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基于改进Smith预估补偿及自适应Fuzzy—PID控制的NCS研究

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题， 从 而能 够获得 良好 的动 态响 应性 。文献 ［ ６ － ８ ］ 给 出 了一 种新 型 的 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ预估 模 型 ， 并 指 出在 此模 型
下不 需要 知道被 控对 象 的精确数 学模 型 ， 就 可 以将 网络时延 从 闭环系统 中移 出 ， 提高 系统 的稳 定性 。文 献［ ９ ］ 提 出了一种 基 于迭代模 型 的 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ预估 控 制 系统 ， 指 出通过 一 定次 数 的“ 迭代” 就可 得 到 精 确 的 预估模 型 。文献 ［ １ Ｏ ］ 将基于 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ预估器 的模糊 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 系统 应 用 于 电加 热 炉体 散 热 补偿 ， 并 验 证该
明 改 进 后 的 系统 能 获 得 更 好 的 动 态
键
词］ 网络 时延 ； Ｓ ｍｉ ｔ ｈ预估补 偿 器 ； 一 阶惯性 滤波环 节 ； 自适 应 ［ 文献标 识码 ］ Ａ
［ 中图分类 号 ］ Ｔ Ｐ ２ ７ ３
网络控 制 系统 （ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｅ ｄ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ， Ｎ Ｃ Ｓ ） 是 一 种 通 过共 享 通 信 网络 来 交 换 空 间分 布 的控 制
徐 星星 ， 张 春， 何慧云 ， 陈 林
（ 安徽工程大学 电气工程学院 ， 安徽省检测技术与 自动化装置重点实验室 ， 安徽 芜湖 ２ ４ １ ０ ０ ０ ）
［ 摘
要］ 在 具 有 网络 时延 和被控 对 象 自身 时延 的 网络 控 制 系统 中， 针 对传 统 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ预估 补
统应用 中还是有 很大 的局 限性 ， 所 以很 多学 者 针对 其 存 在 的不 足 提 出 了相关 改 进 方案 。文 献 ［ ４ ］ 提 出
一
种新 型 的单神 经元 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ预 估控 制算 法 。文 献 ［ ５ ］ 采 用低 阶模 型来 解 决 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ预估 模 型 的不 匹 配 问
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ － ０ ５ — ３ ０
基金项 目： 安徽 省 自然科 学 基 金 资 助项 目（ １ ２ ０ ８ ０ ８ ５ ＭＦ １ １ ５ ）
作者 简介 ： 徐 星星 （ １ ９ ９ ０ 一） ， 女， 江苏 省宿迁市 人 ， 安 徽工程 大学硕士 研究生 ， 主要研 究方 向为 网络 控制系统 ； ［ 通信作 者］ 张春 （ １ ９ ７ ２ 一） ， 男， 安徽省安庆市人 ， 安徽工程大学教授 ， 硕士 ， 主要研究方 向为 网络控制系统及智能控制 。
系统 具有 很好 的鲁棒 性 。文献 ［ １ １ ］ Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ预 估 补偿 算 法 被应 用 于 Ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ － Ｐ Ｉ Ｄ控制 器 的 ３个 参 数 在 线 自 动整 定 中 。
本文 针对传 统 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ预估 补偿 器需 要掌握 被控 对象精 确 的数学 模型 ， 对传 统 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ预估 补偿器 进行 改进 ， 用 于缓解 预估模 型不 匹配 带来 的影 响 ， 同时 引入 自适 应 Ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ ． Ｐ Ｉ Ｄ控 制器 作 为 系 统 控制 策 略 ， 并
器、 估 计器 、 执行 器和传 感器 等多个 节 点之 间信息 的分 布式 闭 环控 制 系统 ， 广 泛地 应 用 于工 业 生 产 过程 中。Ｎ Ｃ Ｓ 降低了布线的复杂性 ， 提高了系统的可靠性 ， 增加了系统的可扩展性¨ Ｊ 。但是 ， 由于有网络协 议 和通 信带 宽 的约束 ， 节点 之间必 然会存 在竞 争通 信资 源 的情 况 ， 所 以信 息在传 输 过程 中产生 时延 就在 所难免 。然 而 ， 存 在 的时延 不仅会 降低 系统 的动态 特性 ， 甚 至可能 导致 系统 的不 可控 性 。 近年来 ， 国内外学 者对 网络控 制 系统 时延预估 补 偿进 行 了大 量 的研究 ， 其 中， 常 采用 的有 Ｄ ａ ｈ ｌ ｉ ｎ算 法和 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ 算法。Ｄ ａ ｈ ｌ ｉ ｎ 算 法是为 消除余差 ， 同时对纯滞 后进行补偿 而设计 的合适数 字控 制器 Ｊ 。 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ算法 是 由 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ Ｏ ． Ｊ ． Ｍ． 提 出并被 广泛 应用 于特定 的工 业场 合 Ｊ 。虽 然 如此 ， Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ算 法在 控 制 系
２ ０ １ ５年 １ ０月
陕西理 工学院学报 （自然科 学版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
０ｃ ｔ ． ２０１ ５
第３ １卷第 ５期
Ｖｏ Ｉ ． ３１ Ｎ ｏ ． ５
［ 文章 编号 ］ １ ６ ７ ３— ２ ９ ４ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５— ０ ０ ２ ０— ０ ６
基于改进 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ预 估 补偿 及 自适 应 Ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ — Ｐ Ｉ Ｄ控 制 的 Ｎ Ｃ Ｓ研 究
・
２ ０・
第 ５期
徐 星星 ， 张春 ， 何 慧云 ， 等
基于改进 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ预估 补偿 及 自适 应 Ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ — Ｐ Ｉ Ｄ控 制 的 Ｎ Ｃ Ｓ 研 究
偿 器 需要 被控 对 象的精 确数 学模 型 ， 对传 统 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ预估 补偿 器进 行 改进 ， 提 出在 预 估 器主反 馈
通道 上加入 一 阶惯性 滤波环 节 ， 用 于解 决被控 对 象与预 估 器模 型 参数 失 配 问题 。 同 时 引入 自
适应 Ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ — Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器作 为 系统 控 制 策略 ， 设 计 了系统 结 构 并进 行 了仿 真 研 究 。仿 真 结 果表

