smith预估器【二容水箱系统的smith预估控制设计与仿真研究】

　　[摘要]针对大滞后、非线性的二容水箱系统,提出一种基于smith预估控制的纯滞后补偿控制算法。设计smith预估控制器,选择相关参数,并将设计进行仿真,仿真结果验证设计的合理性和可行性。
　　[关键词]二容水箱smith预估控制仿真
　　中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110102-01
　　
　　一、引言
　　
　　二容水箱是指被测对象由两个不同容积的数学水箱串联组成,故称其为二容水箱,其控制作为过程控制的一种典型代表,由于其自身存在滞后、对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点,不同的控制算法直接影响控制精度。我们知道,施密斯(Smith)预估控制就是针对被控制对象具有的纯滞后性质而提出了一种纯滞后补偿控制算法,可见,对其研究有一定的意义,特别是对后期的开放实验设计有较大的帮助。
　　
　　二、施密斯预估控制原理
　　
　　单回路控制系统如图1所示。图1中 表示调节器的传递函数,用于校正部分;表示被控对象的传递函数, 为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数, 为被控对象纯滞后部分的传递函数。
　　系统的特征方程为在式(2)中包含有纯滞后环节,使系统的稳定性下降,尤其当
　　较大时,系统就会不稳定。为了改善控制系统的性能,引入一个补偿环节与 并接,用来补偿被控制对象中的纯滞后部分,使得补偿后的等效对象的传递函数不包含纯滞后特性。补偿后的系统框图示于图2所示。
　　图2带施密斯预估器的控制系统
　　由施密斯预估器和调节器 组成的补偿回路称为纯滞后补偿器,其传递函数为,即
　　经补偿后的系统闭环传递函数为
　　式(4)说明,经补偿后,在闭环控制回路之外,不影响系统的稳定性,拉氏变换的位移定理说明,仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间,控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为
　　时完全相同。
　　
　　三、预估控制设计
　　
　　由上分析知,经补偿后,在闭环控制回路之外,反馈信号没有延迟,系统的响应会大大改善。但在实际系统中,受物理条件的限制,无法直接引出反馈信号,针对这种问题,并参考smith提出来的人造模型的方法,设计如图3所示的控制系统。
　　图3预估控制系统的框图
　　
　　四、仿真研究
　　
　　预估控制需精确的数学模型,所以需建模,建模过程见参考文献[1],其模型结果如下:
　　根据设计的控制系统方案和系统的数学模型,经分析和调试,选取PID控制参数kp=10、ki=0.04、kd=0.01,在matlab6.5下设计simulink仿真程序,见图4所示。通过设计,调试和运行,其单位阶跃响应结果如图5所示。仿真结果表明,smith预估控制应用于大滞后的二容水箱系统,具有较好的控制效果。
　　图5单位阶跃下的系统响应
　　
　　五、结论
　　
　　施密斯(Smith)预估控制是针对被控制对象具有的纯滞后性质而提出了一种纯滞后补偿控制算法,而二容水箱自身存在滞后的特点,可见,对其研究有一定的意义,仿真结果也表明,smith预估控制应用于大滞后的二容水箱系统,具有较好的控制效果。
　　
　　参考文献:
　　[1]侯涛、董海鹰,基于THJ-3型的二容水箱模糊控制器设计与实验研究[J].兰州交通大学学报,2005,24(6):107-109.
　　[2]楼顺天,基于MATIJAB的系统分析与设计――模糊系统[M].西安电子科技大学出版社,2001.
　　[3]刘金琨,先进PID控制MATLAB仿真(第二版)[M].北京:电子工业出版社,2004.
　　[4]李华、范多旺、侯涛、魏文军,计算机控制系统[M].北京:机械工业出版社,2007.
　　
　　作者简介:
　　张鑫(1979-),男,河北邯郸人,硕士,讲师。
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