实验三Smith预估

1、实 验 报|实验名称Smith预估控制算法设计实验课程名称计算机控制技术与系统|实验三Smith预估控制算法设计实验1、实验目的在控制算法学习的基础上，根据给定对象特性设计Smith预估控制器算法，并利用Matlab软件进行仿真实验，同时与 PID算法控制算法进行比较，加深对 该控制算法的掌握和理解。2、系统结构框图Smith预估控制系统框图为：3、实验过程及分析设广义被控对象为要求一：取T =2、Ti=，取采样时间T=1s,采用零阶保持器，使用 Matlab函数求取出 广义对象的z传递函数；实验过程：使用matlab求z传函的函数：clc;clear all;close all;T=1;T1

2、=;tao=2;GO=tf(1,T1 1,i nputdelay,tao) sysd=c2d(G0,T,zoh)上述函数将s传函G0(s)288厂e2s转化为z传函G0(z)0.29342zz 0.7066要求二：通过对象阶跃响应曲线，整定 PID参数，采用常规PID进行给定值扰动和外 部扰动响应实验，并绘制控制器输出 P和系统输出y响应曲线； 实验过程：借助matlab软件中的simulink搭建系统仿真模型。首先将外部扰动置零，利用阶跃响应曲线来整定PID参数。利用试凑法整定PID参数。PID控制器的数学描述如下。首先只给比例作用，调节系统使其稳定；其次加入积分作用消除系统静差； 最后加入

3、微分作用。最后合理调整各个参数，使系统品质达到最优。经过整定， 最终选取P=，I=，D=0, N=10Q系统可以相对较好的稳定下来。输出的曲线如 下在30T的时候在对象之前加入的阶跃干扰， 在50T的时候在对象之后加入幅值为的阶跃扰动，得到的系统的输出曲线如下。对应的控制器的输出曲线如下由此看来该参数下的PID控制器的控制效果还是比较令人满意的。要求三：被控对象不变，设控制器参数：Kp=, Ki=，Kd=O,采用Smith预估控制算法， 作给定值扰动和外部扰动响应实验，并绘制控制器输出P和系统输出y响应曲线; 实验过程：Smith预估控制系统的simulink仿真图如下。其中在smith预估控

4、制器内部、 控制对象前、控制对象后加入幅值为的阶跃扰动，扰动加入的时间分别为30、60、 90。得到的系统输出曲线为。对应的控制量的输出曲线如下。观察以上两条曲线可以发现，smith控制系统下系统的输出具有比较好的稳 定性。此外加入同等幅度的阶跃扰动，可以发现外扰对系统输出的影响要比内扰 对系统输出的影响大一些。这说明smith控制系统抗内扰能力强，但抗外扰能力 相对较弱。要求四：Smith预估控制算法系统克服内、外部扰动能力检验以及鲁棒性分析（改变K、T、t ）。（注意：预估器中的K、T、t不能改变） 实验过程：（1）验证克服内扰和外扰的能力在smith预估控制系统和普通PID控制系统中加入

5、阶跃干扰，扰动加入的位 置分别是控制器内部、控制对象前、控制对象后，幅值均为，扰动加入的时间分 别为30、60、90。将普通PID控制器下系统的输出曲线和 smith控制器下系统 的输出曲线作对比。其中实线表示smith控制器下系统的输出曲线，虚线表示普通控制器下系统 的输出曲线。可以发现以下几条规律： smith控制下系统的输出明显比普通 PID控制器下系统输出的超调量小很 多，稳定性更好。 smith控制器下系统输出的抗内扰能力比普通PID控制器要强，但抗外扰能力要弱。（2）检验smith控制系统的鲁棒性控制对象是一阶惯性加纯迟延的对象,s传递函数为G0（s）12se 。2.88s 1那么

6、为了检验系统的鲁棒性需要分别改变迟延时间、比例系数、以及积分系数。改变迟延时间将对象的迟延系数由 2改为 4 ,相应的z传函变为0 2934,GO(z) 二z 4在同一坐标系下观察两个系统的输出曲线。z 0.7066其中虚线是4，即对象传函发生改变时系统的输出曲线；实线是2 ,即传函未发生改变时系统的输出曲线。 改变比例系数将比例系数由K=1改为K=3,相应的Z传递函数变为G0(z)0.8801 z2和z 0.7066为在同一坐标系下观察两个系统的输出曲线其中虚线是K=3,即对象传函发生改变时系统的输出曲线；实线是 K=1，即 传函未发生改变时系统的输出曲线。 改变积分系数将比例系数由T= 改

7、为T=5,相应的Z传函变为G0(z)0.05438 z 2 ,在同一z 0.8187坐标系下观察两个系统的输出曲线。其中虚线是T=5,即对象传函发生改变时系统的输出曲线；实线是T=,即传函未发生改变时系统的输出曲线。观察以上三组曲线可以明显发现当控制对象的延迟系数、比例系数、积分系 数发生改变时，系统的输出的稳定性会明显下降，而且相应的抗外扰、内扰的能力也有不同程度的降低。5、思考和讨论(1) 纯滞后对象采用常规 PID能否取得满意效果？上图为纯滞后对象采用常规PID时系统的输出曲线，很明显系统输出相应较 慢，超调量较大，稳定时间也很长。因此可以总结道，纯滞后对象采用常规PID不能起到满意效果。(2) 验证Smith预估控制算法的有效性。利用框图原理来证明Smi