史密斯预估控制系统设计
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过程控制工程作业史密斯预估控制系统仿真院系:信息工程学院专业:2012级自动化******学号:*******指导老师:张*中央民族大学史密斯补偿控制纯滞后补偿控制的基本思路是:在控制系统中某处采取措施(如增加环节,或增加控制支路等),使改变后系统的控制通道以及系统传递函数的分母不含有纯滞后环节,从而改善控制系统的控制性能及稳定性等。
1.纯滞后补偿的基本原理如下图1.1所示图1.1 纯滞后补偿基本原理图令增加补偿后的传递函数为:则得:()(1)()s p G s e G s -τ=-()p G s 即为消除滞后所采用的补偿函数通过图1.1所示附加并联环节()p G s 的补偿处理,在()X s 和()Y s 之间传递函数不再表现为滞后特性。
2.史密斯滞后补偿控制史密斯提出的补偿方案如图1.2所示,虚框线部分为smith 预估器。
图1.2 史密斯补偿控制系统方框图系统传递函数为:()()()e ()1()()c p s c p G s G s Y s X s G s G s -τ=+可见,经补偿后,传递函数特征方程中已消除时间滞后项,也就是消除了时滞对系统控制品质的影响。
3.史密斯补偿控制仿真史密斯补偿控制综合仿真实例。
采用史密斯补偿控制方法对恒温箱的恒温过程进行控制。
其中,输入为燃油量,输出为温度。
(1)建立系统数学模型利用系统识别方法,得到系统数学模型为:所以,系统Smith补偿控制方框图如图1.2所示。
图中代表控制调节器传递函数。
经补偿后广义被控对象为:(2)无调节器时,开环系统稳定性分析式(1-1)表示为广义被控对象的Bode图如图1.3所示。
[程序:Smith_1.m]图1.3 广义被控对象Bode图可见,广义被控对象开环稳定幅值裕量为无穷大,相角裕量为120。
(3)系统控制参数整定由图1.3可知系统采用比例控制时,取任何值构成的闭环系统均稳定。
所以,本被控对象不能采用稳定边界法整定边界法整定系统参数。
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。
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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。
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)()(1)()()1)(()(1)()(1)1)(()(1)()()()(p p p p p p s G s D e s G s D e s G s D e s G s D e s G s D e s G s D s R s Y s s s s+=−++−+=−−−−−ττττ (7-54) 由上式可以明显看出,在系统的特征方程中,已经不含有s e τ−项。
第37卷第4期2023年7月兰州文理学院学报(自然科学版)J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t y ofA r t s a n dS c i e n c e (N a t u r a l S c i e n c e s )V o l .37N o .4J u l .2023收稿日期:2023G01G20基金项目:安徽省科学研究重点项目(2022A H 052000,2022A H 052002);安徽三联学院校级平台重点研究项目(K J Z D 2022006)作者简介:夏百花(1981G),女,安徽合肥人,副教授,硕士,研究方向为自动化.E Gm a i l :55379775@q q.c o m.㊀㊀文章编号:2095G6991(2023)04G0059G05基于S m i t h 预估模糊P I D 的控制温度系统的设计与仿真夏百花,蒋龙云(安徽三联学院电子电气工程学院,安徽合肥230601)摘要:针对工业生产控制过程中的温度非线性㊁滞后大等缺点,设计了一种基于S m i t h 预估算法的模糊P I D 控制器.以一阶加滞后系统为例,通过对常规P I D 控制算法㊁S m i t h 预估控制算法和模糊P I D 控制算法的理论分析研究,提出了一种将S m i t h 预估控制和模糊算法相结合的控制方案应用于温度控制系统,并用S i m u l i n k 对温度控制系统进行仿真,得出常规P I D 控制算法对于滞后较大的系统无法适用,而采用S m i t h 预估模糊P I D控制算法的上升时间和调节时间分别减小了1s 和2s .实验结果表明:基于S m i t h 预估的模糊P I D 控制算法在响应速度和调节过程中具有更大的优势.关键词:S m i t h 预估;模糊P I D ;大滞后中图分类号:T P 13㊀㊀㊀文献标志码:AD e s i gna n dS i m u l a t i o no f T e m p e r a t u r eC o n t r o l S y s t e mB a s e do nS m i t hE s t i m a t eF u z z y PI D X I A B a i Gh u a ,J I A N GL o n gGY u n (S c h o o l o fE l e c t r o n i c a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,A n h u i S a n l i a nU n i v e r s i t y,H e f e i 230601,C h i n a )A b s t r a c t :I nv i e wo f t h e s h o r t c o m i n g s o f t e m p e r a t u r e i n i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n c o n t r o l pr o c e s s ,s u c ha s n o n l i n e a r i t y a n d l a r g ed e l a y ,a f u z z y P I Dc o n t r o l l e rb a s e do nS m i t h p r e d i c t i o na l g o Gr i t h m w a s d e s i g n e d .T a k i n g t h e f i r s t