大纯滞后过程特性Smith预估控制
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：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。
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。
纯滞后控制技术
史密斯预估控制原理
r(t)
+ -
e(t)
u(t)
y(t)
D(s)
G p ( s )e s
图5.3.1 带纯滞后环节的控制系统 D(s) 表示调节器(控制器)的传递函数； Gp(s) e-τs 表示被控对象的传递函数； Gp(s) 为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数； e -τs 为被控对象纯滞后部分的传递函数。
其中：C
1
1
1 1 (T1e T / T2 T2 e 1 / T1 ) (T1e T / T1 T2 e T / T2 ) C 2 e T (1 / T1 1 / T2 ) T2 T1 T2 T1
N 1
( z) z
可以得到达林算法的数字控制器为：
(4)计算控制器的输出 u(k) 当控制器采用 PID 控制算法时，则
u(k ) u(k 1) u(k )
其中
u(k ) K P [e2 (k ) e2 (k 1)] K I e2 (k ) K D [e2 (k ) 2e2 (k 1) e2 (k 2)]
1 e T / T 1 e T / T z 1
2、振铃现象及其消除 所谓振铃（Ringing）现象，是指数字控制器的输出u(k) 以1/2采样频率（2T采样周期） 大幅度上下摆动。振铃 现象对系统的输出几乎无影响，但会增加执行机构的磨 损，并影响多参数系统的稳定性。 例：被控对象传递函数为： G p ( s )
（2）二阶惯性环节的达林算法 当被控对象为带纯滞后的二阶惯性环节时
Ke s G p (s) (1 T1 s )(1 T2 s )
1 e Ts Ke s Kz N 1 (C1 C 2 z 1 ) G( z) Z s (1 T1 s )(1 T2 s ) (1 e T / T1 z 1 )(1 e T / T2 z 1 )
大纯滞后系统的自适应Smith方法
1.一种具有大纯滞后系统的自适应Smith方法（前面的是smith预估的普遍性的东西，但是图还是用我的图，后面的几个图的模型是自适应的部分）特点：Smith预估控制法实质上是一种模型补偿方法，最大的弱点就是不能容忍预估模型与实际对象匹配不当。
即首先要求对实际对象的数学模型要有一定的准确了解，使预估模型匹配。
对参数变化比较敏感缺点：首先，难以精确地得到对象的数学模型，借以构造补偿器其次，在实际控制中，由于各种扰动及工况变化的影响，被控对象本身特性也不断地变化。
这些都使得预估模型与实际对象之间存在着差别，即失配。
要消除减少这种失配现象，必须使预估模型与实际对象的特性始终保持一致。
不难设想，在控制过程中，能够适时辨识出对象参数的变化，并随时调整预估模型的相应参数，使预估模型的参数随对象参数变化而变化。
构成一个具有可调模型参数辨识的自适应Smith预估控制器。
具有可调模型的参数辨识器，实质上是自适应模型跟踪控制系统的对偶形式。
在给定输入的条件下，党被辨识对象参数与可调整模型参数之间存在误差时，必然有误差信号，根据一定的自适应规律调节可调模型，使误差信号逐渐减小和消除，使得可调模型和被辨识对象一致自适应模型（具有参数辨识自适应的Smith预估控制系统原理框图）利用误差信号，经过自适应机构按一定的调节规律，修改预估模型参数，使对象和模型达到匹配。
2.大滞后系统最优PID参数自整定控制方法（不定）3.大滞后系统中专家-模糊PID方法的应用专家控制器：也是带有数据处理芯片的控制器，之所以有专家是人们为了区别普通智能控制器，是把具有专业经验和行业专业研究人员提供的算法装了进去，可以是系统工作状态更好。
模糊自适应PID控制以其简便、调整灵活、实用性强、精度高、稳定性强、鲁棒性强的优点。
然而一般的模糊控制器的规则和隶属函数都是认为设定的，一经确认就难以满足时变性和滞后性的动态要求。
为了满足控制中实时性的要求，提高系统性能，引入专家判断进行控制的方法，将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，建立知识库与现场实际情况相符的专家系统改善系统控制效果。
大时滞过程控制方法及应用分析