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史密斯预估补偿控制与PID控制的比较研究_陆萍蓝

史密斯预估补偿控制与PID控制的比较研究_陆萍蓝


陆萍蓝1 , 张火明2 , 毛汝东3
( 1. 浙江工业大学 机电工程学院, 浙江 杭州 310014; 2. 中国计量学院 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018; 3. 中国计量学院 信息工程学院, 浙江 杭州 310018)
= 摘 要> 比较了两种工业过程控制中的控制器, PID 控制器和史 密斯预估 补偿控制器. 介绍 了四种 PID 参 数的整定方法, 分别为 试凑 法确 定 P ID 调节 参 数、Zieg ler- Nicho ls 参数 整 定方 法、最 优 PID 整 定算 法、运 用 M atlab/ simulink 中的 N CD O utpo rt( 非线性控制设计输出端 口模块 ) 模 块对 PID 参数 进行最 优整定. 史密 斯 预估补偿控制器主要用于工业控制中的大延时系统控制, 以提高系统的阶跃响应性能. 在理论上, 史密斯预估 补偿控制器提供了一个有效的方法来提高控制效果. 运用 M atlab/ Simulink 仿真方 案对前述两 种控制方 法进 行了仿真比较, 结果表明, 在有较大延时情况下, 史密斯预 估补偿控制能获得比 PID 控制更好的结果.
3. Coll ege of Inf ormation Engin eering, C hina Ji lian g U n iversit y, H angz hou 310018, China)
Abstract: Two kinds of contro ller used in industrial process control were compared. Four methods for tuning the parameters of the PID contro ller wer e presented. T he Smith predictive compensation controller w as mainly used in the long- time delay industrial process to improve the step response performance of the system. In theor y, the Smith predictive compensation contr oller could provide an effective way to improve the control effect. T he Matlab/ Simulink was employed to compare the two fo re- mentioned co ntroller s. T he outcome indicates that under the condition of a long- time delay, the Smith predictive compensation contro ller can achieve better results than those achieved by the PID contro ller.
基于结构改进Smith预估单神经元PSD的长时延NCS研究

