浅谈Smith预估控制及其改进算法
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２Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 控 制 器
际对 象有误 差 时 ， 控制 品质会 显 著恶化 ， 至发散 ， 甚 而
且 对 外 部扰 动 非 常敏 感 ， 鲁棒 性 较 差 。所 以 ， 一般 的 Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预估 控制 系统难 以在 实际 中得 到真正 的应 用 。 ３Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 补偿原理 及结构
１引 言
缺 点就 是太 过依 赖精确 的数 学模 型 ， 当估计 模 型与实
在 工业过 程控 制领域 中 ， 许多 被控 制对 象都不 同
程 度存 在着 时滞 现象 ， ｍｉ Ｓ ｔ 估 补偿 控制 方 法最 大 ｈ预 的优点 是将 闭环特 征方程 中的时滞 去掉 了， 因而有 时 滞 过程 的设计 问题 就转化 成无 时滞 的问题 。
延迟 了 的被调 量超前 反应 到调节 器 ， 使调 节器 提前 动
作 ， 而 减少超 调量 并加 速调节 过程 。如 果预 估模 型 从 准确， 该方 法 能够 获 得较 好 的控 制 效果 ， 而 消除 纯 从 滞后 对 系统 的不利 影响 。 使系统 品 质与被 控过 程无 滞 后 时相 同 。为考察 Ｓ ｔ 估补 偿系统 的工作 原理 ， ｍｉ ｈ预 我们 先 从一 般 的反馈控 制系统 开始 讨论 ， 下 图 １ 如
张斌 ， 子 良 ： 钟 浅谈 Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 控 制及 其 改进 算 法
・２ １・
设 Ｇ。ｓ ｅ 为 过 程 控 制控 制 通 道 的特 性 ， 中 （ ） 。 其 Ｇ （） 。ｓ 为不包 含 纯滞后 部 分 的传 递 函数 ， （ ） Ｇｆｓ 为过程
扰 动通 道 的传 递 函 数 （ 考 虑 纯滞 后 ） Ｇ （ ） 调 节 不 ， ｓ为
入补 偿装 置 ， 控制通 道传 递 函数 中的纯 滞后 部分 与 将
其他 部分 分离 ， 其特 点是 预先估 计 出系统 在 给定 的信 号下 的动态 特 性 ， 然后 由预估 器 进 行补 偿 ， 图使 被 力
个没 有时滞 的被 调节量 反馈 到控 制器 ， 使得 整个 系统
的控 制犹 如没有 时滞环 节 。 的结构 是在 常规控 制器 它 上 并 联 一个 时滞 预估 器 ， 而 构 成 Ｓ ｔ 从 ｍｉ ｈ预 估 控 制 器。 当预估 模型完 全准 确 时 ， 系统 闭环特 征方 程 ， 该 其 中， 是控 制器 的传 递 函数 ， 是对 象 的传递 函数 。可见 ， Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预估 控 制 系统 的最 大 优 点 就是 将 时 滞 环 节 移 到 了闭环 之外 ， 使控 制 品质 大 大提高 。 是 ， 最大 的 但 其
第 ２ 卷第 ３ ８ 期
Ｖｏ ． ８ ‘ 【２ Ｎ０． ３
萍 乡高等 专科 学校 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＰ ｎ ｘａ ｇ Ｃｏｌｇ ｏ ｒ ａ ｉｇ ｉｎ ｌ ｅ ｏ ｅ
２ｌ 年 ６ Ｏ１ 月
Ｊｎ．Ｏ１ ｕ ｅ ２ １
浅 谈 Ｓｍ ｉｈ 预 估 控 制 及 其 改 进 算 法 ｔ
Ｙ（） ｓ Ｒ（） ｓ Ｇ ｓ Ｇ。 ｓ ｅ （） （） １ Ｇ ｓ Ｇ。 ｓ ｅ ＋ （ ） （ ）
号 ， 可大 大改 善控制 品质 。但 是在 实际 工业控 制 过 则
程 中 Ｇ。ｓ 与 ｅ ｔ 不 可分割 的 ， 以 Ｏ．．Ｓ ｔ （） － 是 Ｓ 所 Ｊ ｍｉ ｈ提 出 了采用 等效 补偿 的方法 来实现 。 图 ２ ａ为 Ｓ ｔ （） ｍｉ ｈ预估 器 补偿控 制 的原理 图 ， ２ 图 （） ｂ 为补偿 后 的等效 框 图 。
题 。Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 补 偿 控 制 方 法 从 理 论 上 为 解 决 时滞 系统 的控 制 问题 提 供 了 一 种 有效 的方 法 。 关 键 词 ：ｍｉ Ｓ ｔ ｈ预 估控 制 ； 理 结 构 ； 进 算 法 原 改
