數(shù)字PID調(diào)節(jié)器純滯后的補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、數(shù)字pid調(diào)節(jié)器純滯后的補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)摘要對(duì)于無(wú)滯后或滯后比較小的系統(tǒng)，通常采用pid控制。對(duì)于純滯后系統(tǒng)，pid控制效果并不好，需要另加補(bǔ)償，因此提出了smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)。而 smith 預(yù)估算法則在模型匹配時(shí)具有好的性能指標(biāo) ,但是由于這種算法嚴(yán)重依賴模型的精確匹配 ,而在實(shí)際中這是很難做到的 。本文研究的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)純滯后系統(tǒng)的控制過(guò)程的控制規(guī)律和控制算法，并比較傳統(tǒng)的數(shù)字pid控制算法與加入smith預(yù)估器的控制算法的不同。具體討論了純滯后系統(tǒng)的smith預(yù)估器的實(shí)現(xiàn)方法，著重對(duì)這種控制算法進(jìn)行了較深入的討論，而且還通過(guò)仿真對(duì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真實(shí)驗(yàn)中，若采用pi

2、d控制算法，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，采用史密斯預(yù)估器補(bǔ)償控制超調(diào)量大大較少，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。關(guān)鍵字：matlab；純滯后；數(shù)字pid；smith 預(yù)估控制器；simulinkabstractpid控制。對(duì)于純滯后系統(tǒng)，pid控制效果并不好，需要另加補(bǔ)償，因此提出了smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)。而 smith 預(yù)估算法則在模型匹配時(shí)具有好的性能指標(biāo) ,但是由于這種算法嚴(yán)重依賴模型的精確匹配 ,而在實(shí)際中這是很難做到的 。for the system with no or less delay, usually adopts pid control. for pure delay system, pi

3、d 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

4、 do.本文研究的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)純滯后系統(tǒng)的控制過(guò)程的控制規(guī)律和控制算法，并比較傳統(tǒng)的數(shù)字pid控制算法與加入smith預(yù)估器的控制算法的不同。具體討論了純滯后系統(tǒng)的smith預(yù)估器的實(shí)現(xiàn)方法，著重對(duì)這種控制算法進(jìn)行了較深入的討論，而且還通過(guò)仿真對(duì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真實(shí)驗(yàn)中，若采用pid控制算法，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量，采用史密斯預(yù)估器補(bǔ)償控制超調(diào)量大大較少，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。this paper is focused on the control and implementation of rules and the control algorithm to control the

5、 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

6、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.關(guān)鍵字：matlab；純滯后；數(shù)字pid；smith 預(yù)估控制器；simu

7、linkkeywords: matlab; delay; digital pid; smith controller; simulink目錄1.設(shè)計(jì)的目的及意義12.純滯后系統(tǒng)概念12.1時(shí)滯的描述12.1.1純滯后產(chǎn)生的主要原因22.1.2具有純滯后對(duì)象的傳遞函數(shù)22.2純滯后系統(tǒng)的控制算法22.2.1常規(guī)控制方法22.2.2智能控制方法33.數(shù)字pid控制理論及系統(tǒng)仿真33.1 pid控制算法33.1.1 模擬pid調(diào)節(jié)器33.1.2 數(shù)字pid控制算法43.2 pid的參數(shù)整定53.3 pid控制器的仿真7.smith預(yù)估控制理論及系統(tǒng)仿真9.1 smith預(yù)估控制理論94.1.1smi

8、th預(yù)估控制的基本原理94.1.2 smith預(yù)估器104.1.3純滯后補(bǔ)償控制算法步驟114.2 smith控制系統(tǒng)仿真研究114.2.1控制方案和仿真框圖的建立115.控制系統(tǒng)仿真比較分析136.總結(jié)14參考文獻(xiàn)151.設(shè)計(jì)的目的及意義在工業(yè)控制領(lǐng)域，數(shù)字pid控制器獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，數(shù)字pid控制器的不足之處在于，當(dāng)純延遲時(shí)間大于時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)的相關(guān)階數(shù)不小于一階，則這時(shí)pid控制器不是最好的選擇，應(yīng)采用高級(jí)的控制器，比如史密斯預(yù)估控制器。在現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程中，有不少的過(guò)程特性具有較大的純滯后時(shí)間，其特點(diǎn)是當(dāng)控制作用產(chǎn)生后，在純滯后時(shí)間范圍內(nèi)，被控參數(shù)完全沒(méi)有響應(yīng)，使得被控量不能及時(shí)地

