实验三-Smith预估
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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
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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。
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。
被控对象不变，设控制器参数：Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0，采用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；
实验过程：
Smith预估控制系统的simulink仿真图如下。其中在smith预估控制器内部、控制对象前、控制对象后加入幅值为0.2的阶跃扰动，扰动加入的时间分别为30、60、90。
得到的系统输出曲线为。
对应的控制量的输出曲线如下。
观察以上两条曲线可以发现，smith控制系统下系统的输出具有比较好的稳定性。此外加入同等幅度的阶跃扰动，可以发现外扰对系统输出的影响要比内扰对系统输出的影响大一些。这说明smith控制系统抗内扰能力强，但抗外扰能力相对较弱。
Smith 预估控制算法系统克服内、外部扰动能力检验以及鲁棒性分析（改变K 、T 、t ）。（注意：预估器中的K 、T 、t 不能改变） 实验过程：
（1）验证克服内扰和外扰的能力
在smith 预估控制系统和普通PID 控制系统中加入阶跃干扰，扰动加入的位置分别是控制器内部、控制对象前、控制对象后，幅值均为0.2，扰动加入的时间分别为30、60、90。将普通PID 控制器下系统的输出曲线和smith 控制器下系统的输出曲线作对比。
其中实线表示smith 控制器下系统的输出曲线，虚线表示普通控制器下系统的输出曲线。可以发现以下几条规律：
○
1smith 控制下系统的输出明显比普通PID 控制器下系统输出的超调量小很多，稳定性更好。
○
2smith 控制器下系统输出的抗内扰能力比普通PID 控制器要强，但抗外扰能力要弱。
（2）检验smith 控制系统的鲁棒性
控制对象是一阶惯性加纯迟延的对象，s 传递函数为21
0(s) 2.881
s G e s -=
+。
那么为了检验系统的鲁棒性需要分别改变迟延时间、比例系数、以及积分系数。 ○
1改变迟延时间 将对象的迟延系数由2τ=改为4τ=，相应的z 传函变为
40.2934
0(z )0.7066G z z -=-在同一坐标系下观察两个系统的输出曲线。
其中虚线是4τ=，即对象传函发生改变时系统的输出曲线；实线是2τ=，即传函未发生改变时系统的输出曲线。
○
2改变比例系数 将比例系数由K=1改为K=3，相应的Z 传递函数变为2
0.88010(z)0.7066
G z z -=
-和
为在同一坐标系下观察两个系统的输出曲线
其中虚线是K=3，即对象传函发生改变时系统的输出曲线；实线是K=1，即传函未发生改变时系统的输出曲线。 ○
3改变积分系数 将比例系数由T=2.88改为T=5，相应的Z 传函变为2
0.054380(z)0.8187
G z z -=
-，在同一坐标系下观察两个系统的输出曲线。
其中虚线是T=5，即对象传函发生改变时系统的输出曲线；实线是T=2.88，即传函未发生改变时系统的输出曲线。
观察以上三组曲线可以明显发现当控制对象的延迟系数、比例系数、积分系数发生改变时，系统的输出的稳定性会明显下降，而且相应的抗外扰、内扰的能力也有不同程度的降低。
5、思考和讨论
（1）纯滞后对象采用常规PID能否取得满意效果？
上图为纯滞后对象采用常规PID时系统的输出曲线，很明显系统输出相应较慢，超调量较大，稳定时间也很长。因此可以总结道，纯滞后对象采用常规PID
不能起到满意效果。
（2）验证Smith预估控制算法的有效性。
利用框图原理来证明Smith预估算法的有效性。
典型的smith控制系统框图如下。
T
将其做等效变换，为
进一步等效变换为
由此可以发现Smith预估控制可以讲对象的迟延特性消除，再利用PID控制即可实现较为理想的控制。
以上说明Smith控制算法是有效的。
《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。
8-1 题目要求： 被控对象的传递函数为 ()01 s e G s s -=+ 采样周期T =0.2s ，采用零阶保持器，针对单位阶跃输入函数，按以下要求设计： 1. 采用施密斯预估控制，求取控制器输出u (k )的递推公式，并仿真验证。 2. 试用大林算法设计数字控制器D (z )，求取u (k )的递推公式，并仿真验证。 解： 1. 施密斯预估控制 施密斯预估控制的控制系统如图1所示。 图1 施密斯预估控制器的控制系统 1.1 被控对象离散化 ()()P 1111110.1810.819 Ts T e G s Z s s z z z Z z z e z ---?? -=?? +?? ??=--??--?? = - 1.2 设计辅助调节器 ()()() ()5r P 556 510.181 10.819 0.1810.1810.819D z G z z z z z z z --=-= ---=- 1.3 设计调节器
调节器D (z )采用间接设计法设计。 被控对象传递函数类型为()1 P 1 K G s Ts =+，要校正成典型I 型系统，可知调节器类型为 2K s 。系统开环传递函数为()() 12 1K K G s s Ts =+。设12K K K =，KT =0.5，由于11,1K T ==，所以取20.5K =。 所以调节器的传递函数为()0.5 D s s = 。 1.4 由D (s )求D (z )（采用双线性变换法） ()()()211 0.5 0.0511 z s T z D z Z D s s z z -= +=???? =+= - ()()()() 0.0511 U z z D z E z z += = - 1.5 求递推公式 展开得， ()()()()10.051z U z z E z -=+ 对应的差分方程为，： ()()()()10.0510.05u k u k e k e k +-=++ 降一个序号可得u (k )的递推形式为，： ()()()()10.050.051u k u k e k e k =-++- 1.6 在Simulink 环境下系统仿真模型如图2所示。