大时滞过程控制方法及应用分析诸葛晓春南宁化工股份有限公司，广西南宁530001摘要：本文对常用控制方法中的PID控制、Smith预估控制、Dahlin控制以及现代控制方法中的内膜控制、预测控制等各种控制方法及特点进行介绍，并对大时滞过程控制方法的应用进行分析。
关键词：大时滞；控制方法；应用分析时滞是工业生产中常见的现象。
存在时滞，意味着系统的扰动不能及时地在控制作用上得到反映，而是延迟一段时间后才在对象输出上反映出来。
因此，选择适当的控制方法，能有效控制时滞系统，保证工业生产的安全可靠性。
1.经典控制方法1.1Smith预估控制Smith预估控制方法是由瑞典科学家Smith提出的，它的基本控制思路是预估出系统在扰动状态下的特征，再通过构建函数，以向内反馈的形式，使常规控制器的时滞得到补偿，达到控制作用超前反映在对象输出上的目的。
从理论上讲，Smith预估控制法可以避免时滞现象带来的影响，然而在实际的实践中却大相径庭。
被控制对象的精确的数学模型是Smith预估控制器得以实现的基础，因此，当数学模型与控制对象存在偏差时，控制器便达不到预期的控制效果，甚至还有恶化的可能。
1.2Dahlin控制Dahlin控制是由Dahlin在1968年提出的一种数字控制方法，它主要是针对大纯滞后系统，即对当纯滞后时间τ与对象时间常数T之比（τ／T），大于0．5甚或超过1．0时的对象进行控制。
它的基本思路是使得闭环系统等效为一个一阶惯性环节加纯滞后环节，并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象的纯滞后时间相同。
Dahlin算法方法比较简单,只要根据传递函数设计出合适的且可以实现的数字调节器,就能够有效地克服纯滞后的不利影响。
但采用Dahlin控制会出现振铃现象，即闭环系统的输出以指数形式较快地趋向稳态值，而数字控制器的输出则以二分之一的采样频率大幅度的衰减震荡。
这样一来，会造成执行机构大幅度的摆动，加剧磨损，甚至引起系统的稳定性下降。
Smith预估
史密斯(Smith)预估器工业生产过程中的大多数被控对象都具有较大的纯滞后性质。
被控对象的这种纯滞后性质经常引起超调和持续的振荡。
在20世纪50年代，国外就对工业生产过程中纯滞后现象进行了深入的研究，史密斯提出了一种纯滞后补偿模型，由于当时模拟仪表不能实现这种补偿，致使这种方法在工业实际中无法实现。
随着计算机技术的飞速发展，现在人们可以利用计算机方便地实现纯滞后补偿。
1．史密斯补偿原理在图6.14所示的单回路控制系统中，控制器的传递函数为D(s)，被控对象传递函数为G p (s)e -τs ，被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为G p (s)，被控对象纯滞后部分的传递函数为e -τs 。
图6.14 纯滞后对象控制系统图6.14所示系统的闭环传递函数为()()()1()()sp s p D s G s e s D s G s e ττ--Φ=+ (6.43)由式(6.43)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 p (s)(1-e -τs )，τ为纯滞后时间，补偿后的系统如图6.15所示。
‘图6.15 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'()()1()()(1)s p D s D s D s G s e τ-=+- (6.44) 根据图6.15可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为 '()()()1()()p s p D s G s s e D s G s τ-Φ=+ (6.45)由式(6.45)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 -τs仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间τ，而控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为G p (s)时完全相同。
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
史密斯预估器
史密斯(Smith)预估器
设被控对象传递函数为
G(s) = GP (s) ⋅ e−τ s
GP(s)是G(s)中不含纯滞后特性的部分 r(t) + e(t) u(t) D(s) GP (s)e-τs y(t)
史密斯预估器的原理： D(s)并联一个补偿环节， 史密斯预估器的原理：与D(s)并联一个补偿环节，用来补偿对 并联一个补偿环节 象中的纯滞后环节。 象中的纯滞后环节。 这个补偿环节叫做预估器。 这个补偿环节叫做预估器。 它的传递函数： = 1+ D(s)GP (s)
