史密斯预估控制系统设计

1、（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！）扬州大学水利与能源动力工程学院课程设计报告题目：史密斯预估控制系统设计课程：计算机控制技术课程设计专业： 电气工程及其自动化班级：电气1101姓 名：学 号：第一部分任务书计算机控制技术课程设计任务书一、课题名称史密斯预估控制系统设计二、课程设计目的课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节， 它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重 要的意义。计算机控制技术是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地 位。计算机控制

2、技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等 方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整 体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事 计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。三、课程设计内容设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制 系统。1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路 （用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）； 由运放实现的被控对象。2. 控制算法：P

3、ID控制加史密斯预估控制。3. 软件设计：主程序、中断程序、 A/D转换程序、滤波程序、PID控制加史密斯预估控制程序、D/A输出程序等。四、课程设计要求1.2.模入电路能接受双极性电压输入（-5V+5V），模出电路能输出双极性电压（-5V+5V ）。模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。3.每个同学选择不同的被控对象：5104.G(s)es(0.8s+1)(0.4s+1)G(s)5 6 * e.5s(s+1)(0.2s+1)-5讣(冇28-1sG（s）e Is（0.8s+1）（0.3s+1）对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现。G(s)e-.5s(0.4s 十 1)(0.

4、5s+1)G(s)8e2s(0.8s+1)(0.2s+1)-52sG(s)e 2s(0.8s+1)(0.2s+1)五、课程设计实验结果1. 控制系统能正确运行。2. 正确整定PID参数后，系统阶跃响应的超调15%六、进度安排序号内容天数1布置任务，熟悉课题要求0.52总体方案确定，硬件电路设计1.53熟悉实验箱及C语言开发环境，研读范例程序，14控制算法设计15软件编程，调试16实验17总结，撰写课程设计报告1七、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：1 课程设计的目和设计的任务。2 课程设计的要求。3 控制系统总框图及系统工作原理。4 控制系统的硬件电路连接

5、图（含被控对象），电路的原理。5 软件设计流程图及其说明。6电路设计，软件编程、调试中遇到的问题及分析解决方法。7 实验结果及其分析。8体会。第二部分课程设计报告目录1 课题简介 11.1 课题的目的，任务，要求 11.2 课程设计内容 11.3 课程设计要求 12 史密斯预估控制系统方案设计 22.1 史密斯预估控制器的介绍 22.2 控制系统框图及闭环工作原理 23 史密斯预估控制系统硬件电路设计 33.1 总体硬件电路图 33.2 A/D 采样电路 33.3 输入双极性的实现 33.4 D/A 输出双极性的实现 43.5 A/D、 D/A 端口地址的转换 53.6 给定被控对象的电路实现

6、 54 史密斯预估控制系统控制算法设计 64.1 史密斯预估控制的基本原理 64.2 史密斯预估控制的算法实现 64.2.1 史密斯预估器 64.2.2 计算公式推导 75 史密斯预估控制软件编程设计 85.1 各程序流程图及其主要功能 85.1.1 主程序流程图及其功能 85.1.2 定时中断程序流程图及其功能 95.1.3 外部中断程序流程图及其功能 95.2 重要程序的实现 105.2.1 function 程序 106 史密斯预估器的 MA TLAB 仿真 116.1 史密斯预估器的 simulink 仿真方框图 116.2 PID 参数设置 117 实验与结果分析 127.1 上机调

7、试结果 127.1.1 采用零阶保持器离散化时的输出波形 128 小结与体会 13参 考 文 献 14附录 151课题简介1.1课题的目的，任务，要求课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节， 它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重 要的意义。计算机控制技术是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地 位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等 方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制

8、算法的实际应用，使学生从整 体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事 计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。1.2课程设计内容设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制 系统。1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路 （用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）； 由运放实现的被控对象。2. 控制算法：PID控制加史密斯预估控制。3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、PID控制加史密斯预估控制程序、D/A输出程序等。1.3课程设

