smith預(yù)估器控制設(shè)計【計算機(jī)課程設(shè)計專用】(已修改)
2025-02-20 15:32 本頁面
【正文】 《計算機(jī)控制》課程設(shè)計報告 題目 : Smith 預(yù)估器控制設(shè)計 姓名 : 學(xué)號 : 2021 年 11 月 28 日 《計算機(jī)控制》課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué) 號 班 級 學(xué) 生 指導(dǎo)教師 題 目 Smith 預(yù)估器控制設(shè)計 設(shè)計時間 2021年 11 月 21 日 至 2021 年 11 月 28 日 共 1 周 設(shè)計要求 設(shè)計任務(wù)： 被控對象為 18() 51Gs s? ?， T=，畫出系統(tǒng)框圖，采用 PID控制，設(shè)計 Smith數(shù)字預(yù)估器。 方案設(shè)計： 1. 完成控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計； 2. 選擇元器件 ,完成電路設(shè)計，控制器采用 MCS51 系列單片機(jī) (傳感器、功率接口以及人機(jī)接口等可以暫不涉及 )，使用 Protel 繪制原理圖； 3. 編程實現(xiàn)單片機(jī)上的控制算法。 報告內(nèi)容 : 1. 控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計步驟，應(yīng)包含性能曲線、采樣周期的 選擇、數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)和差分方程； 2. 元器件選型，電路設(shè)計，以及繪制的 Protel原理圖； 3. 軟件流程圖，以及含有詳細(xì)注釋的源程序； 4. 設(shè)計工作總結(jié)及心得體會； 5. 列出所查閱的參考資料。 指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字： 2021 年 11 月 20 日 Smith 預(yù)估器控制設(shè)計 一、 實驗?zāi)康? 通過混合仿真實驗，學(xué)習(xí)并掌握用于具有純滯后系統(tǒng)的純滯后補(bǔ)償控制（ Smith 預(yù)估器控制）的設(shè)計及其實現(xiàn)。并且比較無 Smith 預(yù)估器控制系統(tǒng)與帶Smith 預(yù)估器控制系 統(tǒng)的區(qū)別，總結(jié) Smith 預(yù)估器的作用效果。最后通過 Proteus進(jìn)行單片機(jī)仿真實驗，學(xué)習(xí)如何通過單片機(jī)、 AD 和 DA 進(jìn)行控制，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合。 二、 實驗內(nèi)容 被控對象為 60 18() 51seGs s ?? ?， T=，畫出系統(tǒng)框圖，采用 PID 控制，設(shè)計 Smith數(shù)字預(yù)估器。得到控制系統(tǒng)的性能曲線，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。然后對元器件進(jìn)行選型、設(shè)計電路，繪制原理圖并且在單片機(jī)上編程實現(xiàn)控制算法。最后總結(jié)工作及心得體會。 三、 控制系統(tǒng)仿真 設(shè)計 已知純滯后負(fù)反饋控制系統(tǒng)方框圖，如下： r ( t )—y ( t )D ( s )sp esG??)(u ( t ) 圖 1 純滯后負(fù)反饋控制系統(tǒng)方框圖 其中 D(s)為調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)， 60 18() 51seGs s ?? ?為對象傳遞函數(shù)，其中 sesG ??)(0包含純滯后特性，0 18() 51Gs s? ?，純滯后時間常數(shù) ? =12s。 系統(tǒng)特征方程為： 6181 ( ) ( ) 1 ( ) 51seD s G s D s s ?? ? ? ?=0 （ 1） 由于閉環(huán)特征方程中含有 6se? 項，產(chǎn)生純滯后現(xiàn)象，且 mT =，/ 6 / 0. 5 12 0. 5mT? ? ? ?，所以具有大滯后環(huán)節(jié)，采用常規(guī)的 PID 控制會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，甚至產(chǎn)生振蕩。 為了改善系統(tǒng)特性，引入 Smith 預(yù)估器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程中不含有6se? 項。 帶 Smith 純滯后補(bǔ)償?shù)挠嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)框圖如下所示： R ( s ) Y ( s )so esG ??)(TD ( z ) )( zD ?E ( z )U ( z )Z O HT TTG ( s ) 圖 2 帶 Smith 純滯后補(bǔ)償?shù)挠嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)框圖 上圖所示 ZOH 為零階保持器，傳遞函數(shù)為： sesG Tsh??? 1)( ，并且有： lT??（ l 為大于 1 的整數(shù)， T 為采樣周期）由已知可知 T=， s12?? ， 則6 T?? ? ?。 D(z)的確定 D(z)為負(fù)反饋調(diào)節(jié)器，由于本系統(tǒng)存在大滯后環(huán)節(jié)，所以選用 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律。使用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法對數(shù)字 PID 控制器進(jìn)行參數(shù)整定。擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是在模擬 PID控制器響應(yīng)曲線法的基礎(chǔ)上推廣應(yīng)用到數(shù)字 PID控制器參數(shù)整定的方法。擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是用于具有純滯后的一階對象，由前面分析和已知 : ? ，6?? ， l=12， ? ， 因此依據(jù)課本 128 頁表 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定 PID參數(shù)表選擇數(shù)字 PID 參數(shù)計算公式，由于 ? ? ? ?， 則選擇控制度為 ，控制規(guī)律選定 PI 參數(shù)為： )( ?mp TK = ?iT = 所以有： ?pK ?iT 則控制器的傳遞函數(shù)為： 1 1 2 1 0 . 6 0 . 0 5( ) ( 1 ) 0 . 0 5 ( 1 )1 2 1 2p i ssD s K T s s s??? ? ? ? ?? （ 2） 將得到的模擬控制器用一階后向差分法離散化得到： 111110 . 0 5 2 0 . 0 5( ) ( ) | [ 1 ]( 1 ) 1pzs iTTzD z D s K T z z???????? ? ? ?? ? ? （ 3） 補(bǔ)償器 )(zD? 的確定 Smith 純滯后補(bǔ)償?shù)挠嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)的框圖如下所示： R ( s ) Y ( s )so esG ??)(TD ( z ) )( zD ?E ( z )U ( z )Z O HT TTG ( s ) 圖 3 帶 Smith 純滯后補(bǔ)償?shù)挠嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)框圖 其中： sTKsG 110 1)( ?? lT?? sp esGsG ??? )()( sTssh esTs eKesGsGsG ?? ??????? )1( )1()()()( 110
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