Smith预估器在大迟延系统中的应用
大时滞系统的模糊-smith控制
西安邮电学院毕业设计（论文）题目：大时滞系统的模糊-smith控制院（系）：自动化学院专业：自动化班级：自动化0804班学生姓名：耿宗杰导师姓名：魏秋月职称：讲师起止时间： 2012年 03月 06日至 2012年 06月 11日西安邮电学院毕业设计(论文)任务书学生姓名耿宗杰指导教师魏秋月职称讲师院（系）别自动化学院专业测控技术与仪器题目大时滞系统的模糊-Smith 控制任务与要求分析采用常规模糊控制的大时滞系统控制性能不佳的原因,研究适合大时滞系统的模糊-Smith 控制策略，并对控制算法进行仿真。
算法应用于大时滞系统控制时应具有较好的性能,且对于时滞参数大范围变化的系统应具有良好的鲁棒性。
开始日期2010年12月10日完成日期2012年6月25日院长(签字) 201112 月 6 日西安邮电学院毕业设计 (论文) 工作计划学生姓名耿宗杰指导教师___魏秋月_ 职称_ 讲师_____院（系）别____自动化学院_____专业__自动化 __ 题目__________________________________________________大时滞系统的模糊-Smith 控制工作进程起止时工作内容3月19日～3月26日收集资料，撰写、提交开题报告3月27日～4月11日方案论证与确定4月12日—4月26日学习、熟悉模糊逻辑工具箱和SIMULINK仿真工具的使用4月27日—5月11日设计模糊-Smith控制器5月12日—5月19日系统仿真和结果分析5月20日—6月4日撰写论文6月3日—6月10日修改、装订论文，准备答辩6月11日—6月18日准备答辩主要参考书目(资料)1. 楼顺天, 胡昌华, 张伟.基于 MATLAB 的系统分析与设计—模糊系统.西安: 电子科技大学出版社, 1998.2. 席爱民.模糊控制技术. 西安: 电子科技大学出版社, 2008.3. 郑恩让，聂诗良. 控制系统仿真. 北京: 中国林业出版社， 2006.计算机、MATLAB 软件每周三为固定答疑时间，其余时间有问题时电话联系地点：教研室或测控实验室无主要参考书目(资料) 主要仪器设备及材料论文(设计)过程中教师的指导安排对计划的说明西安邮电学院毕业设计(论文)开题报告自动化学院自动化专业 08 级 04 班课题名称：大时滞系统的模糊_Smith控制学生姓名：耿宗杰学号：06071108指导教师：魏秋月报告日期： 2012-3-221．本课题所涉及的问题及应用现状综述涉及的问题：本题目针对普通模糊控制的大时滞系统控制性能不佳的原因，研究了一种适合大时滞系统的模糊_Smith控制策略。
Smith预估算法在计算机控制系统中的应用
Ｎａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｔ ｉ ｍｅ ｄｅห้องสมุดไป่ตู้ｌ ａ ｙ；Ｓ ｍｉ ｔ ｈ ｐｒ ｅ ｄｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ；ＰＩ Ｄ ；ｃ ｏ ｍｐｕ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ
在很 多 工 业 过 程 （ 如热工、 化工过程 ） 中， 由于
得 到较 为直 观 的监 控界 面。将 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ预估 器 与 Ｐ Ｉ Ｄ
容积或传输延迟 ， 使得被控对象具有纯滞后特性 ， 这
种 纯 滞后 对 系统 的控 制 性 能 具 有 较 大 的影 响 ， 严 重 时甚 至会 破 坏系 统 的稳 定 性 。纯滞 后时 间 Ｔ 与 系 统
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｐ ２ 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ２ — ４ ３ ０ ５ ． ２ ０ １ ４ ． ０ １ ． Ｏ １ １
时变大时滞系统的控制方法综述
时变大时滞系统的控制方法综述1 引言在化工、炼油、冶金、玻璃等一些复杂的工业过程当中,广泛地存在着大时滞现象。
由于时滞的存在,使得被控量不能及时地反映系统所承受的扰动,从而产生明显的超调,使得控制系统的稳定性变差,调节时间延长,对系统的设计和控制增加了很大的困难。
而时变时滞的特性则使得问题更加复杂,因而对此类问题的研究具有重要的理论和实际意义。
自从1957年Smith首次提出针对时滞系统的预估控制方法以来,许多学者在这一领域进行了广泛而深入的研究,相继提出了许多行之有效的控制方法。
根据对专统数学模型的依赖程度的不同,这些方法大致可以分为自适应控制和智能控制两大类。
本文即对此进行了总结介绍,分析了各种控制方法的优点及其所存在的局限性,并且探讨了该领域今后的发展方向。
