Smith预估器控制设计【计算机课程设计专用】

1、计算机控制课程设计报告题目: Smith预估器控制设计 姓名: 学号: 2014年11月28日计算机控制课程设计任务书学 号班 级学 生指导教师题 目Smith预估器控制设计设计时间2014年 11 月 21 日 至 2014 年 11 月 28 日 共 1 周设计要求设计任务：被控对象为，T=0.5s，画出系统框图，采用PID控制，设计Smith数字预估器。方案设计：1. 完成控制系统的分析、设计；2. 选择元器件,完成电路设计，控制器采用MCS-51系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用Protel绘制原理图；3. 编程实现单片机上的控制算法。报告内容:1. 控制系

2、统仿真和设计步骤，应包含性能曲线、采样周期的选择、数字控制器的脉冲传递函数和差分方程；2. 元器件选型，电路设计，以及绘制的Protel原理图；3. 软件流程图，以及含有详细注释的源程序；4. 设计工作总结及心得体会；5. 列出所查阅的参考资料。指导教师签字： 系（教研室）主任签字：2014年 11 月 20 日Smith预估器控制设计1、 实验目的通过混合仿真实验，学习并掌握用于具有纯滞后系统的纯滞后补偿控制（Smith预估器控制）的设计及其实现。并且比较无Smith预估器控制系统与带Smith预估器控制系统的区别，总结Smith预估器的作用效果。最后通过Proteus进行单片机仿真实验，学

3、习如何通过单片机、AD和DA进行控制，实现理论与实践相结合。2、 实验内容 被控对象为，T=0.5s，画出系统框图，采用PID控制，设计Smith数字预估器。得到控制系统的性能曲线，并对仿真结果进行分析。然后对元器件进行选型、设计电路，绘制原理图并且在单片机上编程实现控制算法。最后总结工作及心得体会。3、 控制系统仿真1. 纯滞后补偿控制方案设计已知纯滞后负反馈控制系统方框图，如下：图1 纯滞后负反馈控制系统方框图其中D(s)为调节器传递函数，为对象传递函数，其中包含纯滞后特性，纯滞后时间常数=12s。系统特征方程为： =0 （1）由于闭环特征方程中含有项，产生纯滞后现象，且=0.5s，所以具

4、有大滞后环节，采用常规的PID控制会使系统稳定性变差，甚至产生振荡。为了改善系统特性，引入Smith预估器，使得闭环系统的特征方程中不含有项。带Smith纯滞后补偿的计算机控制系统框图如下所示：图2 带Smith纯滞后补偿的计算机控制系统框图上图所示ZOH为零阶保持器，传递函数为：，并且有：（l为大于1的整数，T为采样周期）由已知可知T=0.5s，则。2. 调节器D(z)的确定D(z)为负反馈调节器，由于本系统存在大滞后环节，所以选用PID调节规律。使用扩充响应曲线法对数字PID控制器进行参数整定。扩充响应曲线法是在模拟PID控制器响应曲线法的基础上推广应用到数字PID控制器参数整定的方法。扩

5、充响应曲线法是用于具有纯滞后的一阶对象，由前面分析和已知:，l=12，因此依据课本128页表4.2扩充响应曲线法整定PID参数表选择数字PID参数计算公式，由于，则选择控制度为1.05，控制规律选定PI参数为：=1.15 =2.00所以有：0.048 12.00s则控制器的传递函数为： （2）将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到： （3）3. Smith补偿器的确定 Smith纯滞后补偿的计算机控制系统的框图如下所示：图3 带Smith纯滞后补偿的计算机控制系统框图其中： （4） （5） （6） 令 ， 则 （7）Smith预估器（纯滞后补偿器）的框图：图4 Smith预估器的框图 且

