU系统发送显示代码和控制命令，MCU系统执行显示命令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式。

大纯滞后过程特性Smith预估控制

过程控制系统课程设计题目之十三大纯滞后过程特性Smith 预估控制对于一个大纯滞后过程特性的对象：s PC e s s s G 10) 12)(3(1 )(-++= ，试设计一个Smith 预估控制系统，并用SIMULINK 和MATLAB 程序仿真实现。当系统设定值R(s)为1时，调整PI 参数，使过渡过程尽可能满意。（假设检测变送环节的传递函数为1）；比较在预估模型有偏差时，在相同的输入条件下，与预估模型无偏差情况的仿真结果；如果系统有扰动信号F(s)为单位阶跃信号或SINS 信号时，比较系统的仿真结果；如有可能，再试设计一种改进的Smith 预估器。实验报告要求： 1、供系统仿真图； 2、按照题目要求，给出每个实验的仿真结果图； 3、根据以上仿真结果，分析)(s G PC 有滞后与无滞后情况下，PI 参数整定的特点。

大纯滞后过程特性Smith预估控制摘要：Matlab 是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵计算、信号分析与图形显示为一体，构成的一个方便的、界面友好的用户环境。历经二十几年的发展和竞争，现已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。Matlab 最突出的特点就是简洁、它用直观的、符合人们思维习惯的代码、代替C 语言和FORTRAN 语言的冗长代码。为此，Matlab 获得了对应用学科的极强适应力。在国内外高校、Matlab 已成为大学生，硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究学位和工业部门，Matlab 已经成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件。Matlab 软件广泛用于数字信号分析，系统识别，时序分析与建模，神经网络、动态仿真等方面有着广泛的应用。利用Matlab 这个最优秀的科技软件，把计算机技术与信号分析紧密地结合起来，对信号进行分析处理仿真研究，经实例验证，取得了非常好的效果，具有一定的实用价值。本文控制系统为研究主体，提出一种Smith 预估控制算法，通过设计自适应非线性反馈回路来自适应调节参数，从而满足对象参数大幅度变化的要求。关键词：Matlab；纯滞后；Smith 预估控制器；Simulink Pure time-delay system control algorithm of Smith Abstract：Matlab is a software.of high performance of numerical calculation and visualization It get numerical analysis, calculation and signal analysis and graphic display together, constitute a convenient, interface, user friendly environment. After 20 years of development and competition, has become internationally recognized the best technology application software. The most prominent feature of Matlab is concise, it use the people's thinking and habits of the visual code, instead of C language and FORTRAN language lengthy code.So, Matlab acquire the subject of application for science. Matlab,has become acollege students’, masters’ or doctors’ basic skills which must be grasp of both at home and abroad ,. In the design research degree and industrial department, Matlab has become the research and solve specific engineering problems are a standard software. Matlab software widely used in digital signal analysis, system identification, timing analysis and modeling, neural network, dynamic simulation, etc in a wide range of applications. The best use of Matlab software technology, computer technology and signal analysis closely together, the signal analysis simulation, and achieved very good results since it has certain practical value. This control system as a main body of research, and put forward a II

控制系统的设计与实施

控制系统的设计与实施一、教材分析：本节课内容为本节的最后一节，是本节、本章、本书的最后一个课时。在前面的学习中，学生已经了解了结构、流程、系统、控制与设计的关系。设计是技术的重要组成部分之一，而且《技术与设计2》大部分都是围绕着设计这个主题来展开的。本节可以说是这单元的“应用”部分，让学生了解控制系统设计的一般思路比较关键，只有这部分内容理解了，才能有效的进行下一个内容——控制系统的设计与实施案例。在控制系统的设计与实施案例中，重点要让学生会分析和选择案例，并最终会设计。二、学情分析：在《技术与设计1》中，学生对设计的一般过程已经有了一定的了解。但已有的设计基础更多的是停留在结构设计和外形的设计上，对功能的设计还有待提高。同时在生活中对一些产品有一定的使用经验，这些经验有成功的，也有失败的，通过控制系统的分析与设计，使学生对一定的实践经验的生活经历，上升到一定的理论认识，对失败的使用经验，能从控制与设计的角度重新的认识。三、学习目标： 1.知识与技能： 1）了解简单的被控对象的基本特性，能确定被控量、控制量，画出控制系统的方框图，并形成初步的控制系统设计的方案。 2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置；或者根据简单闭环控制系统的方案进行模拟实施，学会调试运行提出改进方案。 2.过程与方法：通过案例式的探讨和实践改良的技术活动，提高分析能力，培养探究精神。学习权衡的思想。 3.情感态度价值观：（1）通过对控制系统的设计与实施的分析，体会产品设计中人性化的设计思想。（2) 培养认真严谨的态度，进而树立“以人为本”的设计理念。（3) 通过多种形式的教学活动，提高学生学习技术课的兴趣。四、教学重难点： 1.教学重点：（1）控制系统设计的一般思路，了解简单的被控对象的基本特性，确定相关的量，会画方框图。（2）能根据开环控制系统的设计方法，制作一个控制装置并学会调试运行，提出改进方案。 2.教学难点：闭环系统的设计；被控量和控制量的确定。五、教学策略：本节书从理论上讲内容较难，学生理解起来比较困难，为了能有较好的课堂效果，设计如下：（1）通过一些具体的生活中例子对比来导入有关控制的设计方法，从而引入课题。（2）教师根据课本中的案例，引导学生解决问题，提高学习的自主能力。（3）寻找一些贴近学生生活实际并在前三节课已经分析过的案例，采用元件展示，学生设计连接的步骤，最后请学生代表上台连接成一个闭环控制系统。主要以“水箱注水的自动控制