Φ(s) = Φ1(s)e−τ S
5
GP (s)(1− e )
3
−τ s
增加补偿环节后的结构图 r(t) + e(t) + yr(t) GP(s)(1-e-τs) u(t) D(s) GP (s)e-τs y(t)
由预估器与D(s)组成总的补偿控制器（简称补偿器） 由预估器与D(s)组成总的补偿控制器（简称补偿器） D(s)组成总的补偿控制器
D(s) D (s) = −τ s 1+ D(s)G P (s)(1− e )
'
(4.40)
经过补偿后的闭环传递函数
D(s)GP (s) −τ s D' (s)G(s) Φ(s) = = e ' 1+ D (s)G(s) 1+ D(s)GP (s)
(4.41)
4
经过补偿后的闭环系统，因其滞后特性 经过补偿后的闭环系统，因其滞后特性e-τs相当于已到了闭环 回路之外， 回路之外，它相当于下面的系统
纯滞后对象的控制算法
在工业生产的控制中，有许多控制对象含有较大的纯 滞后特性。 被控对象的纯滞后时间τ使系统的稳定性降低，动态性 能变坏，如容易引起超调和持续的振荡。 对象的纯滞后特性给控制器的设计带来困难。 纯滞后补偿控制——史密斯(Smith)预估器 大林(Dahlin)算法
大纯滞后对象的免疫-Smith控制器研究
疫算法 中的抑制细胞相 当于比例积分微分控制器 的反馈环节， 该细胞 只与前面 时刻 的抗体 变化 即控制器 输 出有关， 而与 系统 当前 的测量值 无关 ， 可以避免 由于系统的滞后对控 制造成 的影响。将免疫控制器和 Ｓ ｉ ｍｔ ｈ预估器 结合设 计一种新 型控制器 ， 使该控制器 既能克服纯滞后对 系统性能的影响， 能降低单独采用 ｓ ｔ 又 ｍｉ ｈ预估控制 时对系统模型准确性 的依赖。仿 真结果表 明， 免疫．ｍｔ Ｓｉ ｈ控制器 的性能在模型匹配和失配情况下均优于其它控制器。 关键词 大纯滞后 免疫算法 Ｓｉ ｍｔ ｈ算法 ＰＤ控制 Ｉ
统 的稳 定 ， 一 个 具 有 极 强 鲁 棒 性 的 自适 应 系 统 ， 是 能处理各 种 干 扰 和 不 确 定 性 。免 疫 响 应 和 过 程控 制存在很 大 的 相似 之 处 ， 生 物体 看 成 被 控 对 象 ， 把 把 抗原 的入 侵和 内部 细胞 的 突变 看 成各 类 干扰 ， 把 免疫 系统看成 控制 器 ， 这样 免 疫 响应 就类 似 于一 个
对 干扰 的控 制 过程 口 。 因此 本 文 将 人 工 免 疫 算 法 Ｊ
２１作用 ， 这样第 ｋ 曰细 代
胞 的浓度 可 以这样 表示
１ ８期
任伟建 ， ： 等 大纯滞后对象的免疫 一Ｓ ｉ ｍｔ ｈ控制器研究
Ｂ（ ）＝ （ ｋ ）一 （ ） ｋ （ ） ＝Ｋ ｋ ｋ （ ）
（） １ （） ２
Ｖｕ ｋ—ｄ ） ＝Ｋ（ ． （ ） １ ０一ｅｐ 一 ｋ ） ｘ （ （ ）／ ） （） ８
（ ） ＝Ｋ ｛ Ａ ｋ—ｄ ］ （ ） ｋ Ｂ（ ） ｝ ｋ
（） ３
式（） Ｏ ８ 中 ｔ＞０是 一 个 改 变 函数 形 状 的参 数 ， ／ Ｏ 越 大， 曲线 越 平 滑 。但 对 所 有 的 △ “总 有 ０ ＜ （ Ｔ Ｘｕ
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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。
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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；SimulinkPure time-delay system control algorithm of SmithAbstract：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 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.(1)由(3)(1)由 (3)(4)(5)②具有纯滞后环节对控制效果的影响4滞后时间为10，PI参数保持不变，阶跃输入信号可见使用整定的控制器无法正常工作。
Smith预估器控制设计
Smith预估器控制设计《计算机控制》课程设计报告题⽬: Smith预估器控制设计姓名: 学号:姓名: 学号:姓名: 学号:2010年12⽉3⽇《计算机控制》课程设计任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2010年7 ⽉5 ⽇Smith 预估器控制设计⼀．实验⽬的被控对象为ses G s+=-110)(1.0，画出系统框图，设计Smith 数字预估器。