9、反應(yīng)系統(tǒng)承受的控制作用，被控參數(shù)也不能及時(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，從而產(chǎn)生明顯的超調(diào)，使得對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，使得對(duì)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和控制變得更加復(fù)雜和困難。如果用常規(guī)數(shù)字pid調(diào)節(jié)，不僅超調(diào)量大而且調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足高控制精度的要求；如果時(shí)滯時(shí)間過(guò)大，系統(tǒng)可能產(chǎn)生振動(dòng)，同樣存在于系統(tǒng)不穩(wěn)定的可能。因此，時(shí)滯系統(tǒng)的控制問(wèn)題一直是控制理論和控制工程領(lǐng)域中研究的一個(gè)熱點(diǎn)，此類問(wèn)題的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。為了改善時(shí)滯系統(tǒng)的控制品質(zhì)，人們先后提出了smith預(yù)估控制算法、最優(yōu)控制算法、自適應(yīng)控制算法、大林控制算法等方法，其中最具影響力的是smith預(yù)估控制算法。本課題要求掌握

10、pid控制算法純滯后的補(bǔ)償算法，并設(shè)計(jì)smith預(yù)估器，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為，測(cè)試信號(hào)為階躍信號(hào)量15，滯后為0.5s.2.純滯后系統(tǒng)概念2.1時(shí)滯的描述時(shí)滯（time-delay）是指信號(hào)傳輸?shù)难舆t，從頻率特性上講，它是指相頻特性對(duì)頻率導(dǎo)數(shù)的負(fù)值。時(shí)滯是控制系統(tǒng)中廣泛存在的一種現(xiàn)象。通常所說(shuō)的時(shí)滯一般是指純滯后。純滯后經(jīng)常用作理想地描述傳送過(guò)程中的滯后現(xiàn)象和慣性作用等導(dǎo)致的滯后現(xiàn)象。純滯后定義為：當(dāng)輸入一個(gè)信號(hào)后輸出不立即反應(yīng)，而是經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才反應(yīng)出來(lái)，而且輸入和輸出在數(shù)值上并無(wú)不同，僅是在時(shí)間上有一定的滯后，這段時(shí)間稱為純滯后時(shí)間，常以表示。2.1.1純滯后產(chǎn)生的主要原

11、因1.物質(zhì)反應(yīng)、能量的釋放及能量交換需要一定過(guò)程和時(shí)間； 2.設(shè)備和設(shè)備之間的串聯(lián)需要許多的中間環(huán)節(jié)； 3.測(cè)量裝置的響應(yīng)時(shí)間；4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間；由于純滯后的存在，調(diào)節(jié)作用不及時(shí)，導(dǎo)致被調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)下降。純滯后越大，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)越差。2.1.2具有純滯后對(duì)象的傳遞函數(shù)純滯后環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是其輸出信號(hào)比輸入信號(hào)延遲一定的時(shí)間，它的時(shí)域表達(dá)式為：,式中為純滯后時(shí)間。對(duì)上式求拉普拉斯變換，可得：；由此可得純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：在實(shí)際自控系統(tǒng)中，被控對(duì)象往往與執(zhí)行機(jī)構(gòu)一起構(gòu)成廣義被控對(duì)象，它的動(dòng)態(tài)特性通常可近似為具有純滯后的一階系統(tǒng)：或是二階系統(tǒng)：2.2純滯后系統(tǒng)的控制算法2.2.1常規(guī)控

12、制方法上世紀(jì)60年代，smith提出了smith預(yù)估控制器，從原理上講它是一個(gè)克服純滯后影響的有效方法，其基本原理是與具有純滯后的對(duì)象并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，經(jīng)補(bǔ)償后，實(shí)現(xiàn)了將純滯后環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到閉環(huán)控制回路之外，從而消除了純滯后對(duì)控制性能的影響。1968年，ibm公司的大林提出了一種針對(duì)工業(yè)過(guò)程中含有純滯后的對(duì)象的算法，其基本原理是把具有純滯后對(duì)象的閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)成一階慣性純滯后，其滯后時(shí)間要求與對(duì)象的滯后時(shí)間相同，然后推理出控制器的傳遞函數(shù)，這是一種直接數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法，后人稱之為“大林算法”，此算法具有消除余差、對(duì)純滯后有補(bǔ)償作用等特點(diǎn)。微分先行pid控制是一種基本pid控制改進(jìn)算法