中图 分 类 号 ： Ｍ ６ １ ６ Ｔ ２ ． 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： ０ ７ ９ ４ （ ０ １ ０ — ０ ２ —Ｏ １ ０ — １９ ２ １ ）３ Ｏ Ｏ ４
Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 补偿 控 制 是 在 系统 的 反馈 回路 Байду номын сангаас 引
Ｏ． ． Ｊ Ｍ．Ｓ ｔ ｍｉ ｈ最早 在 １ ５ ９ ８年 提 出 了预 估控 制 器， 这是 一个 时滞 补偿 的预估 算法 。它通过 估计 对象 的动 态特 性 ， 用一 个 预 估模 型 作 为 补偿 ， 而 得 到一 从
在 上 两 式 的 特 征 方 程式 中 ， 于 引入 了 ｅ ｔ ， 由 －项 ｓ 使 得 闭环 系统 的 品质 大大 恶化 ， 能将 Ｇ （ ） 若 。 ｓ 与分 开 并 以 为控制 通道 的传递 函数 ， 以输 出信 号作 为反 馈信
器 的传递 函数 ， 图示 的 主 回路 的传 递 函数 为 ： 则
张 斌 ， 子 良 钟
（ 西 应用工 程职 业 学院 电气 工程 系 ， 西 萍 乡 ． ３ ０ ０ 江 江 ３７０ ）
摘
要 ： 工 业 过 程 控 制 领 域 中 ， 滞 系 统 的 控 制 一 直 受 到 人 们 的关 注 ， 是 目前 过 程 控 制 研 究 领 域 的 一 个 重 要 课 在 时 也
对 于干扰 量 的闭环 传递 函数 为 ：
Ｙ（） ｓ Ｆ（ ） ｓ Ｇｆｓ （） １ Ｇ ｓ Ｇ。 ｓ ｅ ＋ （ ） （ ）
（） ２
Ｒ （ ｓ ）
＋
图 ２ （ 原 理 图 ａ）
图 ２ （） 效 图 ｂ等
可见 ， 我们 引入 预估 补偿 装 置后 ， 出对 给定值 的闭环传 递 函数 为 输
一
圆 一ｌ Ｇ
图 １ 一 般 反 馈 控 制 系 统
收 稿 日期 ： ０ ｌ ｌ ｌ ２ １ —Ｏ — ５ 作者简介 ： 张斌 （ ９ ４ ） １ ８ 一 ，男 ， 西 萍 乡人 ， 学 学 士 ， 教 ， 西 应 用 工 程 职 业 学 院任 教 。 江 工 助 江
第 ３ 期
际对 象有误 差 时 ， 控制 品质会 显 著恶化 ， 至发散 ， 甚 而
且 对 外 部扰 动 非 常敏 感 ， 鲁棒 性 较 差 。所 以 ， 一般 的 Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预估 控制 系统难 以在 实际 中得 到真正 的应 用 。 ３Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 补偿原理 及结构
１引 言
缺 点就 是太 过依 赖精确 的数 学模 型 ， 当估计 模 型与实
在 工业过 程控 制领域 中 ， 许多 被控 制对 象都不 同
程 度存 在着 时滞 现象 ， ｍｉ Ｓ ｔ 估 补偿 控制 方 法最 大 ｈ预 的优点 是将 闭环特 征方程 中的时滞 去掉 了， 因而有 时 滞 过程 的设计 问题 就转化 成无 时滞 的问题 。
延迟 了 的被调 量超前 反应 到调节 器 ， 使调 节器 提前 动
作 ， 而 减少超 调量 并加 速调节 过程 。如 果预 估模 型 从 准确， 该方 法 能够 获 得较 好 的控 制 效果 ， 而 消除 纯 从 滞后 对 系统 的不利 影响 。 使系统 品 质与被 控过 程无 滞 后 时相 同 。为考察 Ｓ ｔ 估补 偿系统 的工作 原理 ， ｍｉ ｈ预 我们 先 从一 般 的反馈控 制系统 开始 讨论 ， 下 图 １ 如
张斌 ， 子 良 ： 钟 浅谈 Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 控 制及 其 改进 算 法
・２ １・
设 Ｇ。ｓ ｅ 为 过 程 控 制控 制 通 道 的特 性 ， 中 （ ） 。 其 Ｇ （） 。ｓ 为不包 含 纯滞后 部 分 的传 递 函数 ， （ ） Ｇｆｓ 为过程
扰 动通 道 的传 递 函 数 （ 考 虑 纯滞 后 ） Ｇ （ ） 调 节 不 ， ｓ为
