大纯滞后过程特性Smith预估控制

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：GPC(s)?1(s?3)(2s?1)e?10s，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GPC(s)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

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kind of Smith prediction control algorithm, and adapt to adjust the parameter through the design adaptive nonlinear feedback loop, and meet the requirements of an object parameter changes greatly.

Key words：Matlab; Pure time-delay; Smith estimated controller; Simulink

1纯滞后产生的主要原因

1.物料及能量在管道或者容器中传输及运送需要时间；

2.物质反应、能量的释放及能量交换需要一定过程和时间；

3.设备和设备之间的串联需要许多的中间环节；

4.测量装置的响应时间；

5.执行机构的动作时间；

在控制对象调节通道、测量装置及执行机构等环节存在纯滞后时，控制系统闭环特征方程中就存在纯滞后因子，而且存在纯滞后的环节较多时,系统滞后时间也将随之增加。因此明显降低了系统的稳定性，而且纯滞后时间越长，系统稳定性就越差。由于纯 滞后的存在，调节作用不及时，导致被调节系统的动态品质下降。纯滞后越大，则系统的动态品质越差。

2史密斯预估器原理

2.1史密斯预估器补偿原理

在单回路控制系统中，控制器的传递函数为D(s)，被控对象传递函数为Gp(s)e-ts，被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Gp(s)，被控对象纯滞后部分的传递函数为e-ts

。则系统的闭环传递函数为

(1) 由式(1)可以看出，系统特征方程中含有纯滞后环节，它会降低系统的稳定性。

史密斯补偿的原理是：与控制器D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节传递函数为G-ts

p(s)(1-e)，t为纯滞后时间，补偿后的系统如图1所示。

图1 史密斯补偿后的控制系统

由控制器D(s)和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为

(2)

根据图1可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为

(3)

由式(3)可以看出，经过补偿后，纯滞后环节在闭环回路外，这样就消除了纯滞后环节对系统稳定性的影响。拉氏变换的位移定理说明e-?s仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间?，而控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为Gp(s)时完全相同。

2.2史密斯预估器的计算机实现

由图1可以得到带有史密斯预估器的计算机控制系统结构框图，如图2所示。

图中，H0(s)为零阶保持器，带零阶保持器的广义对象脉冲传递函数为

G‘(z)为被控对象中不具有纯滞后部分的脉冲传递函数，N＝?/T，?是被控对象纯滞后时间，T是系统采样周期。

图2 史密斯补偿计算机控制系统

D(z)就是要在计算机中实现的史密斯补偿器，其传递函数为

②具有纯滞后环节对控制效果的影响

滞后时间为10，PI参数保持不变，阶跃输入信号

(4)

对于控制器D(z)，可以采用如下方法确定：不考虑系统纯滞后部分，先构造一个无时间滞后的闭环系统(见图3)，根据闭环系统理想特性要求确定的闭环传递函数为Φ(z)，则数字控制器D(z)为

’

(5)

可见使用整定的控制器无法正常工作。 3.2构建smith预估控制系统

图3 理想闭环系统

3纯滞后对控制效果的影响 3.1系统仿真图

①在没有纯滞后时整定调节器PI参数

①预估模型无偏差时，在无扰动信号情况下输出波

滞后时间为0，PI整定参数P=4.7，I=3.9，阶跃输入信号

形

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