6、 可得 （8）故 （9）由上一步所得的数据：T=0.5s，解得如下数据：，则 (10) (11)由此可得到： (12)由此可见，Smith补偿器的差分方程有项，即存在滞后12拍的信号，因此产生纯滞后信号对纯滞后补偿控制是至关重要的。纯滞后信号可以用存储单元法近似产生。4. 采用Matlab系统仿真本系统采用PI控制方法，用matlab下的Simulink工具箱搭建闭环系统结构，加以1V的阶跃信号，PI控制器系数0.048，12s，取反馈系数为1，采样时间为0.5s，仿真时间为500s。带Smith预估补偿器的仿真系统得到输出曲线如图所示：系统仿真结构框图为：图5 带Smith预估补偿器的系统仿

7、真结构框图系统仿真波形图为：图6 带Smith预估补偿器的系统仿真输出曲线分析：采用带Smith预估器控制的设计与传统的PID控制设计相比，大大的减少了响应曲线的超调，同时也加快了系统的响应过程，增加了系统的稳定性，使系统逐渐趋于稳定，达到了预期控制的目的。4、 电路设计及元件选型控制器部分需要AD转换器，DA转换器，反相器，运算放大器，单片机。1.AD转换器AD转换器选择ADC0809, ADC0809是一种逐次逼近式的8路模拟输入，8路数字输出的A/D转换器，可以与单片机直接连接。它是由单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，有CBA的编码来决定所选的通道。ADC080

8、9完成一次转换需100us左右，它具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到AT89C51单片机的数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对05V的模拟信号进行转换。逐次逼近式速度较高，比较简单，而且价格也不是很高，因此是微型计算机应用系统中最为常用的一种A/D转换器。AD转换器的电路设计 ：图7 ADC0809转换器电路设计(1) 由于只需要一路信号，只选择IN-0输入，三根地址线固定接地，选择IN-0通道。(2) 由于ADC0809需要500KHz的时钟源，利用单片机AT89S52的ALE引脚输出的脉冲信号其频率为单片机工作晶振的六分之一，此处单片机采用12MHz的晶振，则需经过4分频后

9、供给ADC0809的CLK端。(3)START脚为AD转换启动信号，高电平有效，由程序控制，故与单片机的P2.0脚通过非门相连。(4)AD采样值为系统的偏差信号，有正负两种情况，故选择ADC0809的参考电压为正负5V。(5)AD转换结束后，EOC脚输出高电平，此时单片机接收EOC信号，读取AD转换的结果，将EOC脚经反相器与单片机的INT0脚相连。AD转换结果由P0口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0口相连，高低位依次相连经以上分析，设计AD转换器的接口电路如图所示：注意：ADC0809对输入模拟量要求信号单极性，电压范围是0-5V，若信号太小，必须进行放大；输入模拟量在转换过程中应保持

10、不变，若模拟量变化太快则需在输入前加采样保持电路。2.DA转换器 DA转换器选择DAC0832,DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与51单片机相连，其主要特性为：a)分辨率为8位b)电流输出，稳定时间为1sc)可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入,单一电源供电DA转换器的电路设计：(1)参考电压选择+5V，直接与供电电源相连。(2)选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直通状态，由DAC0832的引脚特性，将DAC0832的引脚接发如下：CS：片选端，低电平有效，直接接低电平ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。WR2：

11、DAC寄存器写选通控制端，低电平有效，由于其处于直通状态，故直接接低。XFER：数据传送控制，低电平有效，故直接接地。WR1；第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿时，将输入数据锁存到DAC寄存器，故将该脚与单片机P2.1口相连，由程序控制DA转换的时间。(3) DA的八路输入，与单片机的P1口相连，高低位依次对应。经以上分析，设计DA转换器的接口电路如图所示：图8 DAC0832转换器电路设计3.控制器设计 控制器选择AT89C51单片机，根据ADC0809和DAC0832的特性，及上述分析，设计单片机与AD、DA的接口电路如下图所示：图9 单片机接口电路设计总控制电路图如下

12、图所示：图10 总控制电路图5、 单片机程序设计1. 单片机程序算法（1） 将带Smith预估器控制的控制器的传递函数转化为差分方程： (13)由于已求得，根据可得 (14)则控制器的算法为： (15) (16)（2） 系统采样周期T=1.5s的确定在51单片机通过选用定时器T0工作在方式1下来实现，即16位定时计数器。单片机采用12M晶振，则其机器周期为1us。由公式： (17)得到初值X=40536=0x9E58再通过10次循环实现T=0.5s的采样延时。2. 程序流程图图11 主程序流程图图12 中断服务程序流程图3. AT89C51单片机的C语言源程序#include<reg51