9、计要求1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V+5V），模出电路能输出双极性电压（-5V+5V ）。2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。3. 每个同学选择不同的被控对象：G(s) =5(s 1)(0.2s 1)-1.5 s4. 对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现。5. 定时中断间隔选取10ms，采样周期T取50ms，为采样中断间隔的整数倍。6. PID控制器可用凑试法整定。2史密斯预估控制系统方案设计2.1史密斯预估控制器的介绍在工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对象具有純滞后性质。 对象的这种純滞后性质常引起系统产生超调或振荡

10、，史密斯提出了一种純滞后的补偿模型，利用微型计算机 可以方便地实现純滞后补偿。史密斯预估控制原理是：与调节器并联一补偿环节，用来补偿被控对象中的純滞后部分，这个补偿环节称为 预估器，其传递函数为G（S）（1-e - T s）, t为純滞后时间，由史密斯预估器和调节器组成的补偿回路称为純滞后补偿器，经补偿后的系统闭环传递函数为这一形式说明，经补偿后，消除了純滞后部分对控制系统的影响，因为式中的e-Ts在闭环控制回路之外,不影响系统的稳定性，拉氏变换的位移定理说明，仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间T ,控制系统的过渡过程及其他性能指标都与对象特性为Gp(S)时完全相同。2.2控制系统框图及闭

11、环工作原理图1带史密斯预估器的控制系统带史密斯预估器的双通道采样闭环控制系统框图如图1所示，在该系统中，对给定值r(t)进行A/D转换采样，得到离散化的r(k)，并且对输出值y(t)也进行A/D转换，得到y(k)，然后计算e*k) =r(k)-y(k)。u(t)为 输出的控制量，采样 u(t)、yt (t)，计算e2(k) =ei(k)-y t (k), D(s)为计算机控制系统的脉冲传递函数，通过与调 节器并联的补偿环节来补偿被控对象中的純滞后部分，再对包含零阶保持器的被控量进行控制进而达到要求 的控制目的。3史密斯预估控制系统硬件电路设计3.1总体硬件电路图总体硬件电路图见附录。3.2 A

12、/D采样电路牛II1HiPMDBIU+严I_LuF_1500KADMADM：J1Eg STAET0 OLClCk册)轴*U1U5AlJIOYCAlIjNI：SH74ACJ4IIDWDEOE9_6 AL!E】Q CLQCE2j DOUIDKjn-1JNr2TH3RMJK.6(Mt-iIK-flJN-7GND-|册卜M3K5|jlOUUA2诵国$4巾墙D4-0 DUD4-2 申M4UI-5Di6B-7vucALE EHLE /AJOrAjfiA/D采样电路如图LL3HZZF2 WKvccni-?&HD图2 A/D采样电路的实现2所示，IN6和IN7两路采样，IN6采样给定值r(k) , IN7采样

13、输出y(k)。3.3输入双极性的实现IN-6IN-7图3输入双极性实现电路由图3可知，输入通道IN6和IN7加了阻值为10K的电阻。IN1IN5的模拟量输入允许范围：0V4.98V， 对应数字量范围 00HFFH 2.5V对应80H。而IN6和IN7两路由于接上了上拉电阻，所以当输入IN7的电压0V。就是说，输入为0V时，进入A/D转换的电压为2.5V ;当输入IN7的电压为-5V时，进入转换的电压为 到外端口的电压 Uout和进入转换的电压Uin的关系旦的电压可以实现转换的功能，模拟量的输入允许范围为：3.4 D/A输出双极性的实现IN7 端口加上-5V+4.96V 00HFFH 0V 对应