13、，由于純滯后的存在，應(yīng)用基本pid控制很難取得較好的控制效果，微分先行pid控制不是把微分控制加到控制系統(tǒng)的前向通道，而是加到反饋通道，只對(duì)輸出量進(jìn)行微分，不對(duì)給定值微分，從而改善了控制性能，提高了穩(wěn)定性。2.2.2智能控制方法智能控制是在自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等多學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門交叉學(xué)科，處于控制科學(xué)的前沿領(lǐng)域，它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)的控制理論無(wú)能為力的控制領(lǐng)域，比如控制系統(tǒng)的復(fù)雜性、測(cè)量的不準(zhǔn)確性和不確定性；目前，智能控制理論和技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入工程化和實(shí)用化階段，其主要分支有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、專家系統(tǒng)等。3.數(shù)字pid控制理論及系統(tǒng)仿真3.

14、1 pid控制算法pid是按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的一種控制規(guī)律。它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在連續(xù)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。3.1.1 模擬pid調(diào)節(jié)器pid調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)進(jìn)行比較，構(gòu)成控制偏差 （3-1）并將其比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，簡(jiǎn)稱p（proportional）i（integral）d（differential）調(diào)節(jié)器。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)象的特性和控制要求，也可靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。+-rink +比例積分微分控制對(duì)象圖 1 模擬模擬p

15、id控制3.1.2 數(shù)字pid控制算法 在連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)中，pid控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。 1、數(shù)字pid位置型控制算法數(shù)字pid位置型控制算法為 (3-2)式（3-2）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k),所以被稱為數(shù)字pid置型控制算法。2、數(shù)字pid增量型控制算法由式（3-2）可看出，位置型控制算法不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴(j),它不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此可對(duì)上式進(jìn)行如下改進(jìn)。 （3-3）將式（3-2）和式（3-3）相減，即得數(shù)字pid增量型控制算法為 （3

16、-4）可見(jiàn),增量式算法提供了控制量的增量形式，所以被稱為數(shù)字pid增量型控制算法。增量式算法只需保持現(xiàn)時(shí)以前三個(gè)時(shí)刻的偏差值。3、兩種標(biāo)準(zhǔn)pid控制算法比較增量型算法較位置型算法，雖然只是在算法上改動(dòng)了一點(diǎn)，但卻有不少優(yōu)點(diǎn)：1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。位置型算法由于累加過(guò)去誤差，容易產(chǎn)生大的累加誤差。2）增量型算法得出的是控制量的增量，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大。3）增量型算法算式中不出現(xiàn)u0項(xiàng)，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的切換。3.2 pid的參數(shù)整定數(shù)字pid控制器參數(shù)整定的任務(wù)是確

17、定、和采樣周期。1、采樣周期的選擇從shannon采樣定理可知，只有當(dāng)采樣頻率達(dá)到系統(tǒng)信號(hào)最高頻率的兩倍或兩倍以上，才能使采樣信號(hào)不失真地復(fù)現(xiàn)原來(lái)的信號(hào)。選擇采樣周期t，一般考慮以下因素：1）采樣周期應(yīng)比對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多。2）采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于對(duì)象擾動(dòng)信號(hào)的周期。3）當(dāng)系統(tǒng)純滯后占主導(dǎo)地位時(shí)，應(yīng)按純滯后大小選擇t。4）考慮執(zhí)行器的響應(yīng)速度，t應(yīng)大于執(zhí)行器的響應(yīng)速度。5）采樣周期的下限是完成采樣、運(yùn)算和輸出所需要的時(shí)間。2、pid參數(shù)的工程整定法（1）擴(kuò)充臨界比例度法1）選擇合適的采樣周期t，控制器作純比例控制；2）調(diào)整的值，使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下相應(yīng)的臨界振蕩周期 和臨界振蕩增益；3）選擇