三．控制系统仿真 1.⽅案设计已知纯滞后负反馈控制系统，其中其中D(s)为调节器传递函数，ses G s+=-110)(1.0为对象传递函数，其中G 0(s)e -0.1s包含纯滞后特性,纯滞后时间常数τ=0.1。
系统的特征⽅程为：0.1101()()1()01seD s G s D s s-+=+=+由于闭环特征⽅程中含有0.1se -项，产⽣纯滞后现象，有超调或震荡，使系统的稳定性降低，甚⾄使系统不稳定。
为了改善系统特性，引⼊Smith 预估器，使得闭环系统的特征⽅程中不含有0.1se-项。
Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统为:上图所⽰Z O H 为零阶保持器，传递函数：1()Tsh e G s s--=并且有：lT τ=（l 为⼤于1的整数，T 为采样周期）。
2.采样周期T 的选择采样周期在计算机控制中是⼀个重要的参数。
从信号保真度看，采样周期不宜太长，即采样频率不应该过低。
Shannon 采样定理给出了下限⾓频率ωs ≧2ωmax ，ωmax 为原信号的最⾼频率；采样周期应尽可能的短，以使采样后的离散信号可以近似于连续信号，数字控制具有接近于连续控制系统的质量。
但采样频率过⾼，将使得数据存数容量加⼤，计算⼯作量加⼤，并且采样频率⾼到⼀定程度，对系统性能的改善效果并不显著。
所以，我们要找到⼀个最佳的采样周期。
纯滞后较⼤不可忽略时，可选择T 在/10τ附近，当纯滞后占主导地位时，可选择T 约为τ，再加上参考课本上表3.4扩充响应曲线法选择数字PID 参数计算公式，预选了l =2，3，5，10。
史密斯预估控制在大滞后过程控制系统中应用论文
史密斯预估控制在大滞后过程控制系统中的应用摘要：本文简单分析了大滞后过程控制系统难于控制的主要原因，从而引出史密斯预估控制的基本思想及实现过程，并给出了一个实例进行仿真说明。
关键词：大滞后过程控制系统史密斯预估控制仿真实例1 大滞后过程控制系统概述在工业生产过程中，被控过程除了具有容积滞后外，还存在不同程度的纯滞后。
例如在工业生产中的乳化物干燥过程中，进入干燥器干燥乳液所用的热蒸汽需要经过换热器的热交换，才能改变空气温度。
由于换热器的时间常数较大，导致存在纯滞后。
此外，如化学反应、管道混合、皮带传送、轧辊传输、多个容器串联以及用分析仪表测量流体的成分等都存在不同程度的纯滞后。
1.1 难于控制的原因在大多数被控过程的动态特性中，既包含纯滞后τ，又包含惯性常数t，通常用τ/t的比值来衡量被控过程纯滞后的严重程度。
若τ/t＜0.3，则称为一般滞后过程；若τ/t＞0.3，则称之为大滞后过程。
大滞后过程被公认为较难控制的过程。
难于控制的主要原因分析如下：①由测量信号提供不及时而产生的纯滞后，会导致调节器发出的调节作用不及时，影响调节质量。
②由控制介质的传输而产生的纯滞后，会导致执行器的调节动作不能及时影响调节效果。
③纯滞后的存在使系统的开环相频特性的相角滞后随频率的增大而增大，从而使开环频率特性的中频段与（-1，j0）点的距离减小，结果导致闭环系统的稳定裕度下降。
若要保证其稳定裕度不变，只能减小调节器的放大系数，同样导致调节质量的下降。
2史密斯预估控制史密斯预估控制的基本思想是预先估计出被控过程的动态模型，然后设计一个预估控制器对其进行补偿，使滞后了τ时间的被控量提前反馈到调节器的输入端，使调节器提前动作，以减小超调和加速调节过程。
其控制系统框图如图1所示。
图1中，g0(s)是被控过程无纯滞后环节е-τs的传递函数；gs(s)是史密斯预估器的传递函数。
假设没有此预估器，则由调节器输出u(s)到被控量y(s)之间的传递函数为y(s)／u(s)= g0(s)е-τs （2-1）式（2-1）表明，受到调节器作用的被控量要经过纯滞后时间τ之后才能反馈到调节器的输入端，这就导致调节作用不及时。
纯滞后系统的单神经元-Smith预估控制
２３ 单神 经元 Ｐ Ｄ控 制 ． Ｉ 单神经 元 自适 应 Ｐ Ｄ 控 制器及 其学 习算法 结 Ｉ
图 ２ 人工 神 经 元模 型
Ｆ ｇ ２ Ａｒ ｉ ｃａ ｅ ｒ ｌ ｄ ｌ ｉ ． ｔｆ ｉ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｍｏ ｅ
构框 图如 图 ４所 示 。
图 中转 换器 的输入 为 设 定
１ Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预估器 的基本原理
带有 Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预估器 的系统如 图 １ 示 。 所
对于第ｉ 个神经元 ， ， ，…， 是神经元接收
到 的信 息 ， ｍ ｚ ，ｗ 为连接 强度 ， ｗ ，… 称之 为权 。 利用 某种 运算把 输 入信 号 的作 用结 合起来 ， 出它 给
４ ８
第２ ６卷第 １ 期 ２１ ０ ０年 １月
电Байду номын сангаас
力
科
学
与
工
程
Ｖｏ１ ， Ｎｏ． ． ２６ １
Ｅｌ ｃ ｒｃＰｏ ｒＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｅ ｔ ｉ ｗｅ ｃｅ ｃ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ
Ｊ ｎ ，２ ０ ａ ． ０１
纯 滞 后 系统 的单 神 经 元一ｍｉ Ｓ ｔ ｈ预估 控 制
Ｆｉ ． Ｓ ｒ ｔ ｅｏｆｓｎｇ ｅｎｅ ｒ ｇ４ ｔ ｕｃ ｕｒ ｉ ｌ ｕ ａｌ ａｄａ ｉ Ｄ ｏ ｒ ｌｅ ｐｔｖｅＰＩ ｃ ｎｔ ｏｌ ｒ
神经 网络 是 由若干个上述 的神经元 以一 定的连 接 形式连 接而成 的复杂 的互联 系统 ， 神经 元之 间的
（） 和输 出ｙｋ； （）
方式 ，净输入 的表达 方式有 多种类 型 ， 中最 简单 其
的一种是 线性加权 求和 ，即：
：
∑Ｗｘ ｊ
大纯滞后过程的控制
k p g p (s) k p g p (s)e
p s
Gs (s)
Gs ( s) k p g p ( s) 1 e
p s
Smith预估补偿器
p s Gs ( s) k p g p ( s) 1 e
D( s)
R( s )
+
-
Gc (s)
对象纯滞后时间 对控制系统性能的影响
纯滞后不显著对象 ： 2. 0 2 s G p (s) e ; 4s 1 纯滞后显著对象 ：
%
80 Ysp Ym1 Ym2 75
70
2.0 8 s G p (s) e ; 4s 1
65
60
怎么办？
0 20 40 60 80 100 min 120 140 160 180 200
Y ( s)
e
p s
k p g p ( s)
单回路与Smith控制的对比仿真
e
10 s
10 s
e
仿真：模型一致的情况
Kc= 1.1 Ti = 20 Kc= 10 Ti = 1
单 回 路 PID
Smith 预 估
对比仿真（续）
e
8 s
10 s
e
仿真：模型不一致的情况
模 型 无 偏 差
%
80 78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 0 20 40 60 80 set point Z-N tuning Lambda tuning, Td = 1 min Lambda tuning, Td = 4 min
100 120 Time, min
140
160
180
大纯滞后系统的模糊Smith控制器设计与仿真
图 １ 带 纯 延 迟 环 节 的 控 制 系 统
由于闭环特征方程 中出现 了纯滞后环节， 使系统的稳定性 降低， 过渡过程时 问增 长， 超调量增大， 果是 常规 ＰＤ控制器， 如 Ｉ 当纯滞后时间足够大， 系统将是本质不稳定 的。 ｍｔ Ｓｉ ｈ预估控制 被认 为是克 服大 时滞过 程 的最有 效控制 策略 之一 ， 统 的 传 Ｓｔ ｍｉ ｈ预估控制 系统框 图如图 ２所示， 补偿环节 Ｇ Ｓ（ ｅ ｍ（ １ － ）一 称为 Ｓ ｉ 预估器。 ｍｔ ｈ
完全相 同。
三、ｕｚ— Ｆ ｚ ｙ Ｓｍｉ ｔ ｈ控 制
Ｓ ｉ 预估补偿控制的缺点是对模型误差较为敏感，对于 ｍｔ ｈ
具有 时变特性 的对象 ， 当模型误差较大 时， ｔ Ｓ ｈ预估补偿 控制 ｍｉ
系统 的品质会变坏， 甚至失去稳定性 。而模 糊控制对 参数变化
图４ 输入 、 出 变量 的 隶 属 度 函 数 输
Ｇｃ ）： —— —— ＇Ｓ — （ ＿ ——一 （ ２ ）
预估 控制的优点 ， 对纯滞后特性有较 好的补偿作用 ， 对被控对 象参数 的变化有较 强的适应能力，而且改进后 的 Ｆ ｚｙＳ ｉ ｕｚ— ｍｔ ｈ
控制器具有很强的鲁棒性和 良好 的控制品质 。
二 、 ｍｉ Ｓ ｆ 估 控 制 ｈ预
控制系统 ， 则控制效果 很难令人满意 。