14、 80H。FOO30/I0W%/I0Y1吃曲7M8D59D410D311D212DI13I14DAOA/B WRCSVsfBMAAH-GHDHi5bB7DB6RihBDE5DB4OUT-BDB3DBSDEIRMbbDBO 彳OUT-A11313TLC732820 OUT-B13RfbBZ1 1KRfbAGNDOUT-AVCCR32R3?是 Uin=(Uout+Vcc)/2,因此在 -5V+4.96V，对应数字量图 4 D/A输出双极性实现电路图4为双极性的输出电路，该电路通过放大器和电阻、变阻器等实现输出的双极性。本次课程设计只用了一路输出，即 OUT-A以此为例可知，R31左端的电压为转换输

15、出的单极性电压 Vi,该电压的大小为 ，这就 是原本单极性输出的正常电压。 但是加上上图所示的电路之后， 设输出电压为 0UT-1,因为右边的放大器 3号 端接地，所以2号端也虚地，即电压为 0V。又因为放大器2号端向右可以认为是断路，电流为 0,所以，有：OUT -1R34R32 R33V1R31RR故有OUT 一（R3T社vcc R?）只要调试电使得“尺=冰那么就有输出的电压，综上，实现了3.5 A/D、D/A端口地址的转换D/A转换的双极性输出。LQ1U30U1CQ7/A20J11IGHD-I/)1 2aCLOCKf4LS7t期DQUTDOQ】7LSJ4 J8曲CLK/occIQID汽I

16、D4Q3D5Q4D竝JD他 了 D15直Zqf 厂瞅 驛说書4鸣阵叫臨OEOEAltA3MA5MMASA1E ENABLE /AJO/翊 4/JQ4 L问 2/A26 L価 2ANDDUTWCA/YUEmtn/OE型7ILS13974 JlflYft3 ncYi奇U23.CLOCKCLOCKGHT-l|GNDSK74ACWWVCCVCC图5 A/D、D/A端口地址的转换电路图5所示为A/D、D/A端口地址的转换电路。由图可知，8051的P2 口作为高八位地址，P0 口作为低八位地址，P2 口分别命名为 A20A27,其中A20、A23A27经过反相器 SN74AC241DWt出/A20、/A2

17、3/A27，再 经过三个与门 U10 U11、U12,然后通过一个三输入与非门输出 ANDOU,T接入2-4译码器74LS139的/OE端， 选中译码器，由此高八位地址为 06H, P0 口分别命名为 D0D7经过锁存器SN74LS373输出Q7、Q8,当D6=0,D7=0时，Q7=Q8=0此时译码器/Y0有输出，即/IOY0有效，低八位地址为00H,则总地址为0x0600H,为A/D的端口地址；当 D6=1，D7=0时，Q7=1, Q8=0,此时译码器/Y1有输出，即/IOY1有效，低八位地址为40H,则总地址为0x0640H,为D/A的端口地址。综上，实现了 A/D和D/A的端口地址的转换

18、。3.6给定被控对象的电路实现2uFRU .200KI-out-112.50KGND-| -L7LCS4RI2T1250KGND|VCC十luF50DKrh- I3+TL0S4IN-7VCC图6给定被控对象的电路实现课程设计任务书中有 8个被控对象，我们每人取其中一个被控对象。被控对象为G(s) =-1.5 se(s 1)(0.2s 1)其硬件电路图如图6所示，左边的放大器上并联了 Rii=200K的电阻，Cio=2uF的电容来实现时间常数 Ti=0.4s, 输入电阻Rio=5OK，通过Rii/Rio=4，实现放大系数 Kpi=4的要求，右边的放大器上并联了 Ri3=500K和Cii=1uF

19、实现时间常数T2=0.5s,然后通过Ri3/Ri2=2实现放大系数Kp2=2的要求，从而实现总的放大系数 K= K pi*Kp2=8。4史密斯预估控制系统控制算法设计4.1史密斯预估控制的基本原理史密斯预估控制原理是：与调节器 D(S)并联一补偿环节，用来补偿被控对象中的純滞后部分，这个补偿 环节称为预估器，其传递函数为 G(S)(1-e -Ts), t为純滞后时间，由史密斯预估器和调节器组成的补偿回路 称为純滞后补偿器，经补偿后的系统闭环传递函数为这一形式说明，经补偿后，消除了純滞后部分对控制系统的影响，因为式中的e-Ts在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性，拉氏变换的位移定理说明，仅将控