Go r d e r p l u s d e l a y s y s t e ma s a n e x a m p l e ,t h r o u gh t h e t h e Go r e t i c a l a n a l y s i s a n dr e s e a r c ho f c o n v e n t i o n a lP I Dc o n t r o l a l g o r i t h m ,S m i t he s t i m a t ec o n t r o l a l g o r i t h ma n d f u z z y P I Dc o n t r o l a l g o r i t h m ,t h i s p a p e r p r o p o s e d a c o n t r o l a l go r i t h mt h a t c o m Gb i n e dS m i t h e s t i m a t e c o n t r o l a n d f u z z y a l g o r i t h mt o a p p l y t o t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s ys t e m ,a n du s e dS i m u l i n kt os i m u l a t e t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l s ys t e m ,a n dc o n c l u d e dt h a t t h ec o n Gv e n t i o n a l P I Dc o n t r o l a l g o r i t h m w a sn o t a p p l i c a b l e t o t h e s y s t e m w i t h l a r g ed e l a y ,T h e r i s e t i m e a n d a d j u s t m e n t t i m e o f t h eS m i t he s t i m a t e f u z z y P I Dc o n t r o l a l g o r i t h m w e r e r e d u c e db y1s a n d 2s r e s p e c t i v e l y .T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e f u z z y P I Dc o n t r o l a l g o r i t h m b a s e do nS m i t h p r e d i c t i o nh a d g r e a t e r a d v a n t a g e s i n r e s p o n s e s p e e d a n d r e gu l a t i o n p r o c e s s .K e y w o r d s :S m i t he s t i m a t e ;F u z z y P I D ;l a r g e d e l a y ㊀㊀工农业生产控制过程中,温度控制约占据工业控制系统的70%以上,但这些被控对象普遍存在一些较为复杂的因素,如动态特性复杂㊁非线性㊁干扰强㊁滞后时间较大等[1].若采取简单控制系统且控制器采用常规P I D 控制时,对温度的控制效果并不是很理想,因此必须寻求更加先进且有效的控制方法.1㊀Smtih预估模糊PID控制算法的理论基础1.1㊀控制系统数学模型建立一般情况下,温度控制系统都具有非线性㊁时滞大等特点,为了简化温度控制系统的数学模型,可近似用一阶惯性加纯滞后环节或二阶系统加纯滞后环节来表示.在本文中,温度控制系统的数学模型用一阶系统进行简化,假设其传递函数可表示为G(s)=K0T0s+1e-τs=G0(s)e-τs,(1)其中:K0表示被控对象的静态增益;T0表示被控对象的惯性时间常数;τ表示被控对象的滞后时间常数.在大多数被控过程的动态特性中,通常用τ/T的比值大小作为衡量被控过程纯滞后的严重程度,若τ/T<0.3,被称为一般滞后过程,对于这类系统,使用常规的P I D控制算法就可得到满意的控制效果;若τ/T>0.3,则称为大滞后过程,此类系统需采用较为复杂的控制算法进行控制.本文中所讨论的被控对象为大滞后过程,即τ/T>0.3的温度控制系统.1.2㊀Smith预估模糊PID控制算法理论基础对于大多数定值控制系统来说,需要将被控对象的实时参数与设定值之间进行比较得到偏差,然后根据偏差的大小送入控制器中进行控制,其控制规律通常选用常规P I D(比例㊁积分㊁微分)控制算法,优点在于其原理简单,易于参数整定, P㊁I㊁D3个参数之间相互分离㊁互不干扰,且在分析系统时,也不需要对系统进行复杂的建模分析和处理.随着工业生产过程中控制系统对精度要求的不断提高和被控对象的日益复杂,特别是滞后较大的系统来说,常规的P I D控制算法已经无法满足系统所需的稳定性和精度要求.为了解决这种情况,本文主要以模糊控制算法为基础,采用基于S m t i h预估算法的模糊P I D控制算法对温度系统实施更加精确的控制.(1)反馈控制算法理论基础反馈控制算法是指系统的输出直接作用于系统的输入端,与输入信号进行比较产生偏差后送入控制器中发出控制信号[5],其模型如图1所示.由图1可知系统输出量Y(s)为Y(s)=G c(s)G v(s)G(s)1+G c(s)G v(s)G(s)X(s).(2)图1㊀反馈控制系统模型㊀㊀系统的特征方程为:D(s)=1+G c(s)G v(s)G(s)=1+G c(s)G v(s)G0(s)e-τs=0,由于被控对象中存在着滞后环节e-τs项,因此会对系统的稳定性带来不利影响.(2)S m i t h预估控制算法理论基础S m i t h预估控制是一种针对于纯滞后系统设计的控制策略,其系统模型如图2所示.其基本思想[2]是:首先预先估计出被控过程的动态模型,然后引入一个和被控对象相并联的补偿器对被控对象的纯滞后时间进行补偿,使得被滞后了τ时间的被控量提前反馈到控制器的输入端,致使控制器提前发出动作,以减小系统超调,进而加速整个调节过程,从而对纯滞后时间进行削弱和消除.图2㊀S m i t h预估控制系统模型㊀㊀由图2可知此时的闭环传递函数为Y(s)X(s)={G c(s)G v(s)G0(s)e-τs}/{1+G c(s)G v(s)G0(s)e-τs+G c(s)G v(s)G0(s)(1-e-τs)}=G c(s)G v(s)G0(s)e-τs1+G c(s)G v(s)G0(s).