18、合適的控制度?？刂贫榷x為：數(shù)字控制系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的模擬控制系統(tǒng)誤差平方的積分之比，即控制度 （3-5）控制度表示數(shù)字控制相對(duì)模擬控制效果，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，數(shù)字控制與模擬控制效果相同；當(dāng)控制度為2時(shí)，數(shù)字控制比模擬控制的質(zhì)量差一倍。4）根據(jù)控制度，查表，即可求出t、和的值。表 1 擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù)表控制度控制規(guī)律1.05pi0.030.540.88-pid0.0140.630.490.141.2pi0.050.490.91-pid0.0450.470.470.161.5pi0.140.420.99-pid0.090.340.430.202.0pi0.220.361.05-pid0.1

19、60.270.40.22（2）擴(kuò)充響應(yīng)曲線法1）斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下工作。當(dāng)系統(tǒng)在給定值處于平衡后，給一階躍輸入。2）用儀表記錄下被調(diào)參數(shù)在階躍作用下的變化過(guò)程曲線。3）在曲線最大斜率處做切線，求得滯后時(shí)間，對(duì)象時(shí)間常數(shù)，它們的比值；4）根據(jù)所求得的、和的值，查表即可求得控制器的、的值，表中控制度的求法與擴(kuò)充臨界比例度法相同。表 2 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法正定參數(shù)表控制度控制規(guī)律1.05pi0.10.843.4-pid0.051.152.00.451.2pi0.20.733.6-pid0.161.01.90.551.5pi0.50.683.9-pid0.340.851.620.652.0

20、pi0.80.574.2-pid0.60.61.50.82（3）pid歸一參數(shù)整定法設(shè)pid增量式算式為 (3-6)式中， 對(duì)式作z變換，可得pid數(shù)字控制器的z傳遞函數(shù)為 (3-7)pid數(shù)字控制器參數(shù)的整定，要確定、四個(gè)參數(shù)，為了減少在線整定參數(shù)的數(shù)目，常常人為假定約束的條件，以減少獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)，例如取0.1；0.5；0.125式中，是純比例控制時(shí)的臨界振蕩周期。將式代入式，可得 (3-8)相應(yīng)的差分方程為 (3-9)由式可以看出，對(duì)四個(gè)參數(shù)的整定化成對(duì)一個(gè)參數(shù)的整定，使問(wèn)題明簡(jiǎn)化了。(4)湊試法確定pid參數(shù)在pid參數(shù)整定方法中，最基本和最簡(jiǎn)單的方法為湊試法，即對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積

21、分，再微分的整定步驟。3.3 pid控制器的仿真 被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為，測(cè)試信號(hào)為階躍信號(hào)量15，滯后為0.5s。在matlab的simulink仿真環(huán)境下搭建如圖所示的pid控制系統(tǒng)模塊，再把整定好的參數(shù)帶入pid控制器模塊大參數(shù)中，點(diǎn)擊運(yùn)行后就可以通過(guò)示波器（scope）模塊觀察到pid控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。pid控制系統(tǒng)的simulink仿真系統(tǒng)模型如圖所示：圖2 pid控制系統(tǒng)的simulink仿真系統(tǒng)模型雙擊系統(tǒng)的pid模塊設(shè)置參數(shù)為：圖3 pid參數(shù)設(shè)置然后在simulink窗口下點(diǎn)擊“黑色三角形”運(yùn)行模塊得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線：圖4pid控制系統(tǒng)仿真階躍響應(yīng).smith預(yù)估控制理論及系

22、統(tǒng)仿真smith通過(guò)對(duì)滯后系統(tǒng)的研究分析，提出了smith預(yù)估補(bǔ)償器，又稱為smith預(yù)估控制算法。其特點(diǎn)是預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在干擾作用下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使被延遲了時(shí)間的被控量超前反映到控制器的輸入端，使控制器提前動(dòng)作，從而達(dá)到減小超調(diào)和加快響應(yīng)速度的目的。.1 smith預(yù)估控制理論4.1.1smith預(yù)估控制的基本原理如下圖所示，在單回路控制系統(tǒng)中，為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，用于校正部分；表示被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，為被控對(duì)象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)，為被控對(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)。圖 5 帶純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)與 并接一補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用來(lái)補(bǔ)償被控對(duì)象中的純滯后部分。這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)稱