20、制作用在时间坐标上推移了一个时间T,控制系统的过渡过程及其他性能指标都与对象特性为Gp(S)时完全相同。4.2史密斯预估控制的算法实现对于具体的被控对象，如，要实现对它的计算机控制算法的设计需要经过一系列的计算。4.2.1史密斯预估器滞后环节使信号延迟，为此，在内存中专门设定 N个单元作为存放信号 m(k)的历史数据，存储单元的个数N由下式决定：N= t /T式中，T純滞后时间；T 采样周期。每采样一次，把 m(k)记入0单元，同时把0单元原来存放数据移到1单元，1单元原来存放数据移到 2u(k)Gp(S)m(k)e- tm(k-N)单元依此类推。从单元N输出的信号，就是滞后N个采样周期的 m

21、(k-N)信号A图7史密斯预估器方框图史密斯预估器的输出可按图7的顺序计算。图中，u(k)是PID数字控制器的输出，* (k)是史密斯预估器的输出。从图中可知，必须先计算传递函数Gp(s)的输出m(k)后，才能计算预估器的输出。屮(k)=m(k)-m(k-N)被控对象为二阶环节和純滞后环节的串联：GC(s) =Gp(s)e-e.5s(s 1)(0.2s 1)预估器的传递函数为:对 GP (s)=(s 1)(0.2s 1)(1 -e45s)进行离散化，得4.2.2计算公式推导采用零阶保持器离散化25,从而有M(z) =1.73M(z)z-0.7408M( z)z，0.0285U (z)z 0.0

22、25-U (z)z =即m(k) =1.73m(k -1)-0.7408m(k-2)0.0285u(k-1)0.0255u(k-2)，滞后时间常数 t =1.5s,采样周期选择T=50ms=0.05s，则，所以y (k)二m(k) - m(k - N)二m(k) - m(k - 30)，以上就是预估控制所要的控制式。采用双线性变换法离散化对GP(s(s 1)(0.2s厂严进行离散化，得550.0134 0.0271Z0.0027zGp(z) =GP(s) s 2z= =12,sz 1 (s 1)(0.2s 1) s 2ZJ (s 1)(0.2s 1) s 2 zj1 _1.729z0.7398

23、z*rz卑-0.05又，交叉相乘再移项，得M (z) =1.729M (z)z1 -0.7398M (z)z，0.0134U(z) 0.0271U (z)zJ 0.0027U (z)z，即m(k) =1.729m(k-1)-0.7398m(k-2)0.0134u(k)0.0271u(k-1) 0.0027u(k-2) , t =1.5s,采样周期选择T=1=50ms=0.05s，则，所以y (k) = m(k) - m(k - N) = m(k) - m(k - 30)，以上就是预估控制所要 的控制式。采样周期选择T=50ms,定时中断选择为10ms,就是说5个定时中断后进行采样。5史密斯预估

24、控制软件编程设计5.1各程序流程图及其主要功能5.1.1主程序流程图及其功能8所D/A图8主程序流程图图8所示为主程序流程图，由此可见，主程序主要实现系统初始化和变量初始化的操作，具体如图 示，包括设定定时器工作状态、定时器装入初值、设定外中断类型、开外中断和定时中断、启动定时器、 清零、变量清零等内容，以上操作完成后就等待进入中断。5.1.2定时中断程序流程图及其功能图9定时器中断程序流程图由图9可知，定时中断程序实现的功能有两个，一是重新装入定时初值；二是启动 换外部中断。A/D转换进而进入转5.1.3外部中断程序流程图及其功能外部中断服务程序实现了采样和计算输出控制量的功能。首先检查同步