(3)从闭环传递函数可以看出,系统的特征方程D(s)=1+G c(s)G v(s)G0(s)=0中已没有了e-τs 纯滞后项,即该系统与原系统相比已经消除了纯滞后对闭环系统稳定性的影响.(3)模糊P I D控制算法理论基础将S m i t h预估算法㊁常规P I D控制算法与模糊算法相结合就组成了模糊P I D控制算法,其控06㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第37卷制系统模型如图3所示.图3㊀模糊P I D 控制系统模型㊀㊀本文选择的是目前使用较广泛的二维模糊P I D 控制器[3].将模糊P I D 温度控制系统的给定温度X (s )与测量温度Y (s )之间的偏差记为E ,偏差变化率d e /d t 记为E C .将E 和E C 作为二维模糊控制器的输入变量,其输出变量为P I D 控制器的参数K p ㊁K i ㊁K d 的修正量ΔK p ㊁ΔK i ㊁ΔK d .假定E 和E C 的模糊论域为[-5,5],ΔK p ㊁ΔK i ㊁ΔK d 的模糊论域均为[-3,3],系统各参数论域如表1所列.表1㊀系统各参数论域表变量EE CΔK pΔK iΔK d基本论域[-10,10][-2,2][-1.5,1.5][-1.5,1.5][-3,3]模糊论域[-5,5][-5,5][-3,3][-3,3][-3,3]量化因子0.50.40.50.51㊀㊀采用七段式模糊的方法将输入变量和输出变量分解成7个模糊子集[4],其语言变量分别为:正大(P B )㊁正中(P M )㊁正小(P S )㊁零(Z O )㊁负小(N S )㊁负中(NM )和负大(N B ).常用的隶属度函数主要分为3类,即S 形(S M F )隶属函数㊁Z 形(Z M F )隶属函数和三角形(T R I M F )隶属函数,由于目前还没有较为成熟的方法来确定每个系统的具体隶属函数,因此本文选取计算量小㊁灵敏度高且稳定性好的三角形(T R I M F )隶属函数形作为模糊控制的隶属度函数,其曲线如图4所示.图4㊀E 的隶属度函数㊀㊀根据人的直接思维进行推理,采取系统输出的误差E 及误差的变化趋势d e /d t 来设计减小或消除系统误差的模糊控制规则.当误差E 较大时,在选择模糊控制量时应以减小或消除误差为主,而当误差E 较小但误差变化率变化较大时,模糊控制量的选择则应以在保证系统稳定的前提条件下,防止系统出现超调为主.根据专家和个人经验可得修正量ΔK p ㊁ΔK i ㊁ΔK d 的模糊控制规则如表2~表4所列.为了保证系统的稳定性㊁动态和稳态性能基本要求,由最大隶属度法可知,系统中所需的模糊P I D 控制参数,即比例㊁积分㊁微分的输出结果均在原始P I D 参数的基础上进行修正,其修正公式为K ᶄp =K p +ΔK p ,K ᶄi =K i +ΔK i ,K ᶄd =K d +ΔK d .ìîíïïïï(4)2㊀仿真设计及结果分析假设某一温度控制系统的被控对象的数学模型为G (s )=12s +1e -3s ,(5)其中,静态开环增益K 0为1,时间常数T 0为2s ,滞后时间τ为3s ,由于τ/T =1.5>0.3,因此系统被认定为大滞后系统.本文仿真均采用MA T GL A B 软件中的子模块S i m u l i n k 进行实现,利用其相应模块搭建控制系统原理图,如图5所示.图中点线㊁实线和点划线方框中分别表示常规P I D控制㊁S m i t h 预估控制和S m i t h 预估模糊P I D 控制的原理图.通过示波器观察系统仿真波形,并将3种仿真波形进行比较分析.假设原理图中信号输入模块s t e p 为单位阶跃信号1,代表输入温度值为30度,其阶跃响应曲线如图6所示.图中,实线代表输入信号,长划线㊁点划线㊁虚线分别为常规P I D控制㊁S m i t h 预估控制和S m i t h 预估模糊P I D 控制的系统响应曲线.从图中可以看出,不管是哪种控制方式,系统总是在滞后时间3s 后才开始作出响应.16第4期夏百花等:基于S m i t h 预估模糊P I D 的控制温度系统的设计与仿真表2㊀ΔK p模糊控制规则E E CN B P B P B P B P B P M P S0NM P B P B P B P B P M00N S P M P M P M P M0P S P S 0P M P M P S0N S N S NM P S N S N S0N S NM NM NM P M N S0N S NM NM NM N B P B00NM NM NM N B N B表3㊀ΔK i模糊控制规则E E CN B N B N B NM NM N S00NM N B N B NM N S N S00N S N B NM N S N S0P S P S 0NM NM N S0P S P M P M P S NM N S0P S P S P M P B P M00P S NM P M P B P B P B00P S P M P M P B P B表4㊀ΔK d模糊控制规则E E CN B P S N S N B N B N B NM P S NM P S N S N B NM NM N S0N S0N S NM NM N S N S000N S N S N S N S N S0P S0000000P M P B P S P S P S P S P S P B P B P B P M P M P M P S P S P B㊀㊀被控对象中由于τ/T=1.5>0.3,属于大滞后系统,从图6中可以看出,在常规P I D控制下,无论P,I,D取何值,系统的输出都无法达到一个稳定值,因此无法保证系统的稳定性要求,同时也可以看出常规P I D控制算法对于滞后较大的系统不适用.将S m i t h预估控制和S m i t h预估模糊P I D 控制的响应曲线从计算上升时间㊁调节时间和稳态误差3个参数进行对比分析,其结果如表5所列.由于此被控对象是一阶加纯滞后环节,因此系统响应过程中没有超调现象出现.从表5的数据可以看出,不管控制器采用S m i t h预估控制和S m i t h预估模糊P I D控制中哪一种算法,系统都可以在一段时间后进入稳定状态,且稳态误差几乎相同,但是动态过程则有所不同,与单纯的S m i t h预估控制算法相比,本文控制算法上升时间减小了1s,调节时间减小了2s,即后者响应速度更快,系统的动态调节过程就越快.