针对大时 滞 、非线性 、时变 的控 制对象 ，设计 了一 种 Ｆ ｚｙＳ ｉ ｕｚ— ｍ ｔ ｈ控制器， 把对时滞系统最有效的控 制策略之一的 Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预估补偿控制和对参数变化和噪声不敏感 、 鲁棒性 强的 模糊控制方法结合起来 ， 利用 Ｓ ｉ ｍｔ ｈ预估器对模糊控 制进行有
图 ２ Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 控 制 原 理 图
斯密斯大纯滞后系统
一、Smith 预估控制仿真研究1 PID 理论参数整定（1） 理论设计使用PID 控制器参数工程整定方法里的动态特性参数法。
动态特性参数法是一种以被控对象控制通道的阶跃响应曲线为依据，通过一些经验公式求取控制器最佳参数整定值的开环整定方法。
用动态特性参数法计算PID 控制器参数整定值的前提是，将系统简化为由控制器Gc(s)和广义被控对象Gp(s)两大部分组成，其中，广义被控对象的阶跃响应曲线可用一阶惯性环节加纯迟延来近似，即1)(+=-Ts e K s G sp τ (1-1)否则根据一下几种动态参数整定方法得到的控制器 ]11[)(s T s T K s G d i c c ++= (1-2)中整定参数只能做初步估计。
Z-N 工程整定法Z-N 工程整定法是由齐格勒(Ziegler)和尼科尔斯（Nichols)与1942年首先提出的，计算PID 控制器整定参数见表1。
表1 Z-N 控制器整定参数公式 控制器类型 由阶跃响应整定K p Ti T dP 控制器 τK T —— —— PI 控制器 τK T 9.0 τ3 —— PID 控制器 τK T 2.1 τ2 τ5.0（2）参数计算把参数代入1)(+=-Ts e K s G sp τ， K=3，τ=60，T=20，得1203)(60+=-s e s G s p计算，得 =c K 0.1333； =i T 120； =d T 30；由i T =120计算得i T /1=0.0083。
2 仿真研究Simulink 仿真模型如图1-1所示。
图1-1 Simulink 仿真模型（PID)阶跃响应曲线如图1-2所示。
图1-2 响应曲线（a)阶跃响应曲线不平滑，应该调节微分环节和积分环节，保持比例环节不变。
经过参数调节，取=i T 39.68；=d T 7 ，此时阶跃响应曲线如1-3所示。
图1-3 响应曲线(b) 到此工程整定法整定出来的PID参数经过调节整定完毕。
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 。
计算机控制系统13Smith预估控制
1 D(s)Wp (s) 0
特征方程中纯滞后环节消失， Smith预估控制有效地 解决了纯滞后系统的稳定性问题
（3） 数字Smith预估控制系统的设计
由计算机实现的Smith预估控制系统
PID
零阶保持器
r(k) e(k) e(k)
+ -
+ - y(t)
D(z) u(k) T
至产生振荡
——纯滞后时间
Tm——对象的主导时间常数
4.1 纯滞后问题的提出
纯滞后对系统稳定性影响的理论分析
r(t) +-
e D(s) u(t) Wp(s) yp(t) s
y(t)
有纯滞后环节的常规反馈控制系统
系统的闭环传递函数为：
W
B(s)
1
D(s)Wp (s)es D(s)Wp (s)es
ym1(t)
e ym(t) - + ms
Wm1(s)
Smith预估器
T
（3）计算PID的输入偏差 e(k) e(k) y(k)
（4）计算数字PID的输出 u(k) u(k 1) u(k)
u(k 1) K p e(k) e(k 1) Kie(k) Kd e(k) 2e(k 1) e(k 2)
（1）Smith预估器的设计思想
有纯滞后环节的常规反馈控制系统
r(t) +-
e D(s) u(t) Wp(s) yp(t) s
y(t)
反馈回路的期望配置
r(t) +-
e D(s) u(t) Wp(s) yp(t) s
y(t)
（1）Smith预估器的设计思想
初步的Smith预估控制方案
对象
纯滞后过程控制
02
使分母的阶次不小于 分子的阶次
主要内容
问题引出 Smith 纯滞后补偿器 改进Smith 补偿器 内模控制的结构 实际内模控制器 内模控制仿真
内模控制仿真1
内模控制仿真1（续）
内模控制仿真2
内模控制仿真2（续）
Tf ＝ 1
Tf ＝ 4
Tf ＝ 10
Tf ＝ 20
D
C
A
B
完全的内模控制结构
-
+
+
PID控制器
Smith预估控制器
单回路与Smith控制的对比仿真
仿真：模型一致的情况
2
Kc= 10 Ti = 1
3
单回路PID
1
Kc= 1.1 Ti = 20
4
Smith预估
对比仿真（续）
仿真：模型不一致的情况