23、為預(yù)估器，其傳遞函數(shù)為，為純滯后時(shí)間，補(bǔ)償后的系統(tǒng)框圖示于下圖中。圖 6 帶smith預(yù)估器的控制系統(tǒng)由施密斯預(yù)估計(jì)器和調(diào)節(jié)器組成的補(bǔ)償回路稱為純滯后補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為：補(bǔ)償后的傳遞函數(shù)如下：從上式可知，經(jīng)補(bǔ)償后，消除了純滯后部分對(duì)控制系統(tǒng)的影響，因式中在閉環(huán)控制回路之外，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，拉氏變換的位移定理說(shuō)明，僅將控制作用在時(shí)間坐標(biāo)上推移了一個(gè)時(shí)間，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及其它性能指標(biāo)都與對(duì)象特性為時(shí)完全相同。4.1.2 smith預(yù)估器滯后環(huán)節(jié)使信號(hào)延遲，所以在內(nèi)存中設(shè)定n個(gè)單元作為存放信號(hào)m(k)的歷史數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)n由下式?jīng)Q定。；n-滯后時(shí)間；t-采樣周期每采樣一次，把m(k)

24、記入0單元，同時(shí)把0單元原來(lái)存放數(shù)據(jù)放到1單元，1單元原來(lái)存放數(shù)據(jù)放到2單元,以此類推，從單元n輸出的信號(hào)，就是滯后n個(gè)采樣周期的m(k-n)信號(hào)。施密斯預(yù)估器的輸出可按下圖順序計(jì)算。 圖 7 smith預(yù)估器方塊圖圖中，u(k)是pid數(shù)字控制器的輸出，是施密斯預(yù)估器的輸出。從圖中可知，必須先計(jì)算傳遞函數(shù)的輸出m(k)后，才能計(jì)算預(yù)估器的輸出許多工業(yè)對(duì)象可近似用一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)來(lái)表示被控對(duì)象的放大系數(shù)；被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；純滯后時(shí)間預(yù)估器的傳遞函數(shù)為4.1.3純滯后補(bǔ)償控制算法步驟計(jì)算反饋回路的偏差 計(jì)算純滯后補(bǔ)償器的輸出 化成微分方程式，則可寫相應(yīng)的差分方程為此式為施密斯預(yù)估

25、控制算式。式中 ， 計(jì)算偏差 = ；計(jì)算控制器的輸出u(k)當(dāng)控制器采用pid控制算法時(shí)，則4.2 smith控制系統(tǒng)仿真研究4.2.1控制方案和仿真框圖的建立圖 8 smith控制方案圖由此控制方案圖通過(guò)simulink平臺(tái)，可把其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的仿真框圖，如下圖所示，并對(duì)其進(jìn)行仿真研究，檢驗(yàn)控制系統(tǒng)品質(zhì)。圖9 加入smith預(yù)估器的控制系統(tǒng)的simulink仿真系統(tǒng)模型模型中的pid模塊的三個(gè)參數(shù)仍采用前面數(shù)字pid仿真模型圖中的參數(shù)，系統(tǒng)的延遲時(shí)間設(shè)為1.5。然后在simulink窗口下點(diǎn)擊“黑色三角形”運(yùn)行模塊得到受控系統(tǒng)在smith預(yù)估器的控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，如圖所示：圖 10加入s

26、mith預(yù)估器的控制系統(tǒng)仿真階躍響應(yīng)5.控制系統(tǒng)仿真比較分析為便于比較數(shù)字pid控制系統(tǒng)與加入smith預(yù)估器的控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，將smith仿真框圖與pid仿真框圖整合到一個(gè)仿真系統(tǒng)中，并給這兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)輸入一個(gè)階躍信號(hào)，兩系統(tǒng)的輸出同接在一個(gè)scope 上進(jìn)行比較圖 11 兩種方案整合在一起的仿真模型圖11 兩種控制方案仿真輸出曲線結(jié)果表明，采用smith控制方案，取得了性能優(yōu)良的仿真結(jié)果。smith控制與常規(guī)pid控制方案的仿真結(jié)果表明，前者優(yōu)于后者。然而，smith預(yù)估補(bǔ)償控制也有其缺點(diǎn)，即對(duì)模型誤差較為敏感，當(dāng)模型誤差較大時(shí)，smith預(yù)估補(bǔ)償控制的品質(zhì)會(huì)變壞，甚至失去穩(wěn)定性。6.總結(jié)對(duì)控制系統(tǒng)中含有純滯后的環(huán)節(jié)采用smith預(yù)估補(bǔ)償器法是一種行之有效的方法之一，smith預(yù)估補(bǔ)償控制與常規(guī)數(shù)字pid控制相比，具有調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)