Smith预估补偿器的算法研究与实现

目录1．引言 (3)1.1 概述 (3)1.2 毕业设计（论文）的主要内容 (3)2．Smith预估器的理论知识 (4)2.1 Smith预估器的模拟补偿控制原理 (4)2.2 数字Smith预估系统 (5)3．数字PID控制器 (7)3.1 序言 (7)3.2 模拟PID控制器 (7)3.3 数字PID控制器 (7)3.4 PID控制参数的整定 (10)3.4.1 绪论 (10)3.4.2 采样周期T的选取。

(10)3.4.3 PID控制参数的整定方法 (10)4．数字Smith 预估器 (12)4.1 介绍数字PID控制算法的几种发展 (12)4.1.1 积分分离的PID算式 (12)4.1.2带有死区的PID控制算式 (12)4.1.3微分先行的PID控制算式 (13)4.1.4 时间最优PID控制 (13)4.2 数字Smith预估器的计算机实现 (14)4.3 数字Smith预估控制算式的推导 (15)5．软、硬件设计及调试.................................................................................. 错误!未定义书签。

5.1 硬件设计部分.................................................................................. 错误!未定义书签。

5．1．1设计接线图.........................................................................错误!未定义书签。

5.1.2 控制参数的计算....................................................................错误!未定义书签。

5.2 软件设计部分..................................................................................错误!未定义书签。

5.2.1序言.........................................................................................错误!未定义书签。

5.2.2 程序框图如图5-2所示........................................................错误!未定义书签。

5.2.3程序清单.................................................................................错误!未定义书签。

5.3 调试..................................................................................................错误!未定义书签。

5.3.1 PID的实验结果...................................................................错误!未定义书签。

eτ-的软件实现..................................................................错误!未定义书签。

5.3.2 s5.3.3 具有数字Smith预估器的PID控制器..............................错误!未定义书签。

6．结论 ............................................................................................................. 错误!未定义书签。

谢辞 ................................................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献 ........................................................................................................... 错误!未定义书签。

Smith预估补偿器的算法研究与实现Smith预估补偿器的算法研究与实现摘要:时滞特性是工业生产过程中十分普遍的现象。

由于滞后的存在使扰动不能被及时察觉，控制作用要滞后很长时间才能反映到对象输出量上，调节效果不能被适时反映，因而大大降低了控制系统的稳定性，容易导致较大的超调量和较长的调节时间，严重影响被控系统的控制品质。

特别是由于被控过程或对象所处的环境日益复杂和多变，许多被控系统都具有时变特性，即系统参数随时间和环境而改变，其中包括滞后时间，从而增加了控制系统的设计难度。

1957年,O.J .Smith提出了著名的Smith预估器来控制含有时滞环节的对象，从理论上解决了时滞系统的控制问题。

本文首先对Smith预估器进行了深入的研究，发现Smith预估器依赖于在实际中很难获得的被控对象的精确数学模型，因而很难对时变时滞系统进行良好控制。

所以有必要采用一种有效的方法——具有数字Smith预估器的PID控制器,并研究其控制算法，并且在微型计算机控制实验室里进行仿真实验，仿真结果验证了控制算法的有效性与实验方法的正确性！关键词：时滞，控制算法，PID控制器，Smith预估器Abstract :Time delay is a common phenomenon in many industrial processes .Because of the time delay, the disturbance can't be observed in time and the control can only affect on the output after a long time. Therefore, the control performance of the system will be deteriorated .When the parameters including time delay of the system are variable by time and environment, it is more difficult to design the control system. In 1957,O.J.Smith put forward the Smith predictor to control the system. With invariable time delay theoretically. Smith predictor is deeply studied, the fact that the Smith predictor depends on the math model of the system is found ,and so it is very difficult to control the time-varying delay system well. Therefore ,it is necessary to take an effective method---using PID controller with the digital Smith predictor ,and studying its control algorithm ,and doing the simulation in the lab of micro-computer control. Simulation results have proved the efficiency of the algorithm and the validity.Keyword s: time delay, control algorithm， PID controller, Smith predictor1．引言1.1 概述现代工业生产过程中，不少工业对象存在着纯滞后时间。

这种纯滞后时间或者是由于物料或能量传输过程中所引起的。

或者是由于对象中多容积所引起的，或者是高阶对象低阶近似后所形成的等效滞后。

在纯滞后过程中，由于过程控制通道中存在纯滞后，使得被控量不能及时反映系统所承受的扰动。

因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间，被公认为是较难控制的过程，其难控制程度将随着纯滞后工占整个过程动态时间参数的比例增加而增加。

一般认为纯滞后时间τ占对象的时间常数T 之比大于0.3，则称该过程为大滞后过程。

此外，大滞后会降低整个控制系统的稳定性。

从自动控制理论可知，对象纯滞后的存在对系统稳定性极为不利。

特别是当τ/T ≥0.5时（τ为纯滞后时间，T 为对象的时间常数），若采用常规PID 控制，很难获得良好的控制质量。

对于纯滞后，普通的PID 反馈控制系统并不能取得很好的效果，这是因为其控制效果无法通过反馈回路及时反馈，因而使得控制问题复杂化了。

在归一化纯滞后时间较大的情况下要保持系统稳定性的唯一方法是缩小增益PK ，然而这样作将会导致系统调节周期T 变大，系统响应变慢，从而降低了系统的调节性能。

大惯量物体的一个明显特征是惯性滞后。

通常在研究数控设备时，忽略其时滞效应。

然而，精密定位控制的大惯量物体，其时滞效应是不容忽视的，原因有二：一是大惯量物体由于惯性大及传动链长，所需的扭矩大，引起的应变大，加之电流转换的滞后，时滞效应明显；二是随着微机运算能力的提高，精密定位控制时，要求采样周期缩短，这种情况下，时滞效应的不利影响明显表现出来，因此，有必要对有时滞的大惯量物体的定位控制加以研究。

对于滞后系统的控制，国内外不少学者和工程术人员在过程控制中作过大量的研究，而对位置控制，通常采用增大采样周期、用PID 方法进行控制。

本文采用预估补偿方案，得出适合于数字伺服的控制算法，并与PID 算法加以比较。

计算机仿真结果表明，对大惯量带有时滞的系统，Smith 预估补偿控制方案能得到优良的控制品质，是一种理想的控制方案。

Smith 预估控制的提出就较好地解决了这个问题，它通过在回路中加入Smith 预估器，从而可以在环路中使用较大的增益而不使系统出现不稳定。