小兔子乖乖用计算机,Smith预估器控制设计【计算机课程设计专用】.doc

Smith预估器控制设计【计算机课程设计专用】

《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：

完成控制系统的分析、设计；

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；

编程实现单片机上的控制算法。

报告内容:

控制系统仿真和设计步骤，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；

元器件选型，电路设计，以及绘制的Protel原理图；

软件流程图，以及含有详细注释的源程序；

设计工作总结及心得体会；

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

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。

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。

控制系统仿真

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。

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:，，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)

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