试验二网络控制试验报告

1、Smith预估器控制设计一、实验目的通过mat lab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)的设计和实现。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。二、实验内容被控对象为4(s) =之:，T=0.5s,画出系统框图，采用PID控制，设计 5s + 1Smith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。三、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，(s)=竺二为对象传递函数，其中与作

2、茂-, 5s + 1包含纯滞后特性，G0(s) = Z_,纯滞后时间常数：-12s。0 5s + 1系统特征方程为：侬石1 + O(s)G(s) = 1 + Z?(s)=0(1)5s + 1由于闭环特征方程中含有e项，产生纯滞后现象，且K二0.5s,r/7 =6/0,5 = 120,5,所以具有大滞后环节，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 三项。带Smith纯滞后补偿的计算机控制系统框图如下所示:G(s)图2带Smith纯滞后补偿的计算机控制系统框图R(s)1 _ eT上图所示ZOH为零阶保持器，传递

3、函数为：Gh(s) = L,并且有：t = 1T s(1为大于1的整数,T为采样周期)由已知可知T=0. 5s, r = 12s，则/ = E = 2=120T 0.5.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 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：T=0.5s, T = 6, 1=12, 7= 0.5s,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

4、字PID参数计算公式，由于1=竺=0.0417 a 0.05,则选择控制度 r 12为1.05,控制规律选定PI参数为： 泡了5 %2.00 所以有：Kp 0. 0481 = 12. 00s则控制器的传递函数为：例s)=(1 + -) = 0. 05(1 + 111) = 0. 6s + 0 05(2)7： - s12s12s将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到:ZXz)=认 s)0. 052 - 0. 05zT(3). Smith补偿器D7(z)的确定Smith纯滞后补偿的计算机控制系统的框图如下所示:R(s)图3带Smith纯滞后补偿的计算机控制系统框图其中:G =r IT G(s

5、) = G (s)e- s1 + ljsrG=5（四产=等哥(4)Dr(S) = Gp(S)(l-e-)(5)ZR:端需Q3)(6)= K8zT)Q-z”岛三=KQ_ zT)Q_ zT)/j) 1-ez-1.T工令 a = e 手，b = KQ-e )则(7)Smith预估器（纯滞后补偿器）的框图:图4 Smith预估器的框图ai=(1.z-i)且鲍=工CU(z) 1-az-1可得 TOC o 1-5 h z c(k) = (l-z-1)c1(k)(8)(l-az-1)c1(k) = bz-1u(k)故c(k) = c1(k)-c1(k-l)(g)c1(k) = bu(k-l)+ aq(k-l

6、)由上一步所得的数据：T=0. 5s, r = 6, 7； = 5, 2 = 12,= 18解得如下数据：， -a 二 9，b = (I - e ) a L 7(10)(ID(12)历T(1 - Z-1) = 1. 7zT(l - Z-12) = L 7z-l _ L 7z-13az-1 1 - 0. 9z-1-1 - 0. 9j-1 -c(幻=q(A) - c/k - 12)q(Jc) = 1.- 1) + 0. 9cx(A - 1)由此可得到：c(A) = 1. 7u(k -1) + 0. 9cl(k - 1) - 12)由此可见,Smith补偿器的差分方程有c* -项，即存在滞后12拍的

7、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Mat 1 ab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IV的阶跃信号，PI控制器系数Kp -0.048, T； = 12s,取反馈系数为1, 采样时间为0.5s,仿真时间为500s0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真结构框图系统仿真波形图为:10.90.80.70.60.50.40.30.20.100501 001 50200250300350400ime offset: 0图6带Sm