2 Smith预估器Smith预估器是得到广泛应用的时滞系统的控制方法。
该方法的基本思路是:预先估计出系统在基本扰动下的动态特性,然后由预估器对时滞进行补偿,力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器,使调节器提前动作,从而抵消掉时滞特性所造成的影响:减小超调量,提高系统的稳定性$加速调节过程,提高系统的快速性。
Smith预估器的原理如图1所示。
图1 Smith预估器控制框图从理论上分析,Smith预估器可以完全消除时滞的影响,从而成为一种对线性、时不变和单输入单输出时滞系统的理想控制方案。
但是在实际应用中却不尽人意,主要原因在于:Smith预估器需要确知被控对象的精确数学模型,而且它只能用于定常系统。
这一条件事实上相当苛刻,因而影响了Smith预估器在实际应用中的控制性能。
在Smith预估器的基础上,许多学者提出了扩展型的或者改进型的方案,这些方案包括:多变量Smith预估控制,非线性系统的Smith预估器,改进的Smith预估器。
这些方法由于并没有减小对系统数学模型的依赖程度,因而同样也具有很大的局限性。
3 自适应控制方法对大多实际控制过程而言,被控对象的参数在整个被控过程中不可能保持定常,对于这一类系统,如果采用常规的控制方法,不仅控制性能会变差,而且还会造成系统发散,然而利用自适应技术却可以获得比较满意的控制效果。
Smith预估补偿器在过热蒸汽温度控制系统系统中的应用
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。
基于Smith预估器的大时滞系统控制方法研究与仿真
传统Smith预估器实质上是一种模型补偿控
制，采用补偿原理，将过程对象的纯滞后环节从 系统特征方程中消除，从而改善对时滞过程的控 制效果。 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
Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2010.08.56
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。
基于Smith预估器的大时滞系统控制方法研究与仿真
The study and simulation on the control methods in large time delay system based on Smith predict国防工业职业技术学院，西安 710300）
采用双控制器方案，构成双自由度Smith预估
图3 双自由度Smith预估器结构示意图 【178】 第32卷 第8期 2010-8
大滞后系统Smith预估器的控制仿真
大滞后系统S m i t h预估器的控制仿真-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN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：U(s)Y(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=2.2T=200τ=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=20.9sGc(s)KsGs(s)用MATLAB中的Simulink仿真工具箱仿真。
TransportDelay1TransportDelay2.2200s+1Transfer Fcn22.2200s+1Transfer Fcn12.2200s+1Transfer FcnStepScope1sIntegrator20Gain2-K-Gain12.4Gaindu/dtDerivative１．其中K Tτ变化5%，其中K=2.31T=210τ=63时。
TransportDelay1TransportDelay2.31210s+1Transfer Fcn22.31210s+1Transfer Fcn12.31210s+1Transfer FcnStepScope1sIntegrator20Gain2-K-Gain12.4Gaindu/dtDerivative其中K T τ变化-5%，其中K=2.09 T=190 τ=57时。
航空发动机大延迟系统Smith预估补偿模糊PID控制算法
究热点和难点 ， 由于延迟 的存在使得系统 的稳定时
间和超调量增大 ， 震荡加剧 ； 同 时 减 小 了系 统 的 相 角稳 定裕 度 甚至 导致 系统 不稳 定 ［ ］ 。
的最大推力 ，在保证低压压气机稳定工作的基础上
