Smith预估计算机控制
Smith预估控制原理
R(S)
这样，引入了Smith预估器后，系统 中等效对象的传递函数就不含纯滞 s 后环节 e 部分
_
D(S)
G（s）
e s
显然，经Smith预估补偿后，已消除了纯滞后部分对控制系统的影响，而受控制对象的纯 滞后部分在等效系统的闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。所以对任何纯滞后时 间，系统都是稳定的。
u (t ) K P e(t ) TI
e(t )d (t ) T
0
D
dt
式中u(t)-控制器的输出； e(t)-控制器的输入，它是给定值和被控对象输出的差，称为偏差 信号；
K P -控制器的比例系数；
TI
TD
-控制器的积分时间； -控制器的微分时间。
PID控制器各控制规律的作用如下： （1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输 出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅 有比例控制时系统输出存在稳态误差 （2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分 成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称 此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输 出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统 的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进 入稳态后无稳态误差。 （3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分 （即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能 会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有 抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的 作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
Smith预估计算机控制
实验报告实验名称：Smith预估控算法设计仿真实验课程名称：计算机控制与组成学生姓名；专业班级:自动化1001 学生学号：实验时间：2013.5.7****：**：一、实验目的在控制算法学习的基础上，根据给定对象特性设计Smith 预估控制器算法，并利用Matlab 软件进行仿真实验，同时与PID 控制算法进行比较，加深对该控制算法的掌 握和理解。
二、实验内容和要求实验内容：设广义被控对象为：1011()()()1Ts sse e H s G s G s es T sττ----==⋅+控制系统框图为：T取T=1、τ=2、T 1=2.88，经采样（T=1s ）保持后，其广义对象z 传递函数为00.2934()0.7066G z z =-， 而2se -转换为2个单位迟延。
控制器参数：Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0。
实验要求：(1)设计smith 预估控制算法，作给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线。
（2）被控对象不变，采用理想PID 进行给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线。
三、实验步骤1.根据实验原理图在Matlab 中搭建如下仿真结构图：上图中，上面的回路为Smith预估控制器与对象所构成的回路，下面的回路为PID控制算法与被控对象所构成的回路，通过scope可以看到两种控制算法对扰动产生的响应曲线，分别在两条回路中加入给定值扰动和二次扰动，且注意两次扰动加入的时间间隔开，以便观察两种算法对不同扰动的克服情况。
2.在搭建好的模型中给控制器设定参数，加入阶跃扰动，两次扰动时间差为30s，对系统进行仿真，记录仿真曲线。
3.保持Smith与控制算法回路参数不变，改变PID控制算法参数，使其响应曲线接近用Smith控制算法控制所得到的曲线，记录最接近时的两条曲线并记录此时PID 参数。
四、实验结果及分析1.控制器参数：Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0时，两种控制算法得到的曲线：（其中蓝色的为Smith算法控制下得到的阶跃响应曲线，绿线则为常规PID控制下得到的曲线）2.保持Smith预估控制器参数不变，调整PID调节器参数使其接近响应曲线接近前者的图此时对应的PID控制器的参数为：Kp=0.45，Ki=0.15，Kd=0。
内模控制和Smith预估器
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。
Smith预估控制原理
R(S)
这样，引入了Smith预估器后，系统 中等效对象的传递函数就不含纯滞 s 后环节 e 部分
_
D(S)
G（s）
e s