史密斯预估补偿器仿真

摘要过热蒸汽的温度是电站锅炉安全运行的重要指标之一。本文针对过热气温大迟延、大惯性的特点，设计了史密斯预估补偿的控制方案。并通过仿真结果证明，史密斯预估补偿优于常规PID控制。关键字过热蒸汽温度史密斯预估补偿PID 仿真 1 过热蒸汽温度控制必要性及对象特性分析机组过热蒸汽的温度是锅炉运行质量的重要指标之一，汽温过高会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，影响使用寿命。汽温降低，将会使机组循环热效率降低，使煤耗增大。过热汽温变化过大，除使管材及有关部件产生疲劳外，还将引起汽轮机转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。所以，锅炉在运行中必须保证过热汽温稳定在规定值附近。汽温控制的质量直接关系到机组的安全经济运行，又是锅炉各项控制中较为困难的任务之一。这主要是由于：（1）造成过热汽温变化的原因很多，例如：机组负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气系数及火焰中心位置、燃料成分等都会影响汽温的变化。（2）在各种扰动作用下汽温对象具有非线性、时变等特性，使控制的难度加大。（3）汽温对象具有大迟延、大惯性的特点，尤其随着机组容量和参数的提高，蒸汽过热受热面比例加大，使其迟延和惯性更大，从而进一步加大了控制的难度。总之，过热汽温控制系统是一个多输入单输出的系统。影响过热汽温主要扰动有三种：蒸汽流量（负荷）扰动；烟气热量扰动：燃烧器运行方式变化、燃料量变化、燃料种类或成分变化、风量变化等等这些变化最终均反映在烟气热量的变化；减温水流量扰动。蒸汽流量（负荷）扰动和烟气热量扰动的迟延和惯性比减温水流量扰动小，但是蒸汽流量（负荷）信号由用户决定，不能作为调节手段；烟气热量控制（改变烟气热量和流量）比较困难；而减温水流量的控制对过热器的安全运行比较有利。所以对于一般电厂，尽管对象特性不是太理想，但是目前还是广泛采用改变减温水流量来控制过热蒸汽的温度，即喷水减温。因为电站锅炉的过热器管路比较长，因此它是一个大惯性加纯滞后的对象。 2 史密斯（Smith）预估补偿控制原理介绍史密斯（Smith）预估补偿方法的设计思想及特点是：预先估计出过程在基本扰动下的动态响应，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了的被控量超前反馈到控制器，使控制器提前动作，从而明显地加速控制工程并减小超调量。其控制系统原理图如图1所示。

一种管道机器人结构与控制系统的设计

摘要在现代社会中，大家总要碰到多种多样管道设施，而很多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这么一来，经过人力对管道内部进行检测就很不方便。本文研制移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，能够对一定口径管道内壁进行检测，含有较高实用价值。本文首先对中国外管道机器人技术发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，具体介绍了机器人驱动机构、云台系统等步骤结构。所讨论机器人采取上下位机控制模式，使用了现在在中国较为优异光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机图像信号。下位机以LPC2114为关键处理器，进行了移动式管道机器人行走电机驱动控制设计、云台电机驱动控制设计、RS232串口通信电路和控制系统外围电路讨论。关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。

过程控制课程设计双容水箱Smith预估控制

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：

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