根 据低压 压 气机转 子 的换 算转 速 ‰ 对低 压压 气 机 进 口导流 叶片角度 （ ９ ／ 进行 调节 。该 通道 的数字式 控 制 器在 试 车 过程 中出现 了参数 摆 幅 较大 的现 象 ， 经 过判读 试 车数 据认定 该通道存 在较 大的延迟 。
ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｒ ｏ ｂ ｕ ｓ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ｂ ｙ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｓ ｍｉ ｔ ｈ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｏ ｒ ．
ＹＡＮ Ｔ ｏ ｎ ｇ ， ＹＩ Ｚ ｈ ｅ ｎ — ｇ ｕ ｏ ， ＺＨＡＮＧ Ｊ ｉ ｎ － ｐ ｅ ｎ ｇ ２ ， Ｚ ＨＡＩ Ｘｕ － ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ
（ １ ． Ｍ ｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｒ ｙ Ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｏ ｆ ｉ ｆ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｎ ｏ ． １ １ ４ ￡ ０ ｒ ｙ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ７ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｕ ｎ ｉ ｔ ９ ３ ６ １ ９ ｏ ｆ Ｐ Ｌ Ａ，
Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ３ ０ ０ ４ ０ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ３ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ａ ｉ ｒ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｉｎ ｇ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｘｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ３ ８ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
大滞后系统的Smith在线辨识预估控制的研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｎ ａ ｇ ｉ ｅ ｅ ａ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｎ ｎｌ ｄ ｎｔｆｃ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｏ ｌ ｒ ｅ ｔｍ －ｄ ｌ ｙ ｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｉ ｉ ｅ ｉ ａ ｉ ｎ ｎｅ ｉ
０ 引 言
大多数 的工业过程一般情况下都是稳定的 ， 过去 围绕稳定的过程提 出了许多有效的 控制方法 ， 但是由 于大时滞 的存在严重影响 了系统的控 制效果 和稳定 性， 限制 了可 以达到的带 宽和高增益的使用 ， 导致 系 统的超调 变大 ， 调节时间变长 ， 甚至出现振荡和发散 ， 使时滞过程很难控制。时滞系统的控制问题一直是控 制理论和控制工程实践 中的难点 ， 时滞环节的存在很 大程度上相当于使 系统变成 了无穷 阶， 有无数个闭环 极点 ， 当前施加的控制作用需要经过一段时间才会在 输出上反映出来。根据一般 的理论分析可以得出： 时
Ｔ ｅｒｓｌ ｆｓ ｌ ｉ ｒｔｅｓｃｎ — ｒｅ ｐｕ ｕｅｄ ｌ ｏ ｅ ｏｊｃ ｉ ｒ ｉ ｏｔｅ ｏ ｎｔｅｌ ｍ ｈ ｗ ｔａ ｔｅｏ ｌ ｅ ｈ ｅｕｔ ｏ ｉ ａｏ ｆ ｅｏｄ ｏｄｒ ｌｓｐｒ ｅ ｙｍ ｄ ｌ ｂｅｔ ｗｔ ｏ ｔ ｕ ｒ ｒｉ ａ ｔ ｅｓｏ ｈｔ ｈ ｎｉ ｓ ｍｕ ｔ ｎ ｏ ｈ ａ ｓ ｈ ｗｈ ｒ ｈ ｇｉ ｎ
胡 素 红 ， 建 安 方
（ 东华大学 信息科学与技术学院，上海 ２ １２ ） ０ ６０
摘要 ： 工业过程 中普遍存在大时滞对象 ， 为解决大滞后复杂系统因无法建立精确数学模型而难于控制的问题 ， 将史密斯 （ｍｔ） Ｓ ｉ 预估 ｈ
大时滞过程的神经元Smith预估控制器的设计
为偏差 ， ｄ为学习率 ； ｎ ｓ 为符号函数 。 ｇ