显然，经Smith预估补偿后，已消除了纯滞后部分对控制系统的影响，而受控制对象的纯 滞后部分在等效系统的闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。所以对任何纯滞后时 间，系统都是稳定的。
u (t ) K P e(t ) TI
e(t )d (t ) T
0
D
dt
式中u(t)-控制器的输出； e(t)-控制器的输入，它是给定值和被控对象输出的差，称为偏差 信号；
K P -控制器的比例系数；
TI
TD
-控制器的积分时间； -控制器的微分时间。
PID控制器各控制规律的作用如下： （1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输 出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅 有比例控制时系统输出存在稳态误差 （2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分 成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称 此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输 出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统 的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进 入稳态后无稳态误差。 （3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分 （即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能 会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有 抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的 作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
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
Smith预估器控制设计【计算机课程设计专用】
b)电流输出，稳定时间为1s
c)可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入,单一电源供电
DA转换器的电路设计：
(1)参考电压选择+5V，直接与供电电源相连。
(2)选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直通状态，由DAC0832的引脚特性，将DAC0832的引脚接发如下：
uchar UK0,UK1;//分别为k，k-1时刻的控制器的输出
uchar EK0,EK1;//分别为k,k-1时刻的AD的输入
uint i=0;
uchar in0=0; //系统输入采样
void delay(uchar time)//延时
{
uchar i,j;
for(i=0;i<time;i++)
OE=0;
return value;
}
main()
{
C1K0=C1K1=C1K2=C1K3=C1K4=C1K5=C1K6=C1K7=C1K8 =C1K9=C1K10=C1K11=C1K12=0; //系统初始化
UK0=UK1=0;
CK1=0;
EK1=0;
wr=0;
rd=0;
ST=0;
OE=0;
TMOD=0X01; //定时器0控制方式1,16位的定时器计数器
EK1=EK0;
DAC08=0X58;
TH0=0X9E; //延时50ms
EA=1;
}
六、设计工作总结
采用带Smith预估器控制的设计与传统的PID控制设计相比，大大的减少了响应曲线的超调，同时也加快了系统的响应过程，增加了系统的稳定性，使系统逐渐趋于稳定，达到了预期控制的目的。
{
内模控制和Smith预估器
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。
基于新型Smith预估器的网络控制系统研究的开题报告
基于新型Smith预估器的网络控制系统研究的开题报告一、研究背景随着网络控制系统技术的不断发展，新的控制算法和控制模型不断涌现。
其中，Smith预估器作为一种典型的网络控制系统模型，已经被广泛应用于工业控制、电力系统等领域。
然而，现有的Smith预估器存在一些问题，如响应速度慢、精度不高等。
因此，基于新型Smith预估器的网络控制系统研究具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容本研究旨在基于新型Smith预估器，对网络控制系统进行深入研究，主要包括以下几个方面：1. 针对当前Smith预估器存在的问题，提出新型Smith预估器的设计思路和方法；2. 利用Matlab等工具，建立新型Smith预估器的仿真模型，分析和比较新型预估器和现有预估器的控制性能；3. 应用新型Smith预估器设计网络控制系统，并进行实验验证；4. 对实验结果进行分析，总结新型预估器的优缺点，并提出未来研究的方向和重点。