基于结构改进Smith预估单神经元PSD的长时延NCS研究

Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍｓ ｏ ｆ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｔ ｉ ｍｅ — ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｉ ｎ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ（ ＮＣ Ｓ ） ｗ ｉ ｔ ｈ ｌ ｏ ｎ ｇ ｔ ｉ ｍｅ — ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ， ａ
ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ Ｓ ｍｉ ｔ ｈ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｎ ｅ ｕ ｒ ｏ ｎ Ｐ Ｓ Ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ．Ｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｂ ｙ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｃ Ｓ ｍｉ ｔ ｈ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｏ ｒ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ， ｔ ｈ ｅ
第３ Ｏ 卷第１ ２ 期
机
电
工 程 Ｖ０ １ ． Nhomakorabea ０ Ｎｏ ． １ ２
Ｄｅ ｃ ．２ ０１ ３
２ ０ １ ３ 年ｌ ２月
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ＆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉｎ ｒ ｇ
摘要 ： 针对 长时延网络控制系统 （ Ｎ Ｃ Ｓ ） 中存在时延和被控对象等 问题 ， 提 出了一种新 型结 构改进 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ 预估单 神经 元 Ｐ Ｓ Ｄ控制器 。
新 型控制器 由结构改进 Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ 预估器和单神经元 Ｐ Ｓ Ｄ控制器组成 ， 结构改进 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ 预估器通 过对传 统 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ 预估器模 型结构上 的改
基于Smith预估器和自适应模糊PID的温控系统