25、信号是否到， 如果同步信号已到,就把变量清零、D/A输出清零、采样周期变量赋初值并给滞后环节数组清零；如果同步信号未到，就检查是MK_10=MK_9MK_9=MK_8;MK_8=MK_7;MK_7=MK_6;MK_6=MK_5;MK_5=MK_4;MK_4=MK_3;MK_3=MK_2MK_2=MK_1 MK_1=MK; uk_2=uk_1;uk_1=uk;ek2_2=ek2_1 ek2_1=ek2;sys=uk;否到了采样周期。如果到了采样周期，就进入下一步的采样和计算，即依次采样IN7、IN6 ，计算偏差，根据史密斯预估控制推导的公式计算m(k)、y (k)及控制输出u(k),然后检查控制

26、量是否溢出，若溢出则取相应的最值。然后输出控制量，最后进行控制量和偏差的递推和采样周期恢复，并返回。5.2 重要程序的实现5.2.1 function 程序function sys=mdlOutputs(t,x,u,Kp1,KI,Kd)global uk MK MK_1 MK_2 MK_3 MK_4 MK_5 MK_6 MK_7 MK_8 MK_9 MK_10 MK_11 MK_12 MK_13 MK_14 MK_15 MK_16 MK_17 MK_18 MK_19 MK_20 MK_21 MK_22 MK_23 MK_24 MK_25 MK_26 MK_27 MK_28 MK_29 MK_3

27、0 uk_1 uk_2 ek1 ek2 ek2_1 ek2_2ek1=1.13*u(1)-u(2);MK=1.73*MK_1-0.7408*MK_2+0.0285*uk_1+0.0255*uk_2;DELAY=MK_30;YK=MK-DELAY;ek2=ek1-YK;uk=Kp1*ek2-Kp1*ek2_1+KI*ek2+Kd*ek2-2*Kd*ek2_1+Kd*ek2_2;MK_30=MK_29;MK_29=MK_28;MK_28=MK_27;MK_27=MK_26; MK_11=MK_10;MK_26=MK_25;MK_25=MK_24;MK_24=MK_23;MK_23=MK_22;MK

28、_22=MK_21;MK_21=MK_20;MK_20=MK_19;MK_19=MK_18;MK_18=MK_17;MK_17=MK_16;MK_16=MK_15;MK_15=MK_14;MK_14=MK_13;MK_13=MK_12;MK_12=MK_11;6史密斯预估器的 MATLAB仿真MATLAB本次课程设计使用的仿真软件是MATLAB所有的元器件的搭建和软件的仿真与调试都是在现的，下面将介绍史密斯预估器的仿真过程。6.1史密斯预估器的simuli nk仿真方框图图11史密斯预估器的simuli nk仿真方框图6.2 PID参数设置PID参数采用凑试法整定，最终的整定结果如下图所示图1

29、2 PID参数设置7实验与结果分析7.1上机调试结果以下为针对以上介绍的例子，在成功时的输出波形图。7.1.1采用零阶保持器离散化时的输出波形Q ?0605图13采用零阶保持器离散化时的输出波形由图13可以看出，经调试后，对被控对象的控制输出超调为，满足d %15%的要求，且上升时间、调节时间等较短，静差几乎为零，性能指标较好。8小结与体会经过一周半的时间，本次课程设计终于结束了，本次课程设计我们的题目是史密斯预估控制系统设 计，刚开始的时候我们对这个课题是毫无头绪，完全不知道是什么意思，当然之前对史密斯预估有所耳 闻，因为之前学过，不过学的不精，就跟天书一样，夏老师说我们这组实力比较强，这个课题也是最难 的，这样安排比较合理，开始我们什么也不知道所以也没有什么感觉，后来我们经过对这个课题的深入 了解，越来越感觉到这个课题的难度，好在我们组学霸比较多，经过我们的共同协作理解，本次课程设 计圆满完成任务。老师在课设的第一节课给我们布置任务时，我感觉我们的题目很简单。可是进一步做分析后我们发 现1、思路不明确，根本不知道从什么地方