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。
由图1可知系统闭环传递函数为
引入补偿环节Gk (s)后，希望系统闭环传递函数的分母不再含e-τσ项，即要求1+Gc(s )Gk(s )+Gc(s )Gk(s )e-τσ=1+Gc(s)Gp(s) (2)
即Gk(s)=(1-e-τσ)Gp(s) (3)
将式（3）代入图1便可得到图2所示的传统连续Smith预估器方框图。其中，
Gp'(s)e-τσ表示过程模型，在理想情况下，它等同于实际过程G(s )e-τσ。
由图2可知经Gk(s)反馈补偿后，因Gk(s)中包含Gp(s)和Gp(s )e-τσ两项，模型
准确时，后一项正好与原来测量值C(s)抵消，剩下的只有控制作用通过模型后的输出。因此，闭环系统的响应是及时的，这样就消除了纯滞后的不利影响。
2 双自由度Smith预估器
由上面的分析可知，对于传统Smith预估器，
只有当模型准确时，即G p(s )=G p
'(s)及τ'=τ时，系统
才能实现完全补偿。然而，在实际系统中，由于建模误差和对象自身参数摄动等因素的影响，此条件很难满足。这是传统Smith预估器鲁棒性能差的根本原因。另一方面，系统的设定值响应和负载扰动响应都由同一个控制器G c(s)调节，因此，控制器设计必须是对快速跟踪性能和干扰衰减性能的折衷。但由于设定值跟踪和抗干扰性能对控制器设计的要求并不一致，单控制器系统难以同时优化这两种性能指标。对于传统的Smith预估器，随着时滞的增大，这一特点表现得尤为突出。
2.1 双自由度Smith预估器结构
采用双控制器方案，构成双自由度Smith预估
控制系统，使设定值响应和扰动响应分离，从而
分别设计控制器，使闭环系统同时获得良好的设
定值跟踪和扰动抑制能力[4]。改进的Smith预估器
结构示意图见图3，图中，G c1(s)为设定值跟踪控制
器，G c2(s)为干扰衰减控制器。
当模型准确时，在图3中，从R(s)及D(s)到C(s)
的闭环传递函数分别为
(4)
(5)
由式(4)、（5）可知，设定值响应可仅由
G c1(s)控制，并与扰动响应分离，扰动响应可只由
调节。设定值响应与扰动响应的分离，使得G c1(s )
和G c2(s)的设计可独立地进行。
2.2 控制器设计
大多数工业过程都可用一阶惯性带时滞系统
来近似描述，因此，文中被控过程的数学模型设
为
(6)
2.2.1 设定值跟踪控制器设计
令，其中λ__________1＞0为一可调参
数。由式（4）可知，所以
(7)
由式(7)可知，在标称情况下闭环系统总是稳
定的，其响应速度由λ1决定。当λ1→0时，系统的
设定值响应趋于最优。将式（6）代入式（7）便
可得到控制器G c1(s)，其为理想的PID控制器，即
(8)
式中，， T i=T，T d=0。
2.2.2 干扰衰减控制器设计
这里，采用与传统Smith预估器类似的方法来
设计G c2(s)。最终得到的干扰衰减控制器表达式为
(9)
其中λ2为一可调参数，用来优化负载扰动响
图3 双自由度Smith预估器结构示意图应。它是干扰衰减和鲁棒性能之间的折衷。当第32卷第8期 2010-8 【179】
λ2→0时，系统干扰衰减性能趋于最优。
由式(9)知，控制器G c2(s)表达式的分母中含有
纯滞后项e-τσ，物理上难以实现，必须进行改进。
采用1/1Pade近似或2阶Taylor级数逼近e-τσ，结合式
（6），将G c2(s)设计成近似微分PID形式
(10)
式中，，，
，。
3 仿真研究
根据图2搭建的传统Smith预估控制系统方框
图如图4所示，利用MATLAB对系统进行仿真。模
型参数分别为K=2，T=4s，τ=4s，G c为PI调节器，
所受干扰随机成分幅度为，图5为系统仿真曲
线。
图4 传统Smith预估控制仿真模型
图5 传统Smith预估控制系统仿真曲线
根据图3搭建的双自由度Smith预估控制系统
方框图如图6所示，利用MATLAB对系统进行仿
真。模型参数分别为K=2，T=4s，τ=4s，G c 1为设
定值跟踪控制器，G c2(s)为干扰衰减控制器，所受
干扰随机成分幅度为，图7为系统仿真曲线。
图6 双自由度Smith预估控制仿真模型
图7 双自由度Smith预估控制系统仿真曲线
4 结论
传统的Smith预估器可以获得与双自由度Smith
预估器相同的设定值跟踪性能，这是因为在标称
情况下二者的设定值跟踪控制回路传递函数完全
相同。然而，在参数摄动情况下，两者的鲁棒性
能和抗扰性能却显著不同，双自由度Smith预估器
明显优于传统的Smith预估器。这一结果归因于双
控制器设计方案，在理想情况下，其调节性能与
无时滞时相同，只是在时间坐标上延迟了。
另外，控制器的参数整定变得简单。一旦模
型确定，只须调整λ1和λ2便能获得良好的控制效
果，且设定值跟踪响应和干扰衰减响应的调节可
独立进行，避免了传统Smith预估器主控制器的参
数整定没有统一规则，几乎靠经验的缺点。
参考文献：
[1] 金以惠.过程控制[M].北京:清华大学出版社,1996:l36—
140．
[2] 张庆灵,张雪峰.网络控制系统研究综述与前景展望[J].信
息与控制,2007,36(3):364-370．