表5㊀阶跃响应曲线参数对比算法上升时间/s调节时间/s稳态误差S m i t h预估控制1.530.02S m i t h预估模糊P I D控制0.510.023㊀结语本文提出了一种将S m i t h预估控制算法和模糊控制理论相结合的P I D控制解决方案,实现了对工业温度控制系统中所需温度的精确控制.26㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第37卷图5㊀系统仿真原理图图6㊀阶跃响应曲线从仿真结果可以看出,对于滞后较大的系统来说,常规P I D 控制算法已经无法保证系统稳定性的基本要求,与S m i t h 预估控制算法相比,本文方案在系统的响应速度和动态调节过程持续的时间上具有较大优势,可广泛适用于控制系统中滞后较大的情况,这对于工业控制中的温度控制向更加智能化㊁快速化的方向发展具有重要意义.参考文献:[1]潘永湘,杨延西,赵跃.过程控制与自动化仪表[M ].第2版.北京:机械工业出版社,2007.[2]张皓,高瑜翔.前馈反馈S m i t h 预估模糊P I D 组合温度控制算法[J ].中国测试,2020,46(11):132G138,168.[3]吕宝传,高晓红,董帅帅.基于变论域模糊P I D 的供热系统设计和仿真[J ].吉林建筑大学学报,2021,38(6):75G79.[4]张峰,王强.基于模糊粒子群P I D 算法的温控系统研究[J ].电子测量技术,2022,45(33):109G114.[责任编辑:李㊀岚]36第4期夏百花等:基于S m i t h 预估模糊P I D 的控制温度系统的设计与仿真。
史密斯预估控制策略在厚规格轧制中的应用史密斯预估控制(Smith Predictor Control)是一种经典的控制策略,主要用于处理存在传输延迟的系统。
在厚规格轧制中,轧机控制系统面临着多种挑战,包括传输延迟、不确定性和非线性。
史密斯预估控制策略可以帮助解决这些挑战,并改善轧机生产性能。
在厚规格轧制中,通常需要对板材实施厚度控制。
然而,由于传输延迟的存在,控制器接收到的输入信号可能已经过时,导致控制器无法实时调整输出。
史密斯预估控制策略通过预估被控对象的输出,使得控制器能够更准确地估计未来的状态,并相应地调整输出信号。
这种预估可以通过传输延迟和系统模型来实现。
首先,需要建立被控对象的数学模型。
该模型需要考虑到厚规格轧机的物理特性和传输延迟。
通常采用状态空间模型或传递函数模型来描述轧机控制系统。
然后,根据模型,使用史密斯预估器来预估该系统的未来状态。
史密斯预估器由两部分组成,即传输函数预估器和状态预估器。
传输函数预估器根据已知的传输延迟和系统模型预估未来的输出。
状态预估器则根据传输函数预估器的输出以及系统模型预估未来的状态。
两者结合起来,可以提供一个准确的未来状态估计值,从而使控制器能够及时调整输出。
在史密斯预估控制策略中,控制器的设计也非常关键。
控制器需要根据实时的状态估计值和期望的输出信号来计算出最优的控制输出。
常用的控制器设计方法包括PID控制和模型预测控制。
PID控制是一种经典的控制方法,通过调整比例、积分和微分增益来实现控制目标。
模型预测控制则是在史密斯预估的基础上,通过优化控制计算来实现优化控制。
在厚规格轧制中,史密斯预估控制策略的应用可以带来多项优势。
首先,它可以处理传输延迟和不确定性,提高控制系统的鲁棒性和稳定性。
其次,它可以提供准确的未来状态预测,使控制器能够及时调整输出信号,从而实现更好的控制性能。
此外,史密斯预估控制还可以适应非线性系统,并根据实际情况进行调整和优化。
总之,史密斯预估控制策略在厚规格轧制中具有广泛的应用前景。
史密斯预估补偿控制及matlab仿真
史密斯预估补偿控制是一种常用的控制方法。
在控制系统中,史
密斯预估补偿器通过对系统进行预估来消除系统的时滞。
这种技术主
要适用于具有较长时滞的控制系统,如化工系统和电力系统。
Matlab是一种优秀的数学软件,可用于分析和仿真控制系统。
在史密斯预估补偿控制中,Matlab可以用于实现控制系统的建模和仿真。
控制系统的建模包括将系统的物理过程转化为数学方程。
这些方
程可以描述系统的行为和特性。
通过使用Matlab,可以轻松地将这些
方程转化为计算机可读的形式,并用于系统的仿真。
控制系统的仿真可以帮助工程师更好地理解系统的行为和特性。
通过在Matlab中设置控制算法并输入系统的参数,可以模拟系统的行为。
这可以帮助设计者优化控制算法并测试其性能。
总之,史密斯预估补偿控制及其在Matlab中的仿真是现代控制
工程师的重要研究内容。
它们使得设计者能够更好地理解和优化控制
系统的行为和性能。
8-1 题目要求:被控对象的传递函数为()01se 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 1111110.1810.819Ts Te G s Z s s zz z Z z z ez ---⎡⎤-=⎢⎥+⎣⎦⎡⎤=--⎢⎥--⎣⎦=- 1.2 设计辅助调节器()()()()5r P 556510.18110.8190.1810.1810.819D 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()1P 1K 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()()121K 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()0.5D s s=。
1.4 由D (s )求D (z )(采用双线性变换法)()()()2110.50.0511z s T z D z Z D s s z z -=+=⎡⎤⎣⎦=+=- ()()()()0.0511U 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。
(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: 5100.51.5(),()(1)(0.81)(1)(0.41)ssGseGsessss
8810.5(),()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)ssGseGsessss
581.52(),()(1)(0.21)(0.81)(0.21)ssGseGsessss
5512(),()(0.81)(0.31)(0.81)(0.21)ssGseGsessss
