数字PID的补偿算法的设计..

数字PID调节器纯滞后的补偿算法设计

摘要

对于无滞后或滞后比较小的系统，通常采用PID控制。对于纯滞后系统，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。

本文研究的重点是设计与实现纯滞后系统的控制过程的控制规律和控制算法，并比较传统的数字PID控制算法与加入Smith预估器的控制算法的不同。具体讨论了纯滞后系统的Smith预估器的实现方法，着重对这种控制算法进行了较深入的讨论，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，采用史密斯预估器补偿控制超调量大大较少，系统更加稳定。

关键字：Matlab；纯滞后；数字PID；Smith 预估控制器；Simulink

Abstract

For the system with no or less delay, usually adopts PID control. For pure delay system, PID control effect is not good, need additional compensation, so the proposed Smith predictor control system. But Smith pre estimation algorithm has good performance index in the model matching, but because an exact match this algorithm heavily depends on the model, but in fact it is very difficult to do.

This paper is focused on the control and implementation of rules and the control algorithm to control the process of pure lag system design, and compare the traditional digital PID control algorithm with the addition of Smith predictive control algorithm for different. Discussed the specific time delay system Smith prediction method is, focuses on the control algorithm are discussed in depth, but also analyzed through simulation design and improvement of the results. The simulation experiment, if the PID control algorithm, the system will have a large overshoot, Smith predictor is used to compensate control overshoot is greatly reduced, the system more stable.

Keywords: Matlab; delay; digital PID; Smith controller; Simulink

目录

1.设计的目的及意义 (1)

2.纯滞后系统概念 (1)

2.1时滞的描述 (1)

2.1.1纯滞后产生的主要原因 (2)

2.1.2具有纯滞后对象的传递函数 (2)

2.2纯滞后系统的控制算法 (2)

2.2.1常规控制方法 (2)

2.2.2智能控制方法 (3)

3.数字PID控制理论及系统仿真 (3)

3.1 PID控制算法 (3)

3.1.1 模拟PID调节器 (3)

3.1.2 数字PID控制算法 (4)

3.2 PID的参数整定 (5)

3.3 PID控制器的仿真 (8)

４.Smith预估控制理论及系统仿真 (9)

４.1 Smith预估控制理论 (9)

4.1.1Smith预估控制的基本原理 (9)

4.1.2 Smith预估器 (10)

4.1.3纯滞后补偿控制算法步骤 (11)

4.2 Smith控制系统仿真研究 (12)

4.2.1控制方案和仿真框图的建立 (12)

5.控制系统仿真比较分析 (13)

6.总结 (14)

参考文献 (15)

1.设计的目的及意义

在工业控制领域，数字PID控制器获得了广泛的应用。但是，数字PID控制

器的不足之处在于，当纯延迟时间大于时间常数，系统的相关阶数不小于一阶，则这时PID控制器不是最好的选择，应采用高级的控制器，比如史密斯预估控制器。

在现代工业过程中，有不少的过程特性具有较大的纯滞后时间，其特点是当控制作用产生后，在纯滞后时间τ范围内，被控参数完全没有响应，使得被控量不能及时地反应系统承受的控制作用，被控参数也不能及时地反应系统所承受的扰动，从而产生明显的超调，使得对系统的稳定性变差，调节时间的延长，使得对系统的分析、设计和控制变得更加复杂和困难。如果用常规数字PID调节，不仅超调量大而且调节时间长，不能满足高控制精度的要求；如果时滞时间过大，系统可能产生振动，同样存在于系统不稳定的可能。因此，时滞系统的控制问题一直是控制理论和控制工程领域中研究的一个热点，此类问题的研究具有重要的

理论和实际意义。

为了改善时滞系统的控制品质，人们先后提出了Smith预估控制算法、最优控制算法、自适应控制算法、大林控制算法等方法，其中最具影响力的是Smith 预估控制算法。本课题要求掌握PID控制算法纯滞后的补偿算法，并设计Smith

预估器，进行仿真验证。被控对象的传递函数为

20

G(s)=

(21)(41)

s

e

s s

τ-

++

，测试

信号为阶跃信号量15，滞后为0.5s.

2.纯滞后系统概念

2.1时滞的描述

时滞（Time-delay）是指信号传输的延迟，从频率特性上讲，它是指相频特性对频率导数的负值。时滞是控制系统中广泛存在的一种现象。通常所说的时滞一般是指纯滞后。纯滞后经常用作理想地描述传送过程中的滞后现