[3] SMITH O J M.Closer control of loops with dead time[J].Che mical Engineering Progress,1957,53(2):217-219.
[4] 田玉楚.大时滞工业过程的双控制器结构[J].自动化学
报,1999,25(6):824-827.
[5] 郭阳宽,王正林.过程控制工程及仿真——基于MATLAB/ SIMULINK[M].北京:电子工业出版社,2009.
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一、实验目的 学习借助MATLAB软件设计一个Smith预估器控制一个大滞后环节,并且了解Smith预估器参数对系统的影响。 二、实验原理 借助MATLAB软件我们可以轻易的模拟大滞后系统,对其进行控制仿真, Smith预估器的基本原理就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,力图使被延迟了τ的被调量超前反映的调节器,使调节器提前动作,从而明显的减小超调量和加速调节过程。 控制框图如下： U(s) + - - + Y’(s) + 其中 三、实验内容： 对以下大滞后环节 采取Smith预估器控制方案进行控制，其中K= T=200 τ=60。 采用工程整定中的动态特性参数法，有一组公式如下： 由此得到一组参数为： Kc= Ti= Td= 用MATLAB中的Simulink仿真工具箱仿真。 Transport Delay1 Transport Delay 2.2 200s+1 Transfer Fcn2 2.2 200s+1 Transfer Fcn1 2.2 200s+1 Transfer Fcn Step Scope 1 s Integrator 20 Gain2 -K- Gain1 2.4 Gain du/dt Derivative Gc(s) KsGs(s)
１．其中K T τ变化5%，其中K= T=210 τ=63时。 Transport Delay1 Transport Delay 2.31 210s+1 Transfer Fcn2 2.31 210s+1 Transfer Fcn1 2.31 210s+1 Transfer Fcn Step Scope 1 s Integrator 20 Gain2 -K- Gain1 2.4 Gain du/dt Derivative 其中K T τ变化-5%，其中K= T=190 τ=57时。
《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。
第五节 Smith 预估控制 Smith 预估控制方法是在1957年由Smith 提出来的，其特点是预先估计被控系统在基本扰动下的动态特性，然后用预估器进行补偿，力图使被延迟的被控制量超前反映到控制器中，使控制器提前动作，从而显著地减小系统的超调量，同时加速系统的调节过程。 一、Smith 预估控制原理 预估控制系统原理图如图7-24所示。 (a) 预估控制系统原理框图 (b) Smith 预估器 图7-24 预估控制系统原理图 图中，s e s G τ?)(p 为具有时滞为τ的对象传递函数，其中)(p s G 为被控对象； )(m s G 为内部模型（又称为对象的标称或名义模型），即Smith 预估器的传递函数，()s e s G s G τ??=1)()(p m ； )(s D 为（前馈）内模控制器； )(s d 为扰动； )(s R 为参考输入； )(s Y 为被控对象输出； )(m s Y 为内部模型输出。 由图7-24可知，将Smith 预估器与控制器（或被控对象）二者并联。在理论上可以使被控对象的时间滞后得到完全补偿，控制器的设计就不必再考虑对象的时滞作用了。 现在，系统中假设没有补偿器（预估器） ，则控制器输出与被控量之间的传递函数便为 s e s G s U s Y τ?=)() ()(p (7-50) 上式表明，受到)(s U 控制作用的被控量)(s Y 要经过纯滞后时间τ之后才能反馈到系统控制器输入端。若采用预估补偿器，则控制量)(s U 与反馈到控制器输入端的反馈信号)(s Y ′之间的传递函数乃是两个并联通道之和，即 )()() ()(m p s G e s G s U s Y s +=′?τ (7-51) 为使反馈信号)(s Y ′不发生时间滞后τ，则要求(7-51)式满足 )()())(() ()(p m p s G s G e s s G s U s Y s =+=′?τ (7-52) 于是，就导出了Smith 预估补偿器的传递函数为 () s e s G s G τ??=1)()(p m (7-53) 在系统中设置了Smith 预估器的情况下，可以推导出系统的闭环传递函数为
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：
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。
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.