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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
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）
目录 1．引言 (3) 1.1 概述 (3) 1.2 毕业设计（论文）的主要内容 (3) 2．Smith预估器的理论知识 (4) 2.1 Smith预估器的模拟补偿控制原理 (4) 2.2 数字Smith预估系统 (5) 3．数字PID控制器 (7) 3.1 序言 (7) 3.2 模拟PID控制器 (7) 3.3 数字PID控制器 (7) 3.4 PID控制参数的整定 (10) 3.4.1 绪论 (10) 3.4.2 采样周期T的选取。 (10) 3.4.3 PID控制参数的整定方法 (10) 4．数字Smith 预估器 (12) 4.1 介绍数字PID控制算法的几种发展 (12) 4.1.1 积分分离的PID算式 (12) 4.1.2带有死区的PID控制算式 (12) 4.1.3微分先行的PID控制算式 (13) 4.1.4 时间最优PID控制 (13) 4.2 数字Smith预估器的计算机实现 (14) 4.3 数字Smith预估控制算式的推导 (15) 5．软、硬件设计及调试............................................................................... 错误！未定义书签。 5.1 硬件设计部分............................................................................... 错误！未定义书签。 5．1．1设计接线图...................................................................... 错误！未定义书签。 5.1.2 控制参数的计算................................................................. 错误！未定义书签。 5.2 软件设计部分............................................................................... 错误！未定义书签。 5.2.1序言...................................................................................... 错误！未定义书签。 5.2.2 程序框图如图5-2所示..................................................... 错误！未定义书签。 5.2.3程序清单.............................................................................. 错误！未定义书签。 5.3 调试............................................................................................... 错误！未定义书签。 5.3.1 PID的实验结果................................................................ 错误！未定义书签。 eτ-的软件实现............................................................... 错误！未定义书签。 5.3.2 s 5.3.3 具有数字Smith预估器的PID控制器........................... 错误！未定义书签。6．结论 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。谢辞 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。参考文献 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。
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.
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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。
燕山大学 课程设计说明书题目： 学院（系）：电院自动化系 年级专业： 08工业自动化2班 学号： 080103010149 学生姓名：罗佩豪 指导教师：吴忠强陈志旺 教师职称：教授讲师
摘要 工业生产过程中的大多数被控对象都具有较大的纯滞后性质。被控对象的这种纯滞后性质经常引起超调和持续的振荡。在20世纪50年代，国外就对工业生产过程中纯滞后现象进行了深入的研究，史密斯提出了一种纯滞后补偿模型，由于当时模拟仪表不能实现这种补偿，致使这种方法在工业实际中无法实现。随着计算机技术的飞速发展，现在人们可以利用计算机方便地实现纯滞后补偿。 本设计主要基于史密斯算法的基本原理，研究数字史密斯预估控制带有纯延迟的一阶过程在计算机中实现，通过对史密斯预估器模型的的设计，在系统输入方波信号时，通过Matlab仿真软件输出方波响应，分别在被控对象模型精确时，被控对象模型不精确时，不采用史密斯预估控制时，三种情况下的方波响应，来研究史密斯预估控制对系统稳定性能的改善。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。本设计主要采用增量式PID控制。 关键词：史密斯预估控制增量型数字PID控制Matlab仿真滞后环节 2