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。
图1 史密斯预估补偿控制原理图
在上图中，）（s g p
p K 是对象除去纯迟延环节s -d e τ以后的传递函数，）（s g s s K 是史密斯预估补偿器的传递函数。假若系统中没有此补偿器，则由控制器输出）（s U 到被调量）（s Y 之间的传递函数为
s -p p d e s g s s τ）（）
（）（K U Y = 上式表明，受到控制作用之后的被控量要经过纯迟延d τ之后才能返回到控制器。若采用预估补偿器，则控制量）（s U 与反馈到控制器的信号）（s Y '之间的传递函数是两个并联通道之和，即
）（）（）
（）（s g e s g s s s s s -p p d K K U Y +='τ 为使控制器采集的信号）（s Y '不被迟延d τ，则要求上式为
）（）（）（）
（）（s g s g e s g s s p p s s s -p p d K K K U Y =+='τ 从上式便可得到预估补偿器的传递函数为
））（
（）（s -p p s s d e -1s g s g τK K = 称上式表示的预估器为史密斯预估器，它将消除大迟延对系统过渡过程的影响，使控制过程的品质与过程无纯迟延环节的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟了一个时间d τ。整个系统的闭环传递函数为
）
（）（）（）（）（）（s g s G 1e s g s G s s p c p s -p c p d K K R Y +=τ 很显然，此时在系统的特征方程中，已经不包含s -d e τ项。也就是说，这个系统已经消除了纯滞后对系统控制品质的影响。当然闭环传递函数分子上的s -d e τ说明被调量）（t y 的响应还比设定值滞后d τ时间。
最后在介绍一种改进型的史密斯预估器，它是由Hang 等人提出的。它只比原来的方案多了一个控制器，其控制原理框图如下图2所示：
图2 改进型史密斯预估补偿控制原理图
它与史密斯预估补偿器方案的主要区别在于主反馈回路，其反馈通道传递函数不是1而是)(f S G 。
）
（）（）（）（s g s 1s g s )(m 2c m 2c f G G S G += 通过理论分析可以证明改进型方案的稳定性优于原来的方案，并且对模型的精度要求不高，有利于改善系统的控制性能。如果假设）
（s g m 是一阶环节，并且控制器的积分时间等于模型的时间常数，那么)(f S G 可以简化为
1
s 1)(f f +=T S G 它是一个一阶滤波器，只有一个整定参数f T 。
3 仿真练习
针对机组过热汽温是一个大惯性加纯滞后的对象，采用史密斯预估补偿的方法去控制喷水量，从而控制温度在稳定值附近，保证机组安全运行。
3.1 系统在设定值阶跃扰动下响应仿真
通过一阶传递函数模型的辨识方法得到某1000MW 超超临界机组在满工况运行下，末级过热器出口汽温温度的模型为s 49-e 1
s 6.935.1+，在Matlab 仿真平台搭建如下的仿真系统：
假设在理想的条件下，辨识的模型是精确的，通过对史密斯预估补偿控制和常规单回路PID 控制、常规单回路PID 控制（被控对象无延迟）的对比研究，得出如下图3：
0100200300400500
600700800900100000.5
1
1.5
t y
系统在设定值阶跃变化下的过渡过程对照
图3 系统在设定值阶跃变化下的过渡过程
整定的控制器参数为448.0=P K , 448.0=I T ，448.0=D T 。通过以上的仿真可以看出，经过史密斯预估补偿器后的响应曲线明显优于常规单回路PID 控制的响应曲线。而与被控对象无延迟的常规单回路PID 控制响应曲线相比，史密斯预估补偿器并没有体现较大的优势，只是响应曲线在时间坐标轴上向后推迟了
一个延迟时间。也就是说消除了史密斯预估补偿器消除了大迟延对系统的影响。
3.2 系统在负荷干扰下响应仿真
同样在Matlab 仿真平台搭建如下的仿真系统：
对上述整定的控制器参数不作改变，即448.0=P K , 448.0=I T ，448.0=D T 。并在时间为800s 时加入负荷扰动，得出的响应曲线对比如下图4：
02004006008001000
1200140016001800200000.2
0.4
0.6
0.8
11.2
1.4
1.6
1.8
t y
系统在负荷干扰下过渡过程对照
图4 系统在负荷扰动下的过渡过程
上述仿真结果表明，史密斯预估补偿器对机组过热汽温受到负荷干扰时，控制效果没有设定值阶跃扰动的控制效果好。只是比常规单回路PID 控制效果略好。
4 总结
