斯密斯大纯滞后系统.doc

一、Smith预估控制仿真研究1 PID理论参数整定（1） 理论设计使用PID控制器参数工程整定方法里的动态特性参数法。动态特性参数法是一种以被控对象控制通道的阶跃响应曲线为依据，通过一些经验公式求取控制器最佳参数整定值的开环整定方法。用动态特性参数法计算PID控制器参数整定值的前提是，将系统简化为由控制器Gc(s)和广义被控对象Gp(s)两大部分组成，其中，广义被控对象的阶跃响应曲线可用一阶惯性环节加纯迟延来近似，即 (1-1)否则根据一下几种动态参数整定方法得到的控制器(1-2)中整定参数只能做初步估计。Z-N工程整定法Z-N工程整定法是由齐格勒(Ziegler)和尼科尔斯（Nichols)与1942年首先提出的，计算PID控制器整定参数见表1。表1 Z-N控制器整定参数公式控制器类型由阶跃响应整定KpTiTdP控制器PI控制器PID控制器（2）参数计算把参数代入，K=3，=60，T=20，得计算，得0.1333； 120；30；由=120计算得=0.0083。2 仿真研究Simulink仿真模型如图1-1所示。图1-1 Simulink仿真模型（PID)阶跃响应曲线如图1-2所示。图1-2 响应曲线（a)阶跃响应曲线不平滑，应该调节微分环节和积分环节，保持比例环节不变。经过参数调节，取39.68；7 ，此时阶跃响应曲线如1-3所示。图1-3 响应曲线(b)到此工程整定法整定出来的PID参数经过调节整定完毕。3加入Smith预估系统研究仿真模型如图1-4所示。图1-4 Smith预估器模型（a)阶跃响应曲线如图1-5所示。图1-5 响应曲线(c)系统响应太慢，调节PID参数应减小Ti 。调节参数，取=0.1333不变，调节得到，。得到阶跃响应曲线如图1-6所示。图1-6 响应曲线(d）Smith预估器的特点是预先估计出过程控制在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被滞后了的被控变量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显地减小超调量和加速调节过程。4研究参数不匹配的情况下系统的鲁棒性（1）所有参数上调20%系统框图如图1-7所示。图1-7 Smith预估器仿真模型(b)阶跃响应曲线如图1-8所示。图1-8 上调20%响应曲线（2)所有参数下调20%阶跃响应曲线如图1-9所示。图1-9 下调20%响应曲线（3）所有参数上调5%，阶跃响应曲线如图1-10所示。图1-10 上调5%响应曲线（4）所有参数下调5%，响应曲线如图1-11：图1-11 下调5%响应曲线由参数改变的响应曲线可以看出Smith预估控制器的鲁棒性不好，它对对象的误差失分敏感，因而困难在工业中广泛应用，因此需要改进。5 结论由工程整定法整定出来的PID参数对大延迟环节的系统的控制性并不好，系统的调节时间较长。加入Smith预估控制器相当于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，使被之后的被控变量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显减小超调量和加速调节过程。但是Smith预估控制器对模型的误差十分敏感，难于在工业总应用。6 Smith预估控制的改进对于如何改进Smith预估器的性能，研究人员提出了许多改进方法。比如说增益自适应补偿控制法。1977年贾尔斯（R.F.Giles)与巴特利(T.M.Bartley)在Smith方法的基础上，提出了增益自适应补偿方案，其补偿原理如框图 图1-12所示。图1-12 增益自适应补偿控制系统方框图增益自适应补偿方法是在Smith预估模型之外加了一个除法器、一个比例微分和一个乘法器。除法器是将过程的输出值除以模型的输出值。比例微分环节中的，它是将过程输出与模型输出之比提前送入乘法器。乘法器是将预估器的输出乘以比例微分环节的输出，然后送到控制器。这三个环节的作用是要根据模型和过程输出信号之间的比值提供一个自动校正预估器的增益信号。在理想条件下，预估器模型准确地复现了过程的输出，除法器输出值为1，其等效 方框图如图十三所示。很明显，过程的延迟环节已被有效地排除在闭环控制回路以外。图1-13 理想条件下的增益自适应补偿系统等效方框图在非理想条件下，预估器 模型输出 和过程输出一般害死不完全相同的。此时，增益自适应补偿系统变成一个较为复杂的控制系统。其等效方框图如图十四所示。图1-14 带可变动反馈增益的预估补偿系统等效方框图在图十四中增益Ks的大小随着预估模型和过程输出值的变换而变化，从而在一定程度上补偿系统的时变特性。为了与Smith预估补偿器进行比较，贾尔斯和巴特利对二阶纯滞后环节做了大量的数字仿真和模拟实验。实验结果表明，在负载扰动作用是，增益自适应方