三、研究方法本研究采用实验和仿真相结合的方法，主要是通过建立新型Smith预估器的仿真模型，对其进行性能分析和比较。
基于仿真结果，设计控制算法并应用于网络控制系统中进行实验验证。
同时，还将采用文献调研、理论分析等方式，辅助研究新型Smith预估器和网络控制系统的性能。
四、研究意义完成以上研究内容后，将达到以下几个方面的意义：1. 提出新型Smith预估器的设计思路和方法，为网络控制系统的设计和优化提供一种新的控制模型；2. 通过仿真和实验验证，比较新型预估器和现有预估器的性能，为预估器的改进提供一定的理论依据；3. 利用新型预估器设计网络控制系统，实现控制目标，提升控制精度和响应速度；4. 可以为工业控制、电力系统等领域的网络控制系统提供一种新的控制方法和理论支持。
计算机控制—史密斯预估器编程
东南大学能源与环境学院实验报告课程名称：实验名称：院（系）：专业：姓名：杨康学号：实验室：实验组别：同组人员：实验时间：年月日评定成绩：审阅教师：目录一．实验目的 (3)二．实验内容 (3)三．实验步骤 (3)四．实验分析 (12)实验二 Smith预估控制实验指导书一实验目的通过实验掌握Smith预估控制的方法及程序编制及调试。
二实验内容１．Smith预估控制系统如图所示，图一对象G(S)= K·e-τs / (1+TS),K = 1, T1 = 10 s , τ = 5 s ,1Wc(z)采用数字PI控制规律。
２．对象扰动实验画出U(t) = u0·1(t)时，y(t)曲线。
３．Smith预估控制(1)构造Wτ(S)，求出Wτ(Z)。
(2)整定Wc(s)(按什么整定？)(3)按图仿真，并打印曲线。
（4）改变Wτ(S)中K，τ（对象不变），进行仿真比较，观察它们对调节过程的影响。
三实验步骤1、对象扰动实验（1）差分方程如附录。
（2）源程序如下：#include"iostream.h"#include"math.h"#include"fstream.h"void main(){fstream outfile("data1.xls",ios::out);double t;double u0;cout<<"请输入采样周期:";cin>>t;cout<<"请输入阶跃幅值:";cin>>u0;double ee=pow(2.718,(-t/10.0));int N;int i;double u[100],y[100];for(i=0;i<100;i++){u[i]=u0;y[i]=0.0;}N=1+5/t;for(i=N;i<100;i++){y[i]=(1-ee)*u[i-N]+y[i-1]*ee;}for(i=0;i*t<100;i++){cout<<y[i]<<'\t';}for(i=0;i*t<100;i++){outfile<<i*t<<'\t';}outfile<<'\n';for(i=0;i*t<100;i++){outfile<<y[i]<<'\t';}outfile.close();}（3）输出结果：当采样周期T=1，阶跃幅值为1时：Y（t）输出数据：0 0 0 0 0 0 0.0951532 0.181252 0.259159 0.3296520.393438 0.451154 0.503379 0.550634 0.593392 0.6320820.667091 0.698768 0.727431 0.753367 0.776835 0.798070.817284 0.83467 0.850402 0.864637 0.877517 0.8891720.899717 0.909259 0.917894 0.925706 0.932776 0.9391720.94496 0.950197 0.954936 0.959224 0.963104 0.9666150.969792 0.972666 0.975267 0.97762 0.97975 0.9816770.98342 0.984998 0.986425 0.987717 0.988886 0.9899430.9909 0.991766 0.99255 0.993259 0.9939 0.99448 0.9950060.995481 0.995911 0.9963 0.996652 0.996971 0.9972590.99752 0.997756 0.997969 0.998162 0.998337 0.9984960.998639 0.998768 0.998885 0.998991 0.999087 0.9991740.999253 0.999324 0.999388 0.999446 0.999499 0.9995470.99959 0.999629 0.999664 0.999696 0.999725 0.9997510.999775 0.999796 0.999816 0.999833 0.999849 0.9998630.999876 0.999888 0.999899 0.999908 0.999917阶跃响应曲线如下：图二2、Smith预估控制（1）差分方程见附录：（2）源程序如下：#include"iostream.h"#include"math.h"#include"fstream.h"void main(){fstream outfile("data1.xls",ios::out);double t,kp,ki;int