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1、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：Gpc (s) =1e0s，试设计一(s+3)(2s+1)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
2、真结果图；3、根据以上仿真结果，分析Gpc (s)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
3、，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 alg
4、orithm 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 compe
5、tition, 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 applicati
6、on for science. Matlab,has become acollege students masters 'r doctors ' basikills 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
7、 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 si
8、mulation, 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 requirement
9、s of an object parameter changes greatly.%)二1+%)耳(打严(1)叫(?卫)严l+DQs)%)严(1)1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
10、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 G(s)e -ts，被控对象中 不包含纯滞后部分的传递函数为G(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G(s)(1-e -ts)，t为纯滞后时间，补偿后的系统如图1
11、所示。恥)17 G卫)QC(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- s仅仅将控制作 用在时间座标上推移了一个时间，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。图1史密斯补偿后的控制系统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G(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由式(1)可以看出，系统特
12、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(s)(1-e ”)，t为纯滞后时间，补偿后的系统如图1所示。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 (z)，则数字控制器 D(z)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-品(5)(5)=由式(3)可以看出，经过补偿后，纯滞后环节在闭环 回
13、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- s仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间，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(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ri_-a 1<?(z) = z"XZ %) =z"rG (z)sG (z)为被控对象中不具有纯滞后部分的脉冲传递函数，N= /T,是被控对象纯滞后时间，T是系统采样周期。3纯滞后对控制效果的影响3.1系统仿真图在没
14、有纯滞后时整定调节器PI参数wr I I I AST .11 lib 1.11- -11*图2史密斯补偿计算机控制系统滞后时间为0, PI整定参数P=4.7, 1=3.9，阶跃输 入信号具有纯滞后环节对控制效果的影响D (z)就是要在计算机中实现的史密斯补偿器, 其传递函数为刀对于控制器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预估模型无偏差时，在有扰动信号情况下输出波 形形令令_SbK>n503040030il040hi.预估模型有偏差时，在有扰动信号情况下输出波形滞后时间为10，PI参数保持不变，阶跃输入信号预估模型无偏差时，在无扰动信号情况下输
15、出波Time offeet: Q可见使用整定的控制器无法正常工作。3.2构建smith预估控制系统预估模型有偏差时，在无扰动信号情况下输出波ran sport delayl滞后时间为5,其余参数保unre offeet: QDu时Time offset: 0Time offset: 0Irrr t-tr Twrapot2<： 2 10I inre offset: 0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
16、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 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Gpc (s)(s 3)(2s1)10Se_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。