模型无偏差
01
模型有偏差
02
主要内容
问题引出 Smith 纯滞后补偿器 改进Smith 补偿器 内模控制的结构 实际内模控制器 内模控制仿真
作业
给下列系统设计一个纯滞后补偿器（史密斯补偿器）
其中
其中
一个纯滞后补偿器形式为： 试导出系统闭环传递函数，纯滞后从特征方程中除去了吗？
2
3
4
改进的Smith预估控制器
+ + + + + 理想Smith预估器 改进Smith预估器
主要内容
问题引出 Smith 纯滞后补偿器 改进Smith 补偿器 内模控制的结构 实际内模控制器 内模控制仿真
基本内模控制结构
内模控制器 不是PID控制器
如何构成的？
内模控制器
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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：sPC es s s G 10)12)(3(1)(-++=，试设计一个Smith 预估控制系统，并用SIMULINK 和MA TLAB 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。
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；SimulinkPure time-delay system control algorithm of SmithAbstract：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, M atlab 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 aIIkind 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; Simulink1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Gp(s)(1-e-ts)，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-τs仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间τ，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，H(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＝τ/T，τ是被控对象纯滞后时间，T是系统采样周期。
4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(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)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 参数滞后时间为0，PI 整定参数P=4.7，I=3.9，阶跃输入信号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①预估模型无偏差时，在无扰动信号情况下输出波形②预估模型无偏差时，在有扰动信号情况下输出波形③预估模型有偏差时，在无扰动信号情况下输出波形，令transport delay1滞后时间为5，其余参数保持不变④预估模型有偏差时，在有扰动信号情况下输出波形采用了Smith预估控制器可以达到较好的控制效果，但其在扰动下的控制表现不好。
4.PI控制特点积分作用使控制器的输出和偏差的积分成比例，故过度过程结束时无余差，但是加上积分作用，稳定性降低。
积分作用时增大比例度，保持稳定性，但超调量和振荡周期增大，过度时间增长.次控制器是适用最多的，它适用于调节通道滞6 后较小，负荷变化不大，工艺要求不能有余差的系统！5.结语针对大纯滞后过程特性的对象：sPC es s s G 10)12)(3(1)(-++=，成功设计出了一个Smith 预估控制系统，并用SIMULINK 和MATLAB 对其仿真实现。
在使用该软件的过程中遇到了一些棘手的问题，软件的基础操作不是很熟练，毕竟离上次系统的学习隔得时间有点长，其次在做PI 仿真调试参数时费了一点周折，开始时波形一直不是很稳定，要感谢同学对我做的帮助，在我们共同努力下理想波形最终还是做了出来。
经过这几天的实验，重拾起了以往学过的部分知识，锻炼了自己的动手能力尤其是相关软件的操作以及理论与实际的巧妙结合，对以后的学习与工作有很大帮助。