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。 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 序号 内容 天数 1 布置任务,熟悉课题要求 0.5 2 总体方案确定,硬件电路设计 1.5 3 熟悉实验箱及C语言开发环境,研读范例程序, 1 4 控制算法设计 1 5 软件编程,调试 1 6 实验 1 7 总结,撰写课程设计报告 1
七、课程设计报告内容: 总结设计过程,写出设计报告,设计报告具体内容要求如下: 1.课程设计的目和设计的任务。 2.课程设计的要求。 3.控制系统总框图及系统工作原理。 4.控制系统的硬件电路连接图(含被控对象),电路的原理。 5.软件设计流程图及其说明。 6.电路设计,软件编程、调试中遇到的问题及分析解决方法。 7.实验结果及其分析。 8.体会。 第 二 部 分 课 程 设 计 报 告 目 录 1 课题简介 ....................................................................................................................................................................... 1 1.1 课题的目的,任务,要求 .................................................................................................................................... 1 1.2 课程设计内容 ..................................................................................................................................................... 1 1.3 课程设计要求 ..................................................................................................................................................... 1 2 史密斯预估控制系统方案设计 ...................................................................................................................................... 2 2.1史密斯预估控制器的介绍 ..................................................................................................................................... 2 2.2 控制系统框图及闭环工作原理 ............................................................................................................................. 2 3 史密斯预估控制系统硬件电路设计 ................................................................................................................................. 3 3.1总体硬件电路图 ................................................................................................................................................... 3 3.2 A/D采样电路 ....................................................................................................................................................... 3 3.3 输入双极性的实现 ............................................................................................................................................... 3 3.4 D/A输出双极性的实现 ......................................................................................................................................... 4 3.5 A/D、D/A端口地址的转换 ................................................................................................................................... 5 3.6 给定被控对象的电路实现 .................................................................................................................................... 5 4 史密斯预估控制系统控制算法设计 ................................................................................................................................. 6 4.1 史密斯预估控制的基本原理 ................................................................................................................................. 