入补 偿装 置 ， 控制通 道传 递 函数 中的纯 滞后 部分 与 将
其他 部分 分离 ， 其特 点是 预先估 计 出系统 在 给定 的信 号下 的动态 特 性 ， 然后 由预估 器 进 行补 偿 ， 图使 被 力
个没 有时滞 的被 调节量 反馈 到控 制器 ， 使得 整个 系统
的控 制犹 如没有 时滞环 节 。 的结构 是在 常规控 制器 它 上 并 联 一个 时滞 预估 器 ， 而 构 成 Ｓ ｔ 从 ｍｉ ｈ预 估 控 制 器。 当预估 模型完 全准 确 时 ， 系统 闭环特 征方 程 ， 该 其 中， 是控 制器 的传 递 函数 ， 是对 象 的传递 函数 。可见 ， Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预估 控 制 系统 的最 大 优 点 就是 将 时 滞 环 节 移 到 了闭环 之外 ， 使控 制 品质 大 大提高 。 是 ， 最大 的 但 其
第 ２ 卷第 ３ ８ 期
Ｖｏ ． ８ ‘ 【２ Ｎ０． ３
萍 乡高等 专科 学校 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＰ ｎ ｘａ ｇ Ｃｏｌｇ ｏ ｒ ａ ｉｇ ｉｎ ｌ ｅ ｏ ｅ
２ｌ 年 ６ Ｏ１ 月
Ｊｎ．Ｏ１ ｕ ｅ ２ １
浅 谈 Ｓｍ ｉｈ 预 估 控 制 及 其 改 进 算 法 ｔ
Ｙ（） ｓ Ｒ（） ｓ Ｇ ｓ Ｇ。 ｓ ｅ （） （） １ Ｇ ｓ Ｇ。 ｓ ｅ ＋ （ ） （ ）
号 ， 可大 大改 善控制 品质 。但 是在 实际 工业控 制 过 则
程 中 Ｇ。ｓ 与 ｅ ｔ 不 可分割 的 ， 以 Ｏ．．Ｓ ｔ （） － 是 Ｓ 所 Ｊ ｍｉ ｈ提 出 了采用 等效 补偿 的方法 来实现 。 图 ２ ａ为 Ｓ ｔ （） ｍｉ ｈ预估 器 补偿控 制 的原理 图 ， ２ 图 （） ｂ 为补偿 后 的等效 框 图 。
题 。Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 补 偿 控 制 方 法 从 理 论 上 为 解 决 时滞 系统 的控 制 问题 提 供 了 一 种 有效 的方 法 。 关 键 词 ：ｍｉ Ｓ ｔ ｈ预 估控 制 ； 理 结 构 ； 进 算 法 原 改
中图 分 类 号 ： Ｍ ６ １ ６ Ｔ ２ ． 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： ０ ７ ９ ４ （ ０ １ ０ — ０ ２ —Ｏ １ ０ — １９ ２ １ ）３ Ｏ Ｏ ４
Ｓ ｔ ｍｉ ｈ预 估 补偿 控 制 是 在 系统 的 反馈 回路 Байду номын сангаас 引
Ｏ． ． Ｊ Ｍ．Ｓ ｔ ｍｉ ｈ最早 在 １ ５ ９ ８年 提 出 了预 估控 制 器， 这是 一个 时滞 补偿 的预估 算法 。它通过 估计 对象 的动 态特 性 ， 用一 个 预 估模 型 作 为 补偿 ， 而 得 到一 从
在 上 两 式 的 特 征 方 程式 中 ， 于 引入 了 ｅ ｔ ， 由 －项 ｓ 使 得 闭环 系统 的 品质 大大 恶化 ， 能将 Ｇ （ ） 若 。 ｓ 与分 开 并 以 为控制 通道 的传递 函数 ， 以输 出信 号作 为反 馈信
器 的传递 函数 ， 图示 的 主 回路 的传 递 函数 为 ： 则
张 斌 ， 子 良 钟
（ 西 应用工 程职 业 学院 电气 工程 系 ， 西 萍 乡 ． ３ ０ ０ 江 江 ３７０ ）
摘
要 ： 工 业 过 程 控 制 领 域 中 ， 滞 系 统 的 控 制 一 直 受 到 人 们 的关 注 ， 是 目前 过 程 控 制 研 究 领 域 的 一 个 重 要 课 在 时 也
对 于干扰 量 的闭环 传递 函数 为 ：
Ｙ（） ｓ Ｆ（ ） ｓ Ｇｆｓ （） １ Ｇ ｓ Ｇ。 ｓ ｅ ＋ （ ） （ ）
（） ２
Ｒ （ ｓ ）
＋
图 ２ （ 原 理 图 ａ）
图 ２ （） 效 图 ｂ等
可见 ， 我们 引入 预估 补偿 装 置后 ， 出对 给定值 的闭环传 递 函数 为 输
一
圆 一ｌ Ｇ
图 １ 一 般 反 馈 控 制 系 统
收 稿 日期 ： ０ ｌ ｌ ｌ ２ １ —Ｏ — ５ 作者简介 ： 张斌 （ ９ ４ ） １ ８ 一 ，男 ， 西 萍 乡人 ， 学 学 士 ， 教 ， 西 应 用 工 程 职 业 学 院任 教 。 江 工 助 江
第 ３ 期