东南大学能源与环境学院 实验报告 课程名称： 实验名称： 院（系）：专业： 姓名：杨康学号： 实验室：实验组别： 同组人员：实验时间：年月日评定成绩：审阅教师：
目录 一．实验目的 (3) 二．实验内容 (3) 三．实验步骤 (3) 四．实验分析 (12)
实验二 Smith预估控制实验指导书 一实验目的 通过实验掌握Smith预估控制的方法及程序编制及调试。 二实验内容 １．Smith预估控制系统如图所示， 图一 对象G(S)= K·e-τs / (1+T S),K = 1, T1 = 10 s , τ = 5 s , 1 Wc(z)采用数字PI控制规律。 ２．对象扰动实验 画出U(t) = u0·1(t)时，y(t)曲线。 ３．Smith预估控制 (1)构造W τ(S)，求出Wτ(Z)。 (2)整定Wc(s)(按什么整定？) (3)按图仿真，并打印曲线。 （4）改变Wτ(S)中K，τ（对象不变），进行仿真比较，观察它们对调节过程的影响。 三实验步骤 1、对象扰动实验 （1）差分方程如附录。 （2）源程序如下： #include"iostream.h" #include"math.h"
#include"fstream.h" void main() { fstream outfile("data1.xls",ios::out); double t; double u0; cout<<"请输入采样周期:"; cin>>t; cout<<"请输入阶跃幅值:"; cin>>u0; double ee=pow(2.718,(-t/10.0)); int N; int i; double u[100],y[100]; for(i=0;i<100;i++) { u[i]=u0; y[i]=0.0; } N=1+5/t; for(i=N;i<100;i++) { y[i]=(1-ee)*u[i-N]+y[i-1]*ee; } for(i=0;i*t<100;i++) { cout< 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。 （此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！） 扬州大学 水利与能源动力工程学院 课程设计报告 题目：史密斯预估控制系统设计 课程：计算机控制技术课程设计 专业：________ 电气工程及其自动化_________ 班级：_____________ 电气1101 _____________ 姓名： _____________________________ 学号： _________________________ 第一部分 任 务 书 《计算机控制技术》课程设计任务书 一、 课题名称 史密斯预估控制系统设计 二、 课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节， 它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重 要的意义。 《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地 位。计算机控制技 术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等 方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整 体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事 计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 三、 课程设计内容 设计以89C51单片机和ADC 、DAC 等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制 系统。 1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路 （用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）； 由运放实现 的被控对象。 2. 控制算法：PID 控制加史密斯预估控制。 3. 软件设计：主程序、中断程序、 A/D 转换程序、滤波程序、 PID 控制加史密斯预估控制程序、 D/A 输 出程序等。 四、课程设计要求 模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V ），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V ）。 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 五、课程设计实验结果 1. 控制系统能正确运行。 2. 正确整定PID 参数后，系统阶跃响应的超调 <15% 六、进度安排 1. 2. 3. 每个同学选择不同的被控对象： 5 10 4. G(s) e 「s (0.8s+1)(0.4s+1) G(s) 5 6 * e".5s (s+1)(0.2s+1) - 5 讣(^冇2 8 - 1s G （s ） e Is （0.8s+1）（0.3s+1） G(s) e-°.5s (0.4s 十 1)(0.5s+1) G(s) 8 e~2s (0.8s+1)(0.2s+1) - 5 2s G(s) e 2s (0.8s+1)(0.2s+1) 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。 扬州大学 水利与能源动力工程学院课程设计报告 题目：史密斯预估控制系统设计课程：计算机控制技术课程设计专业：电气工程及其自动化 班级：电气1101 姓名： 学号： 第一部分 任 务 书 《计算机控制技术》课程设计任务书 一、课题名称 史密斯预估控制系统设计 二、课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 三、课程设计内容 设计以89C51单片机和ADC 、DAC 等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。 