6 4.2 史密斯预估控制的算法实现 ................................................................................................................................. 6 4.2.1 史密斯预估器 ........................................................................................................................................... 6 4.2.2计算公式推导 ............................................................................................................................................ 7 5 史密斯预估控制软件编程设计 ........................................................................................................................................ 8 5.1各程序流程图及其主要功能 .................................................................................................................................. 8 5.1.1主程序流程图及其功能 .............................................................................................................................. 8 5.1.2定时中断程序流程图及其功能 .................................................................................................................... 9 5.1.3外部中断程序流程图及其功能 .................................................................................................................... 9 5.2 重要程序的实现 ................................................................................................................................................ 10 5.2.1 function程序 .......................................................................................................................................... 10 6 史密斯预估器的MATLAB仿真 ................................................................................................................................... 11 6.1 史密斯预估器的simulink仿真方框图 .............................................................................................................. 11 6.2 PID参数设置 ................................................................................................................................................... 11 7 实验与结果分析......................................................................................................................................................... 12 7.1上机调试结果 .................................................................................................................................................... 12 7.1.1采用零阶保持器离散化时的输出波形 ........................................................................................................ 12 8小结与体会 .................................................................................................................................................................. 13 参 考 文 献 ................................................................................................................................................................... 14 附录 .................................................................................................. 15