t1,k;cout<<"请输入Wt(s)中的K:";cin>>k;cout<<"请输入Wt(s)中的迟延时间t:";cin>>t1;cout<<"请输入采样周期:";cin>>t;cout<<"请输入PI调节器的参数kp:";cin>>kp;cout<<"请输入PI调节器的参数ki:";cin>>ki;double ee=pow(2.718,(-t/10.0));int N,N1;int i;double r[100],e1[100],e2[100],cm[100],q[100],u[100],y[100];for(i=0;i<100;i++){r[i]=1.0;e1[i]=0.0;e2[i]=0.0;u[i]=0.0;y[i]=0.0;cm[i]=0.0;q[i]=0.0;}N=1+5/t;N1=t1/t;cout<<N<<'\t'<<N1<<endl;for(i=0;i<100;i++){if(i==0){e1[i]=r[i];cm[i]=0;q[i]=0;e2[i]=e1[i]-q[i];u[i]=kp*e2[i]+ki*e2[i];}if(i>0&&i<N1){e1[i]=r[i]-y[i-1];cm[i]=ee*cm[i-1]+k*(1-ee)*u[i-1];q[i]=cm[i];e2[i]=e1[i]-q[i];u[i]=u[i-1]+kp*(e2[i]-e2[i-1])+ki*e2[i];if(i>=N){y[i]=(1-ee)*u[i-N]+y[i-1]*ee;}}if(i>=N1){e1[i]=r[i]-y[i-1];cm[i]=ee*cm[i-1]+k*(1-ee)*u[i-1];q[i]=cm[i]-cm[i-N1];e2[i]=e1[i]-q[i];u[i]=u[i-1]+kp*(e2[i]-e2[i-1])+ki*e2[i];if(i>=N){y[i]=(1-ee)*u[i-N]+y[i-1]*ee;}}}for(i=0;i*t<100;i++){cout<<y[i]<<'\t';}for(i=0;i*t<100;i++){outfile<<i*t<<'\t';}outfile<<'\n';for(i=0;i*t<100;i++){outfile<<y[i]<<'\t';}outfile.close();}（3）输出结果：以下所涉及到的采样周期均为T=1，PI控制器的参数均为Kp=1，Ki=1；当Smith预估器中的K=1，延迟时间τ=5时（即与对象的特性完全符合）：Y（t）输出数据：0 0 0 0 0 0 0.190306 0.421441 0.663641 0.8917551.08676 1.23639 1.37128 1.47104 1.5311 1.549551.52761 1.46956 1.38931 1.29344 1.18983 1.085670.987246 0.89981 0.828799 0.776983 0.745653 0.7345240.741955 0.765251 0.801257 0.846217 0.896223 0.947450.996402 1.04011 1.07631 1.1035 1.1209 1.12848 1.126831.11708 1.10079 1.07973 1.05581 1.03093 1.00680.984919 0.966463 0.952253 0.942744 0.938032 0.937890.941816 0.949101 0.958895 0.970279 0.982333 0.9941951.00511 1.01448 1.02186 1.02698 1.02978 1.030321.02882 1.02561 1.02108 1.01569 1.00987 1.004060.998627 0.993893 0.990086 0.98735 0.985745 0.9852490.985771 0.987163 0.989238 0.991783 0.994581 0.997421.00011 1.0025 1.00445 1.0059 1.0068 1.00715 1.0071.00641 1.00547 1.00428 1.00293 1.00155 1.000220.999027 0.998028 0.997269 0.996773扰动曲线如下：图三当Smith预估器中的K=1，延迟时间τ=2时（即与对象的特性不完全符合）：Y（t）输出数据如下：0 0 0 0 0 0 0.190306 0.421441 0.663641 0.9279711.21095 1.50619 1.810532.08577 2.31463 2.489892.60123 2.63889 2.59562 2.46564 2.25095 1.958931.59989 1.18774 0.740093 0.277571 -0.176632 -0.598368-0.963966 -1.25121 -1.44044 -1.51579 -1.4662 -1.28642-0.977633 -0.547714 -0.0112532 0.610765 1.29164 1.999962.700933.358 3.934554.39588 4.71103 4.854644.80862 4.56351 4.11952 3.48712 2.68715 1.750360.716479 -0.367272 -1.44817 -2.47036 -3.37751 -4.11571-4.63639 -4.89916 -4.87439 -4.54543 -3.91026 -2.98249-1.79168 -0.38278 1.18524 2.8415 4.5062 6.09408 7.518558.69603 9.55045 10.0176 10.0494 9.61689 8.713477.35632 5.58704 3.47109 1.09587 -1.43244 -3.99312-6.45626 -8.68888 -10.5616 -11.9554 -12.7687 -12.9234-12.3704 -11.0941 -9.11507 -6.49149 -3.31832 0.2752394.13026 8.06445 11.88 15.3731 18.3435扰动曲线如下：图四当Smith预估器中的K=2，延迟时间τ=2时（即与对象的特性不完全符合）：Y（t）输出数据如下：0 0 0 0 0 0 0.190306 0.385225 0.546344 0.7250840.920371 1.11455 1.30834 1.46909 1.59338 1.692661.7608 1.79027 1.78227 1.73766 1.66147 1.560211.43778 1.29949 1.15302 1.00558 0.863901 0.7341210.621319 0.529913 0.463425 0.423874 0.411896 0.4269230.467201 0.529943 0.611457 0.707298 0.812552 0.9221031.03084 1.13389 1.22683 1.30585 1.36793 1.410941.4337 1.43598 1.41848 1.38278 1.33121 1.266721.19274 1.11298 1.03127 0.951381 0.876845 0.8108160.75594 0.714253 0.687116 0.675179 0.67838 0.6959770.726605 0.768367 0.818936 0.875681 0.935797 0.9964341.05484 1.10845 1.15505 1.19281 1.22037 1.236891.24206 1.23609 1.21971 1.19405 1.16064 1.12131.07804 1.03296 0.988182 0.945705 0.907359 0.8747110.849012 0.831146 0.82161 0.820506 0.82755 0.8421020.863208 0.889656 0.920041 0.952835 0.986462 1.01937扰动曲线如下：图五四实验分析当系统是特征方程中含有纯迟延项的时候，系统的闭环稳定性事下降的，当迟延时间τ比较大的时候，系统就会不稳定。
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。
计算机控制技术：4.8 常规及复杂控制技术(八)
2．施密斯预估控制原理
（1）原理分析：对于一个单回路系统
若没有纯滞后，G（s）=GP（s）
若有纯滞后，G(s) GP (s)es ，其中τ为纯滞后时间
则，闭环传递函数的结构是
(s)
1
D (s)GP (s)es D (s)GP (s)es
2．施密斯预估控制原理
那么，我们可以得到闭环传递函数的特征方程
3．具有纯滞后补偿的数字控制器
施密斯预估器的输出可按下图的顺序计算。
从图中可知，必须先计算传递函数Gp(s)的输出m(k)后， 才能计算预估器的输出
yτ(k)=m(k)-m(k-N)。
在本模块中，学生将学习算法初步、统计、概率的基础知识。1．算法是数学及其应用的重要组成部分，是计算科学的重要基础。随着现代信息技术飞速发展，算法在科学技术、社会发展中发挥着越来越大的作用，并日益融入社会生活的许多方面，算法思想已经成为现代人应具备的一种数学素养。中学数学中的算法内容和其他内容是密切联系在一 起的，比如线性方程组的 求解、数列的求和等。具体来说，需要通过模仿、操作、探索，学习设计程序框图表达解决问题的过程，体会算法的基本思想和含义，理解算法的基本结构和基本算法语句，并了解中国古代数学中的算法。在本教科书中，首先通过实例明确了算法的含义，然后结合具体算法介绍了算法 的三种基本结构：顺序、条件和循环，以及基本的算法语句，最后集中介绍了辗转相除法 与更相减损术、秦九韶算法、排序、进位制等典型的几个算法问题，力求表现算法的思想，培养学生的算法意识。2．现代社会是信息化的社会，人们面临形形色色的问题，把问题用数量化的形式表示，是利用数学工具解决问题的基础。对于数量化表示的问题，需要收集数据、分析数据、解答问题。统计学是研究如何合理收集、整理、分析数据的学科，它可以为人们制定 决策提供依据。本教科书主要介绍最基本的获取样本数据的方法，以及几种从样本数据中提取信息的统计方法，其中包括用样本估计总体分布及数字特征和线性回归等内容。本教科书介绍的统计内容是在义务教育阶段有关抽样调查知识的基础上展开的，侧重点放在了介绍获得高质量样 本的方法、方便样本的缺点以及随机样本的简单性质上。教科书首先通过大量的日常生活 中的统计数据，通过边框的问题和探究栏目引导学生思考用样本估计总体的必要性，以及样本的代表性问题。