2. 控制算法：PID 控制加史密斯预估控制。 3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D 转换程序、滤波程序、PID 控制加史密斯预估控制程序、D/A 输出程序等。 四、课程设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V ），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V ）。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 每个同学选择不同的被控对象： 5 10 0.5 1.5(), ()(1)(0.81) (1)(0.41) s s G s e G s e s s s s --= = ++++8 8 10.5(), ()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51) s s G s e G s e s s s s --==++++5 8 1.52(), ()(1)(0.21) (0.81)(0.21) s s G s e G s e s s s s --= = ++++ 5 5 12(), ()(0.81)(0.31) (0.81)(0.21) s s G s e G s e s s s s --= = ++++ 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。 大滞后系统Smith预估器的控制仿真 一、实验目的 学习借助MATLAB软件设计一个Smith预估器控制一个大滞后环节,并且了解Smith预估器参数对系统的影响。 二、实验原理 借助MATLAB软件我们可以轻易的模拟大滞后系统,对其进行控制仿真,Smith预估器的基本原理就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,力图使被延迟了τ的被调量超前反映的调节器,使调节器提前动作,从而明显的减小超调量和加速调节过程。 控制框图如下： 其中 三、实验内容： 对以下大滞后环节 采取Smith预估器控制方案进行控制，其中K=2.2 T=200 τ=60。 采用工程整定中的动态特性参数法，有一组公式如下： 由此得到一组参数为： Kc=2.36 Ti=134.7s Td=20.9s 用MATLAB中的Simulink仿真工具箱仿真。 １．其中K Tτ变化5%，其中K=2.31T=210τ=63时。 其中K T τ变化-5%，其中K=2.09 T=190 τ=57时。 ２．其中K Tτ变化10%，其中K=2.42T=220τ=66时。 其中K Tτ变化-10%，其中K=1.98T=180τ=54时。 - ２．其中K Tτ变化15%，其中K=2.53T=230τ=69时。 其中K Tτ变化-15%，其中K=1.87T=170τ=51时。 四、实验总结： 通过试验，发现Smith预估器的控制能力强，控制范围广，对大延迟系统有很强的控制能力, 使被延迟了τ的被调量超前反映的调节器,使调节器提前动作,从而明显的减小超调量和加速调节过程。 (此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 扬州大学 水利与能源动力工程学院 课程设计报告 题目：史密斯预估控制系统设计 课程：计算机控制技术课程设计 专业：电气工程及其自动化 班级：电气1101 姓名： 学号： 第一部分 任 务 书 《计算机控制技术》课程设计任务书 一、课题名称 史密斯预估控制系统设计 二、课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。 三、课程设计内容 设计以89C51单片机和ADC 、DAC 等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。 2. 控制算法：PID 控制加史密斯预估控制。 3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D 转换程序、滤波程序、PID 控制加史密斯预估控制程序、D/A 输出程序等。 四、课程设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V ），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V ）。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 每个同学选择不同的被控对象： 5100.5 1.5(),()(1)(0.81) (1)(0.41)s s G s e G s e s s s s --= =++++8810.5(),()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)s s G s e G s e s s s s --==++++581.52(),()(1)(0.21)(0.81)(0.21)s s G s e G s e s s s s --== ++++ 5512(),()(0.81)(0.31)(0.81)(0.21) s s G s e G s e s s s s --==++++ 4. 对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现。 5. 定时中断间隔可在10-20ms 中选取，采样周期T 取采样中断间隔的整数倍，可取30-50ms 。 6. PID 控制器可用凑试法整定。 有关的设计资料可参考《计算机控制实验指导书》的相关内容。实验三Smith预估 (1)
史密斯预估控制系统设计
实验三-Smith预估
史密斯预估控制系统设计
Smith预估器
大滞后系统Smith预估器的控制仿真
史密斯预估控制系统设计
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