13、.h>#include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define ADC0809 P1;/P0为AD的数据接口；sbit ST=P30;/ADC0809 转换开始sbit OE=P31;/ADC0809 输出使能sbit EOC=P32;/ADC0809 转换结束标志#define DAC0832 P2/P1为DA的数据接口；sbit wr=P33; /DAC0832写sbit rd=P34;/DAC0832读uchar C1K0,C1K1,C1K2,C1K3,C1K4,C1K5,

14、C1K6,C1K7,C1K8,C1K9,C1K10,C1K11,C1K12; /C1(K)C1(K-12)uchar CK0,CK1;/分别为k,k-1时刻smith预估器的输出uchar UK0,UK1;/分别为k，k-1时刻的控制器的输出uchar EK0,EK1;/分别为k,k-1时刻的AD的输入uint i=0;uchar in0=0; /系统输入采样void delay(uchar time) /延时uchar i,j;for(i=0;i<time;i+)for(j=0;j<110;j+);uchar adin()/AD采集IN0uchar value;OE=0;EOC=

15、1;ST=0;delay(10);ST=1;delay(10);ST=0;while(!EOC);delay(10);OE=1;delay(1);value=ADC0809 ;OE=0; return value;main() C1K0=C1K1=C1K2=C1K3=C1K4=C1K5=C1K6=C1K7=C1K8 =C1K9=C1K10=C1K11=C1K12=0; /系统初始化 UK0=UK1=0; CK1=0; EK1=0; wr=0; rd=0; ST=0; OE=0; TMOD=0X01; /定时器0控制方式1,16位的定时器计数器 TL0=0X58; /定时器初始化； TH0=0X

16、9E; TR0=0; /关闭T0计时； DAC0832=0x00; /先清零DA； TR0=1; /定时器开始计时，20ms转换一次； ET0=1;/开定时器0中断 EA =1; /总中断开； while(1); /等待中断 void inter_timer0()interrupt 1/定时器0溢出中断； EA=0; i+; /循环10次 实现0.5S采样 if(i=10) in0=adin();EK0=in0-UK0;C1K0=1.7*UK1+0.9*C1K1; CK0=1.7*UK1+0.9*C1K0-C1K12; C1K12= C1K11; C1K11= C1K10; C1K10= C1

17、K9; C1K9= C1K8; C1K8= C1K7; C1K7= C1K6; C1K6= C1K5; C1K5= C1K4; C1K4= C1K3; C1K3= C1K2; C1K2= C1K1; C1K1= C1K0; UK0=UK1+0.052*EK0-0.05*EK1-0.052*CK0+0.05*CK1; UK1=UK0; CK1=CK0; EK1=EK0;DAC0832=UK0;i=0; TL0=0X58; TH0=0X9E; /延时50ms EA=1;6、 设计工作总结采用带Smith预估器控制的设计与传统的PID控制设计相比，大大的减少了响应曲线的超调，同时也加快了系统的响应过

18、程，增加了系统的稳定性，使系统逐渐趋于稳定，达到了预期控制的目的。不带Smith预估器的系统响应曲线波动非常大，加上补偿器后效果有所改观。我后来又改善了调节方式，舍弃了D的控制。我直接采用PI控制器参数计算，且得到了很好的响应曲线。对Smith预估器的理解通过使用Matlab仿真，更加直观的看到了Smith预估器的作用效果，看到了系统的输出响应曲线变得更加稳定平滑。而运用keil软件可以发现编程实现的过程中，运用差分方程赋值比较的简便思想，更加精确且能够很好的做到实时响应。运用Proteus搭建硬件仿真平台时，模拟芯片的选用很关键，ADC0809并没有仿真MODLE，我采用了ADC0808很好的替代了原有模型，同理LM324的选用也同样存在此问题，同时ADC0809对输入模拟