为强化样本代表性的重要性，教科书通过一个著名的预测结果出错的案例，使学生体会抽样不是简单的从总体中取出几个个体的问题，它关系到最后的统计分析结果是否可靠。 然后，通过生动有趣的实例引进了随机样本的概念。通过实际问题情景引入系统抽样、分 层抽样方法，介绍了简单随机抽样方法。最后，通过探究的方式，引导学生总结三种随机抽样方法的优缺点。3．随机现象在日常生活中随处可见，概率是研究随机现象规律的学科，它为人们认识客观世界提供了重要的思维模式和解决问题的模型，同时为统计学的发展提供了理论基础。因此，统计与概率的基础知识已经成为一个未来公民的必备常识。在本模块中，学生将 在义务教育阶段学习统计与概率的基础上，结合具体实例，学习概率的某些基本性质和简单的概率模型，加深对随机现象的理解，能通过实验、计算器（机）模拟估计简单随机事件发生的概率。教科书首先通过具体实例给出了随机事件的定义，通过抛掷硬币的试验，观察正面朝上的次 数和比例，引出了随机事件出现的频数和频率的定义，并且利用计算机模拟掷硬币试验， 给出试验结果的统计表和直观的折线图，使学生观察到随着试验次数的增加，随机事件发生的频率稳定在某个常数附近，从而给出概率的统计定义。概率的意义是本章的重点内容。教科书从几方面解释概率的意义，并通过掷硬币和掷骰子的试验，引入古典概型，通过转盘游戏引入几何 概型。分别介绍了用计算器和计算机中的Exc el软件产生（取整数值的）随机数的方法， 以及利用随机模拟的方法估计随机事件的概率、估计圆周率的值、近似计算不规则图形的面积等。教科书首先通过具体实例给出了随机事件的定义，通过抛掷硬币的试验，观察正面朝上的次数和比例，引出了随机事件出现的频数和频率的定义，并且利用计算机模拟掷硬币试验，给出试 验结果的统计表和直观的折线图，使学生观察到随着试验次数的增加，随机事件发生的频 率稳定在某个常数附近，从而给出概率的统计定义。概率的意义是本章的重点内容。教科书从几方面解释概率的意义，并通过掷硬币和掷骰子的试验，引入古典概型，通过转盘游戏引入几何概型。分别介绍了用计算器和计算机中的Excel软件产生（取整数值的）随机数的方法，以及利用随机模拟的方法估计随机事件的概率、估计圆周率的值、近似计算不规则图形的面积等。
Smith预估器
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。
过程控制中，通常用过程纯滞后时间常数和系统时间常数之比来衡量过程时滞。
当τ/T≤0.3时，称为一般时滞过程，过程比较容易控制，常规PID控制就能收到良好的控制效果；当τ/T＞0.3时，称为大时滞过程，需要采取特殊的高级控制方法，其控制难度随τ/T的比值增加而增加。
本文分析了在过程控制中广泛采用的大时滞过程控制算法——Smith预估补偿法，即Smith预估器，并重点讲述了其改进算法——双自由度Smith预估器，最后进行了仿真。
仿真结果表明该改进算法是可行的。
1 传统Smith预估器传统Smith预估器实质上是一种模型补偿控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预估控制补偿算法引入补偿环节Gk(s)后的闭环系统方框图如图1所示。
其中，Gc(s )e-τσ表示实际过程，Gk(s)表示系统一般PID调节器。
由图1可知系统闭环传递函数为引入补偿环节Gk (s)后，希望系统闭环传递函数的分母不再含e-τσ项，即要求1+Gc(s )Gk(s )+Gc(s )Gk(s )e-τσ=1+Gc(s)Gp(s) (2)即Gk(s)=(1-e-τσ)Gp(s) (3)将式（3）代入图1便可得到图2所示的传统连续Smith预估器方框图。
史密斯预估补偿控制及matlab仿真
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。
史密斯预估控制系统设计
史密斯预估控制系统设计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：5100.5 1.5(),()(1)(0.81)(1)(0.41)s sG s e G s e s s s s --==++++8810.5(),()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)s sG s e G s e s s s s --==++++581.52(),()(1)(0.21)(0.81)(0.21)s s G s e G s e s s s s --==++++5512(),()(0.81)(0.31)(0.81)(0.21)s s G s e G s e s s s s --==++++eτ-⽤软件通过数组单元移位实现。
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
论文温度控制系统smith预估控制器设计