在神经元的学习算法中， 当误差满足差分方程：（±）， ，（）ｅ ｅ １气【 ｅｋ ， ｄ
（＋ ） （）采用式 （） ｋ１］ ｋ。 ｅ １的学 习规则 ， 依 ・的取法 ，（） ） ｅｋ 可以是超线性 的 １ １阶。 ． ８ ２阶， 阶 ， ６ ３ 甚至更高的阶趋于 ０ 。证明如下 ： 设计
林元 正
（ 福建电力职业技术学院， 福建泉州， ２０ ） ３ ０２ ６
摘 要 ： 出一种神 经元 Ｓ ｔ 预估控制器方案 ， 给 ｍｉ ｈ 用于大时滞过程控制。新算 法采用专
家经验实现神经元 ＰＤ的变增益控制 ， Ｉ 改善神经元控 制品质。通过对一阶惯性加 纯滞
单 经 的 入、 出 性 （）∑ 神 元 输 输 特 为ｙ ：
＝ ｌ
ｅｋ １＿（）［ － ｋ １］［ ） （＋）ｅ ＝ｒｙ ＋ ）一ｒ －（ 叫（ ］ ＝ 将（ ） 入式（）可得 ： １ 带 ２， （ ） （） ：
Ａ ｉ Ａ
（＋ ） （ ］ １ ）
取， ａ （） （一 ） （一 ） ［， ， ｋ １］ ｅ １ ｅ ｅ ＝ 则有 ｅｋ １＝ｅｋｅｋ １ （＋ ）ａ （）（－ ）
１ 变增益的神经元 Ｓ ｉ 预估控制器模型及算法 ｍｔ ｈ
１１ Ｓ ｔ ． ｍ ｈ预估控制 ｉ
单神经元控制器可以较好地解决带有纯滞后系统的控制问题 ， 但是
进一步有ｌ（ ）＜／（ ＾ ｅｋ ｌｌ ∞） ａ
在 ＊时 ，（） ， 一 ｅ 一Ｏ算法（） 收敛 的。 １是 本文在取ｆ［， ｋ １， ｋ ］ （ ） ， ｅｋ １＝雠 （） ， ａ ａ （一 ） （）－ ｋ 时 有 （＋ ）（ ］ 取 满 ｅ ｅ － ￣ｅ 足 ：＜ｌ（ ）则算法具有 ２次收敛 阶； ａ ｌｅＯｌ ｌ ， 同时为 了保证学习算法 的收敛性 和鲁棒性 ， 对算法进行规范化处 理。
基于大滞后系统模糊-smith控制的MATLAB仿真
大 滞后系统的一种 模 糊 – smith 控 制 -------基于MATLAB仿真
1.应用背景：
模糊控制
模糊控制器是一种语言控制器，采用 模糊集合论，无需被控对象的精确数学模 型，即能实现良好的控制。 但是传统的模糊控制器对于大时滞系 统稳态精度效果较差，控制动态响应品质 也很差并且易出现振荡。
说明系统时滞造成了模糊输出的控制量 与系统实时所需控制量严重不符，纯滞后 环节 是引起控制信息混乱的根源，这是因 为大时滞系统的控制量要等待很长的一段 时间才会有反映，所以当系统的时滞时间 很大时就会产生控制量过大，从而易产生 振荡。
smith预估法：
特点：预估控制器本身具有预报能力, 能够有效 地克服纯滞后环节对系统稳定性的影响, 还能明 显减少闭环系统的纯滞后的时间, 可以显著加快 系统的响应速度,减少调节时间。 缺点：传统的smith预估控制系统中的控制器是 一个PID控制器，由于PID是基于被控对象精确 模型而设计的，因此对于缺乏精确模型或参数时 变的纯滞后过程难以得到满意的性能。
s
Gd ( s )e
e (5s 1)(4 s 1)
10 s
3.控制算法的发展：
为改善具有大惯性、大滞后环节的非 线性系统的控制品质, 学者们提出了诸如 Dahlin算法、最优控制法、自适应控制法、 预测控制等方法。但其中有些方法需要数 学模型,有些方法需要连续进行系统状态测 量,导致抑制外干扰能力较差,或由于系统 参数和模型相差较大而使系统不够稳定。
基于MATLAB的大延迟系统的PID控制与Smith预估器控制的仿真分析
进行补偿控制 ， 力图使被延迟了
下 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 图２ ｍｔ预估器控制原理图 Ｓ ｉ ｈ 与加速调节过程。 其原理就是在 ＰＤ控制 回路 上再 并联 一个 补偿 回路 ， Ｉ 以此抵 消被 控 对象 的纯 滞后 因素。 被 控对 象 的传递 函数为 设
３ 实 例
下面通过一个实例来说明 Ｐ Ｄ控制器与 Ｓ ｉ 预估器控制的仿真分析。 Ｉ ｍｔ ｈ
已 知某系统的受控对象模型为：。ｓ Ｇ（）＝
丽
ｅ Ｉ ８
Ｐ控器传函为 ＝萼专 Ｉ 制的递数：ｓ 丝 Ｄ Ｇ） （
通过仿真分析 （ 程序与 Ｓ ｉ 预估器控制大致相同， ｍｔ ｈ 只是模型略有差别 ， 故略去） 可得 ＰＤ控制的阶跃 ， Ｉ 响应曲线如图 ４ 所示 ， 同时仿真可知系统的性能指标为 ：
作者 简介 ： 俞倩兰 （９ ２ ） 女 ， １６ 一 ， 浙江杭州人 ， 常熟理工学 院信息与控制工程 系副教授 ， 硕士 。
维普资讯
６ ８
常熟 理工 学 院学报
２０ ０６年
２ Ｓ ｉ 预估 补偿控 制 ｍｔ ｈ
Ｓ ｉ 预估器控制 的基本思 ｍｔ ｈ 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
第６ 期
俞倩兰 ： 于 Ｍ Ｔ Ａ 基 Ａ Ｌ Ｂ的大延迟系统的 ＰＤ控制与 Ｓ ｉ Ｉ ｍｔ ｈ预估器控制的仿真分析