基于Smith预估器和自适应模糊PID的温控系统

基于Smith预估器和自适应模糊PID的温控系统许玉忠【摘要】针对常规温度PID控制系统由于温度惯性大、单向升温和滞后大等特性存在超调量较大、抗干扰性差等问题,提出一种新的电阻炉温度控制系统.该系统采用自适应模糊PID控制算法,在此基础上结合Smith预估补偿器,实现软切换,并采用MATLAB软件进行仿真.仿真结果表明,基于Smith预估补偿器的自适应模糊PID控制相比常规PID控制具有良好的控制性能.【期刊名称】《南通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(015)001【总页数】5页(P24-28)【关键词】Smith预估器;自适应;模糊PID控制【作者】许玉忠【作者单位】乌鲁瓦提水利枢纽管理局,新疆和田 848000【正文语种】中文【中图分类】TP273.3引文格式：许玉忠.基于Smith预估器和自适应模糊PID的温控系统［J］.南通大学学报（自然科学版），2016，15（1）：24-28.电阻炉是工业生产中常用的电加热设备，广泛应用于冶金、机械、建材等行业［1］. PID控制因其简单性，在范围广泛的各类操作中获得了普遍应用［2］.常规的炉温控制器多采用PID控制.随着工艺要求的提高，进一步提高了对温度控制系统的稳定性及精度要求.采用传统的PID控制稳态响应特性较好，但难以得到满意的动态响应特性［3］.常规整定PID控制对运行工况变化的适应性较差，且存在供电电压波动等干扰，在温度偏差较大时易出现超调量偏大和调节时间过长的问题.模糊控制比较适合电阻炉温度控制，但常规模糊控制算法稳态误差又较大［4］.本文在常规PID控制的基础上，基于模糊控制理论的PID参数自整定，进一步结合Smith预估补偿器控制方法，对温控系统进行仿真分析，实现了温度控制系统更高水平的控制精度.电阻炉的温度控制系统是由电阻内的热电偶经温度变送器采样后，由PID控制器控制输出量对可控硅电路的导通角控制，导通角越大，电阻炉的输入功率越大，炉温上升；反之炉温下降.控制系统具体结构如图1所示.根据有关研究结果表明，电阻炉模型具有自平衡能力，可以被描述为二阶系统纯滞后环节.二阶不振荡系统可降为一阶模型，该系统应是一个一阶惯性环节附加一个滞后环节［5］，其传递函数为其中，模型静态增益为K，纯滞后时间常数为T，惯性时间常数为τ，复变量为s. 传递函数是通过测取电阻炉的阶跃响应，根据阶跃响应曲线Cohn-Coon公式确定近似传递函数.给定施加阶跃信号250℃，电阻炉的温度变化参数见表1.按照Cohn-Coon确定：式中，ΔC为输出响应，ΔM为阶跃输入，t0.28是飞升曲线为0.28ΔC时的时间（min）.由K = 0.92，T = 144 s，τ= 30 s，得出电阻炉温度模型为自适应模糊PID控制器是同时结合PID控制和模糊控制的混合控制器［6］，通过实时在线调整控制器的比例系数、积分系数和微分系数，实现系统的自适应控制［7］.本文采用输入输出为二入三出的模糊推理器，系统偏差e及偏差变化率ec为输入，ΔKp，ΔKi，ΔKd为输出.自适应模糊PID控制结构如图2所示.温度纯滞后系统中被调量不能及时反映系统受到的扰动，需经过纯滞后时间以后才能被调节器的动作控制.当纯滞后时间较大时，会引起系统的响应超调过大或发生振荡［8］.将Smith预估补偿法引入PID控制，提前对系统动态过程特性进行估计，并通过预估器补偿，能提前反馈滞后的被调节量给调节器，调节器因接到反馈信号而能提前动作，进而加速调节过程并能减少超调量.含Smith预估器的PID控制结构图如图3所示.自适应模糊PID控制系统根据输入，利用模糊规则实时在线整定PID控制器3个修正参数，实现对炉温的优化控制［9］. PID控制参数输入计算公式如下：4.1 自适应模糊PID控制器参数的确定根据控制对象的电阻炉，确定e的｛-50，50｝基本论域，ec的｛-12，12｝基本论域，均取｛-3，3｝的量化论域，量化因子Ke= 3/50 = 0.06，Kec= 3/12 = 0.25.输出ΔKp的｛-0.24，0.24｝基本论域，ΔKi的｛-0.06，0.06｝基本论域，ΔKd的｛-0.03，0.03｝基本论域，均取｛-3，3｝的量化论域，量化因子分别是0.08，0.02，0.01.模糊子集为e，ec，ΔKp，ΔKi，ΔKd= NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，各输入输出均服从三角形隶属函数曲线分布，各模糊子集的隶属度如图4所示.4.2 自适应模糊PID控制器的规则设计分别根据e较大时、e和ec中等大小时、e较小时等不同情况下，被控过程对Kp，Ki和Kd的取值自整定要求，结合本文中实际电阻炉温度控制的特点，制定参数整定ΔKp/ΔKi/ΔKd的模糊控制规则表，如表2所示［10-11］.查询表2得到ΔKp，ΔKi和ΔKd即PID控制器各控制参数的修正量，与各参数原始值计算，如Kp=Kp0+ΔKp，其余Ki、Kd同理.4.3 Smtih预估器和自适应模糊PID的切换如何实现模糊控制向PID控制的平滑切换是Smtih预估器和自适应模糊PID控制器的设计重点.为解决模糊控制器在稳态误差很小时存在死区的问题，本文采用非固定门限值的软切换方式，克服了固定门限值存在的切换缺陷.切换门限值的条件为系统偏差最大值与转换到模糊论域时系统偏差最大值比值的一半，系统偏差最大值为emax，转换到模糊论域时系统偏差最大值为Emax，切换到自适应模糊PID 控制时条件为，切换到PID控制时条件为.对常规PID算法控制以及Smith预估器和自适应模糊PID控制系统通过Simulink 进行电阻炉温控仿真［12］，系统结构如图5所示.通过常规PID控制调整，较好的控制参数为Kp0= 2，Ki0= 0.06，Kd0= 0.03.传输延迟模型进行30 s的延时，在系统运行600 s时施加-10℃的干扰.仿真得到的常规PID及基于Smith预估器和自适应模糊PID温度控制曲线如图6所示.由图6可以看出，Smith预估器和自适应模糊PID控制动态响应曲线比较好，响应速度快，超调量明显减小，与常规PID控制相比性能有了极大改善.通过对比Simulink仿真结果，基于Smith预估器和自适应模糊PID控制较好地发挥了模糊控制和PID的优点，能够对PID的参数依据温度误差e和误差变化率ec在线修正，并采用非固定门限实现模糊控制和PID控制的软切换，很好地解决了模糊控制器在稳态误差很小时存在死区的问题，能更好地适应对电阻炉温度控制精度较高的要求.该控制系统具有应用推广价值.【相关文献】［1］邢伟，潘海鹏.电阻炉智能温度控制系统的设计与仿真研究［J］.浙江理工大学学报，2008，25（5）：606-610.［2］叶强.基于OPC和MATLAB的电阻炉温度控制系统设计［J］.智能计算机与应用，2014，4（3）：49-52.［3］尹志宇.基于神经网络Fuzzy-PID控制器的温控系统［J］.工业加热，2011，40（3）：49-51.［4］伍铁斌，刘祖润，王俊年.一种新型电阻炉温度控制系统的设计［J］.自动化与仪表，2006（6）：42-45.［5］吕国建.基于KMM的电阻炉温度控制系统实验研究［J］.自动化技术与应用，2002，21（4）：36-37.［6］吴杰，汤伟.基于OPC和MATLAB的模糊PID在DCS中的应用［J］.计算机测量与控制，2010，18（10）：2275-2277.［7］陈机林，候远龙，张世琪.电气伺服稳定系统的模糊推理自适应PID控制［C］//中国航空学会，中国自动化学会，中国运筹学会. 2000中国控制与决策学术年会论文集.昆明：中国控制与决策学术年会，2000：139-143.［8］刘智勇，苏琮，吴今培.纯滞后工业系统的复合模糊控制［J］.自动化仪表，1998，19（5）：24-26.［9］HO S J，SHU L S，HO S Y. Optimizing fuzzy neural networks for tuning PID controllers using an orthogonal simulated annealing algorithm OSA［J］. IEEE Transactions on Fuzzy Systems，2006，14（3）：421-434.［10］张国良，邓方林.模糊控制及其MATLAB应用［M］.西安：西安交通大学出版社，2002. ［11］林国汉，李晓秀.模糊自整定PID控制器设计与仿真［J］.湖南工程学院学报，2008，18（3）：16-18.［12］刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真［M］.北京：电子工业出版社，2011.。