成教毕业论文（设计）题目温度控制系统的smith预估控制器的设计院系机电工程学院专业电气工程及其自动化班级08电气考生姓名8888准考证号8888888888指导老师8888目录摘要 (1)前言 (3)第1章绪论 (4)1.1选题背景 (4)1.2国内外温度控制研究现状及发展趋势 (4)1.3本文研究内容 (5)第2章温度控制系统的建模 (7)2.1数学模型的介绍 (7)2.2工程控制数学模型的建立方法 (7)2.3数学模型的建立 (8)2.4数据分析及建立模块步骤 (9)第3章常规PID控制器设计 (17)3.1PID概述 (17)3.2数字PID控制器 (17)3.3PID调节器参数对系统性能的影响 (21)第4章温度控制系统的smith预估控制器设计 (23)4.1史密斯（SMITH）预估控制 (23)4.2纯滞后对象的控制算法——大林算法 (25)4.3带SMITH预估器PID数字控制器 (27)第5章Smith预估补偿控制的Matlab仿真与实验 (29)5.1M ATLAB仿真软件的介绍 (29)5.2带S MITH预估控制器的锅炉系统的仿真 (29)第6章总结 (36)致谢 (37)参考文献 (38)摘要本文针对“锅炉主系统”通过实验法建立其数学模型，进而用PID控制算法和Smith控制算法对其进行仿真控制。
对于锅炉温度的控制，由于PID控制器结构简单、实用、价格低，PID控制得到了广泛的应用，但PID控制参数整定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制效果漂离最佳状态，并且电炉加热器温度具有纯滞后特点，PID的控制效果并不明显，因为参数一经设定，不随系统参数变化而改变，影响控制质量。
对于这种情况Smith控制算法在锅炉温度控制中的应用，使得锅炉温度控制能够达到一个稳定的水平，并且能有效的解决系统产生的纯滞后效果。
最后用Matlab对设计的系统进行仿真，并得出仿真的结果并且加以分析。
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实验报告
实验名称：Smith预估控算法设计仿真实验课程名称：计算机控制与组成
学生姓名；专业班级:自动化1001 学生学号：实验时间：2013.5.7
****：**：
一、实验目的
在控制算法学习的基础上，根据给定对象特性设计Smith 预估控制器算法，并利用Matlab 软件进行仿真实验，同时与PID 控制算法进行比较，加深对该控制算法的掌 握和理解。
二、实验内容和要求
实验内容：
设广义被控对象为：
1011()()()1Ts s
s
e e H s G s G s e
s T s
ττ----==⋅+
控制系统框图为：
T
取T=1、τ=2、T 1=2.88，经采样（T=1s ）保持后，其广义对象z 传递函数为
00.2934()0.7066
G z z =
-， 而2s
e -转换为2个单位迟延。
控制器参数：Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0。
实验要求：
(1)设计smith 预估控制算法，作给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线。
（2）被控对象不变，采用理想PID 进行给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P 和系统输出y 响应曲线。
三、实验步骤
1.根据实验原理图在Matlab 中搭建如下仿真结构图：
上图中，上面的回路为Smith预估控制器与对象所构成的回路，下面的回路为PID控制算法与被控对象所构成的回路，通过scope可以看到两种控制算法对扰动产生的响应曲线，分别在两条回路中加入给定值扰动和二次扰动，且注意两次扰动加入的时间间隔开，以便观察两种算法对不同扰动的克服情况。
2.在搭建好的模型中给控制器设定参数，加入阶跃扰动，两次扰动时间差为30s，对系统进
行仿真，记录仿真曲线。
3.保持Smith与控制算法回路参数不变，改变PID控制算法参数，使其响应曲线接近用
Smith控制算法控制所得到的曲线，记录最接近时的两条曲线并记录此时PID 参数。
四、实验结果及分析
1.控制器参数：Kp=0.5，Ki=0.2，Kd=0时，两种控制算法得到的曲线：
（其中蓝色的为Smith算法控制下得到的阶跃响应曲线，绿线则为常规PID控制下得到的曲线）
2.保持Smith预估控制器参数不变，调整PID调节器参数使其接近响应曲线接近前者的图
此时对应的PID控制器的参数为：Kp=0.45，Ki=0.15，Kd=0。
3.Smith预估控制器中PID模块输出调节量：
4.Smith预估控制器输出调节量：
5.PID控制器输出调节量：
Smith预估控制器输出的调节量明显比常规PID控制器输出的调节量多，频率高，说明Smith 预估能克服对象的纯迟延，常规PID的反映就要多经历一段纯迟延时间，故控制不及时，导致动态偏差大，调节时间长。
五、思考和讨论
（1）分析两类控制算法对带迟延对象的控制效果。
从上面分析可以得出Smith预估控制器在控制纯迟延对象时具有明显优势，对二次扰动的克服能力尤其强；而普通PID控制器在对纯迟延的对象进行控制时，由于对象含有纯迟延环节，使得扰动和调节阀的调节作用都要滞后一个迟延时间τ才能显现出来，故造成控制往往不及时，超调量较大，调节时间较长等控制品质的下降。
（2）根据实验分析Smith预估控制算法的优点是什么，若采用PID算法解决同类问题效果如何？
Smith预估控制器给对象的纯迟延部分做了补偿，使补偿后的系统纯迟延不能对控制品质产生影响，故控制更为及时，控制效果较好。
六、实验收获与体会
这次试验用Matlab软件进行仿真，加深了对该控制算法的掌握，通过与PID控制算法进行比较，让我对Smith预估控制算法的效果有了更为深刻的认识，通过实验熟悉巩固了自己上课所学到的理论，加深了知识的理解，最后，感谢老师的悉心指导！。