６ ９
ｎ ＝ ［．６ ； ｌ １ ０ ］
Ｓ ￣￥ ｏ Ｇ （） ｏｓ 为除去纯滞后部分对象的特性， 控制器的传递 函数为 Ｇ （）预估补偿器的传递函数为 ｏｓ ， Ｇ（） 则 Ｓ ｉ 预估器控制原理如图２所示。 ， ， ｍｔ ｓ ｈ 由图 ２可得经补偿后 的等
Smith预估器在大迟延系统中的应用
图 3 控制系统仿真曲线
由仿真曲线看出, 经过史密斯预估器后的响应曲 线超调量很小, 调节时间短, 鲁棒性能特别好。
Sm ith 预估器稳定性研究 加入史密斯预估器后的控制系统并不是非常完美 的, 它也存在自身的缺点。史密斯预估器对系统受到 的负荷扰动无所助益, 从史密斯补偿原理来看, 预估 器模型无一不是与掌握过程特性的精度有关, 也就是 对过程动态特性的精确度要求很高。因此, 无论是模 型精度还是运行条件的变化, 都将影响控制效果。所 以, P I D 控制系统承受对象参数的 能力要强于 带有史 密斯预估器的系统。当分别 对被控对象 的参数 、T、 K 进行正负 5% 、 10% 变 化时, 得 到的仿 真响应 曲线 如图 4、 5、 6 所示, 对 和 ts 的具体影响如表 1。 3
Abstrac t : By utilizing the co m pensation cha racte ristic of Sm ith pred ictor m ode , l the dynam ic character istic of process was co m pensa ted by applying Sm ith pred ictor in the feedback loop o f contro lled sy stem in larg e ti m e- de lay syste m, so it overcom e the d isad vantage of la rge ov ershooting and low er speed o f response disturbed by the se ttled v alue when the contro l syste m is in unm ixed P I D con tro, l differential advanced contro , l the inter m ediate feedback control K eyword s : Sm ith predictor ; L arge ti m e- de lay syste m; Robustness
Smith预估器大时滞系统研究资料
摘要大迟延对象的控制一直是控制领域研究的焦点问题。
加热炉温度控制便属于这类复杂的控制对象。
传统的加热炉温度控制系统采用的是原料油出口温度同燃料油流量或同炉膛温度的串级控制，但由于燃料油流量存在波动，使得温度控制效果较差。
而且由于近年来炉膛改造，炉膛容积增大，使得控制系统主副被控对象均存在较大的时间滞后。
对于无滞后或滞后比较小的系统，通常采用PID控制。
对于大滞后系统，PID 控制效果并不好，需要另加补偿，因此提出了Smith预估补偿控制系统。
而 Smith 预估算法则在模型匹配时具有好的性能指标 ,但是由于这种算法严重依赖模型的精确匹配 ,而在实际中这是很难做到的 ,当模型失配时,Smith 预估算法就难以取得良好的控制效果,因此提出了改进型Smith控制系统。
本文研究的重点是设计与实现适用于燃烧控制过程的控制规律和控制算法。
具体讨论了纯滞后系统的Smith预估器及工程实现方法，着重对这种控制算法进行了较深入的讨论，并提出了一种改进型Smith预估控制器，该控制器把自适应控制与史密斯预估器有机地结合起来，实现对控制系统的参数自整定，而且还通过仿真对设计和改进的结果进行了分析。
仿真实验中，若采用PID控制算法，系统会出现较大的超调量，采用史密斯预估补偿控制没有超调量。
若保持控制器和模型的参数不变，改变对象参数，使估计模型与之失配，此时史密斯预估算法出现振荡，系统稳定性被破坏。
改进型Smith算法不仅能够保持系统的稳定，而且振荡次数少，收敛速度快。
关键词:加热炉；增益自适应；史密斯预估器第一章 绪论1.1 研究的背景及意义加热炉温度控制系统为一个大滞后的系统，改变传统的控制方式，采用温度、流量串级控制，并把煤气热值和烟气残氧检测量引入控制系统，对煤气和空气的配比值进行优化、调节，实现了加热炉高效燃烧控制、温度迅速反应控制。
在纯滞后过程中，由于过程控制通道中存在的纯滞后，使得被控量不能及时反映所承受的扰动。
Smith预估模糊自适应PID控制在时滞系统中的应用
Ｏ 引 言
工 业 生产 过 程 中 ，很 多 控 制 系 统 都 存 在 时 滞 现 象 ， 时延 的存 在 会 给 系 统 带 来 相 位 上 的滞 后 ，而 相 位 上 的滞 后 则 是 以气 液 增 力 缸 的 自动 控 制 为 具 体 的 研 究 对