史密斯预估PID控制算法研究及其在DCS中的实现

史密斯预估PID控制算法研究及其在DCS中的实现

史密斯预估PID控制算法研究及其在DCS中的实现胡艳;郭钛星;韩璞【期刊名称】《计算机仿真》【年(卷),期】2016(033)005【摘要】随着工业生产规模和复杂程度的不断增大,大迟延系统在工业生产过程中比较常见但又难以控制,一直是控制界关注的研究方向.在利用传统PID控制系统对大迟延对象进行控制的时候,得不到理想的控制效果,针对这类对象一般采用Smith 预估算法.Smith预估算法对于大迟延系统的控制已经较为成熟,但由于控制设备发展较慢,Smith算法尚未被加入到DCS中.如今,在火电、化工行业中DCS已被普遍使用,因此有必要在DCS上加入Smith预估算法以解决控制调节速度慢、超调量大等问题.通过在DCS中加入Smith预估PID控制器,对大迟延系统进行控制研究的结果表明,Smith预估PID控制算法可以取得更好的控制效果.【总页数】4页(P409-412)【作者】胡艳;郭钛星;韩璞【作者单位】华北电力大学河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心,河北保定071003;山西国际能源集团有限公司,山西太原030002;华北电力大学河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心,河北保定071003【正文语种】中文【中图分类】TP391.9【相关文献】1.DC/DC变换器预测函数PID控制算法研究 [J], 丁烨;车红军;郭伟斌;葛芦生2.基于ABB DCS的变参数PID控制算法研究 [J], 郭南3.史密斯预估PID控制在I/A's集散控制系统上的应用 [J], 陈卫红;刘先广;张伟勇4.DC-DC变流器系统的LQR-PID控制算法研究 [J], 张悦;魏克新;欧阳紫威5.史密斯预估补偿控制与PID控制的比较研究 [J], 陆萍蓝;张火明;毛汝东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。