通过对提出的控制方案进行仿真实验，可以看出，在加入史密斯预估补偿器后，可以对大迟延、大惯性的过热汽温进行有效的控制，且没有超调量，达到满意的控制效果。当发生负荷扰动时，虽然史密斯预估补偿器可以实现对对象的平稳控制，但效果没有设定值扰动下好。综上所述，对于大惯性、大滞后的情况下的控制，加入史密斯预估补偿器可以收到较好的控制效果，但对于抗干扰能力还有待于加强，所以可以考虑与其它控制方案相结合，比如加入前馈补偿环节，或者改用先进的智能控制方法，例如模糊控制、神经网络BP 算法等，相信会得到更好的控制效果。
参考文献
[1] 大纯滞后过程的控制与优化ppt
[2] 蒸汽温度控制系统ppt
[3] 黄德先，王京春，金以慧. 过程控制系统.北京：清华大学出版社
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。
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
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
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。
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：
Smith预估补偿器在过热蒸汽温度控制系统中的应用 摘要：本文介绍Smith预估补偿器在纯滞后控制系统中的补偿原理及作用，并在过热蒸汽温度控制系统系统中使用Smith预估补偿器获得了成功应用。Smith预估补偿控制与常规的PID控制相比，具有调节时间短、超调量小、鲁棒性好等优点。适应于一般工业生产过程中有纯滞后环节的控制系统，有较大的推广应用价值。 关键字：Smith预估补偿器，PID，超调量，鲁棒性，过热蒸汽温度控制系统1.引言 在工业生产过程控制中，许多对象具有纯滞后的性质。这类控制系统的纯滞后时间会使系统的稳定性降低，采用常规的PID的控制运算会引起大的超调和长时间的振荡，控制效果不佳。有关纯滞后的控制系统，虽然国内外作过不少研究工作，但在工程上有效方法并不多。本文介绍的就是其中用得较多且技术十分成熟的Smith预估补偿器法及其在过热蒸汽温度控制系统上的应用。 过热蒸汽温度控制系统是单元机组不可缺少的重要组成部分，其性能和可靠性已成为保证单元机组安全性和经济性的重要因素。过热蒸汽温度较高时，机组热效率则相对较高，但过高时，汽机的金属材料又无法承受，气温过低则影响机组效率。过热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行非常重要，所以对其控制有较高的要求。但是由于过热蒸汽温度是一个典型的大迟延、大惯性、非线性和时变性的复杂系统，本次设计采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。
2. Smith 预估器的补偿原理 2.1单回路控制系统 于有纯迟延过程的控制系统，调节器采用PID 控制规律时，系统的静态和动态品质均下降，纯迟延愈大，其性能指标下降的愈大。Smith 针对具有纯迟延的过程，提出在PID 反馈控制的基础上引入一个预补偿环节，使控制品质大大提高。下面就对Smith 预估补偿的原理进行更详细地介绍。采用简单回路控制时，如图2.1所示。 图2.1单回路控制系统 控制器的传递函数为()T W s ，对象的传递函数为()()'00s W s W s e t -=时，从设 定值作用至被控变量的闭环传递函数是： () ()()()()()'0'01s T s T Y s W s W s e R s W s W s e t t --=+ （2.1） 扰动作用至被控变量的闭环传递函数是： ()()()()()'0'01s s T Y s W s e F s W s W s e t t --=+ （2.2） 如果分母中的s e t -项可以除去，情况就大有改善，迟延对闭环极点的不利影响将不复存在。 2.2 Smith 预估补偿器 Smith 预估补偿方案主题思想就是消去分母中的s e t -项，实现的方法是把对象的数字模型引入到控制回路之内，设法取得更为及时的反馈信息，以改进控制品质，Smith 预估器补偿原理图如图2.2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.
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。实验三Smith预估 (1)
史密斯预估控制系统设计
实验三-Smith预估
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