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大滞后控制算法
图2 带纯滞后环节的控制系统等效框图
方案一、史密斯(Smith)预估器
1－e−Ts s
yτ (k )
G ( s（－e−τ s） )1
G ( s)e−τ s
图3 带纯滞后环节的控制系统离散化框图
由上图可见，纯滞后补偿的数字控制器由两 个部分组成：一部分是数字PID控制器；另 一部分是施密斯预估器。
u(k) =u(k −1)+∆u(k) =u(k −1)+Kp [e2(k)−e2(k −1)] +Ke2(k)+Kd [ e2(k)−2e2(k −1)+e2(k −2)] i
方案三、串级控制
以炉温控制为例：
图5 炉温控制系统
假如煤气管道中的压力是恒定的，管道阀门的开度对 应一定的煤气流量，这时为了保持炉温恒定，只需要 测量实际炉温，并与炉温设定值进行比较，利用二者 的偏差以PID控制规律控制煤气管道阀门的开度。
方案三、串级控制
为了及时检测系统中可能引起被控变化的某些因素并 加以控制，本例在炉温控制回路中，增加煤气流量控 制副回路，形成串级控制结构，如图6所示，图中主 控制器D1(s)和副回路控制器D2(s)分别表示温度调节 器TC和流量调节器FC的传递函数。
方案二、大林(Dahlin)算法
大林算法是运用于自动控制领域中的一种算法，是一 种先设计好闭环系统的响应再反过来综合调节器的方 法。 设计的数字控制器（算法）使闭环系统的特性为具有 时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的 滞后时间相同。此算法具有消除余差、对纯滞后有补 偿作用等特点。 大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递 函数 Φ（s） 相当于一个惯性环节和一个延迟环节 相串联，即 Φ （ s）= 1 e − τ s 。
史密斯预估PID控制算法研究及其在DCS中的实现
文 章 编 号 ：１００６—９３４８（２０１６）０５—０４０９—０４
计 算 机 仿 真 控 制算 法研 究及 其在 ＤＣＳ中的 实现
胡 艳 ，郭钛 星 ，韩 璞
（１．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；２．山西国际能源集 团有 限公 司，山西 太原 ０３０００２）
Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０７ １００３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｈａｎｘｉ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｇｒｏｕｐ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｓｈａｎｘｉ ０３００００，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒ ｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ，ｌａｒｇｅ ｄｅｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｍｍ ｏｎ ｂｕｔ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆ ｏｒ
Ｓｍｉｔｈ预估控制 的基本思路是 预先估 计出系统 在基本扰
动下的动态特性 ，然后 由预估 器对 时滞进 行补偿 ，力图使 被 延 迟了的被调量超前 反 映到调节 器 ，使调 节器 提前 动作 ，从 而抵 消掉时滞特性所 造成 的影 响 ，减 小超 调量 ，提 高系统 的 稳 定性 ，加速调 节过程 。Ｓｍｉｔｈ预估控 制器 是针 对大 时滞 系 统 的 一 种 有 效 控 制 器 ，但 它 与 ＰＩＤ算 法 一 样 依 赖 被 控 对 象 的 数 学模 型。现在 已得 到模 型 的辨 识方 法 ，如微 分方程 、偏 微 分 方程 、状态方程 和差分方程 ，这就为 Ｓｍｉｔｈ控制算法的实现 提供了可能 。但 由于控制设 备发 展较 慢 ，Ｓｍｉｔｈ补偿 器 中的 高 阶 纯 微 分 项 在 模 拟 仪 表 年 代 无 法 实 现 ，所 以 Ｓｍｉｔｈ算 法 尚 未 被加 入 到 ＤＣＳ中 。如 今 ＤＣＳ发 展 迅 速 ，且 在 火 电 、化 工 行 业 的大迟延系统设备 中普遍应用 ，因此有必要对 ＤＣＳ进行改 造 ，增加 Ｓｍｉｔｈ预估算法作为 克服大 迟延 系统控制 难点 的手 段 ，以解 决 控 制 调 节 速 度 慢 、超 调 量 大 等 问 题 。 本 文 将 对