Smith预估器控制设计要点
Smith预估控制原理
R(S)
这样，引入了Smith预估器后，系统 中等效对象的传递函数就不含纯滞 s 后环节 e 部分
_
D(S)
G（s）
e s
显然，经Smith预估补偿后，已消除了纯滞后部分对控制系统的影响，而受控制对象的纯 滞后部分在等效系统的闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。所以对任何纯滞后时 间，系统都是稳定的。
u (t ) K P e(t ) TI
e(t )d (t ) T
0
D
dt
式中u(t)-控制器的输出； e(t)-控制器的输入，它是给定值和被控对象输出的差，称为偏差 信号；
K P -控制器的比例系数；
TI
TD
-控制器的积分时间； -控制器的微分时间。
PID控制器各控制规律的作用如下： （1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输 出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅 有比例控制时系统输出存在稳态误差 （2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分 成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称 此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输 出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统 的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进 入稳态后无稳态误差。 （3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分 （即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能 会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有 抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的 作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
斯密斯预估控制器
施密斯预估控制姓名：学号：班级：1 实验目的对大多数控制系统，采用常规的控制技术均可以达到满意的控制效果，但对于复杂及特殊要求的控制系统，采用常规的控制室技术很难达到目的，在这种情况下，就需要采用复杂控制技术，其中Smith 预估控制算法是常用的一种，通过本实验加深对Smith 预估控制算法的理解和掌握。
2 实验原理图1为被控对象具有纯滞后特性的单回路反馈控制系统，D （s ）是控制器，被控对象的传递函数为etss -)(G p ，其中，)(G p s 为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数，ts-e为被控对象纯滞后部分的传递函数。
)(t r )(t e )(t u )(t y_施密斯预估原理：与D （s ）并接一补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节称为预估器，其传递函数为)1)((G p tse s --，t 为纯滞后时间，补偿后的系统结构如图2所示。
)(t r )(t e )(t u )(t y_ _)(t y τ由施密斯预估控制器)1)((G p tses --和控制器D （s ）组成的回路陈伟纯滞后补偿器，)(s Ds e s τ-)(G p)(s Ds e s τ-)(G p)1)((G p ts e s --其传递函数为：)1)(()(1)()(D m s p e s G s D s D s τ--+=经过补偿后的系统闭环传递函数为：s p p sp m sp m e s G s D s G s D es G s D e s G s D τττ---+=+=Φ)()(1)()()()(1)()(s ）（该式说明，进过补偿后，消除了之后部分对控制系统的影响，因为式中ts-e 在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性。
设广义被控对象为：1011()()()1Ts s se e H s G s G s es T sττ----==⋅+取T=1、τ=2、T 1=2.88，经采样（T=1s ）保持后，其广义对象z 传递函数为00.2934()0.7066G z z =-，而2se -转换为2个单位迟延。
Smith预估补偿控制策略
组员: 蔺潇 刘杭 赵全红 齐宝喆 张谦 史绍杨
Smith 预估补偿控制策略在转炉煤气回收 2-1 도형 系统中的应用 目录
工业背景 工业原理 控制方案设计
控制算法研究
2 / 12
工业背景
在转炉炼钢生产过程中，炉口会产生大量的高温烟气，其主要成分为C O，如果不进行回收处理和控制排放，不仅污染大气环境，还会造成能 源浪费 。工艺分析表明 ：转炉煤气回收与烟气减排的效果关键存于炉 口的压差控制。目前，工业生产中普遍采用的仍然是传统的PID控制方 法。但由于PID调节器增益参数是固定的，故对于诸如转炉煤气回收这 样的非线性、纯滞后复杂系统，采用它来设计位置伺服控制器，经常会
工业原理
目前转炉煤气回收系统主要采用的是文氏管湿法除尘回收技术(OG)，基本工艺 流程如图1所示，主要有转炉活动烟罩、汽化烟道、一文脱水、二文喉口调节、 回收汽柜、放散塔几个部分组成，分别具有输送烟气、降温除尘、流量调节、 煤气收集、放散排空的功能 。罩在炉口上的活动炯罩与炉口问的缝隙处，存在 着烟罩内、外气体之间的压差。压差负值较大，将导致炉外空气被吸入烟罩， 促使CO燃烧，使煤气回收量和热值降低，反之，压差正值较大，将造成炉口烟 气外溢，同样使煤气回收量和热值减少，并污染大气环境。由于在转炉钢水冶 炼过程中，炉内烟气的生成量在不断变化，炉口压差也随之改变，因此，通过 压差的测量来实时调节二文喉口的开度，控制烟气输出流量，使风机的抽风量 与烟气的生成量保持一致，即可使炉口压差趋近于零，就可避争烟气外溢或向 罩内吸入空气，从而达到较好的烟气减排及煤气回收效果。
工艺原理
控制方案设计
根据上述工艺要求，可设计图2所示的炉口差压控制原理框图。通过安置在活动 烟罩顶部的取压管，从炉口取出压差信号后，经差压变送器转换，再根据压差设 定值，由Smith预估补偿控制器进行调节量输出计算，然后通过电动执行机构驱 动二文喉口的流量调节阀(RD阀)。由于工业现场环境十分恶劣，作用于RD阀的 各种干扰会导致其定位不准确，如：由外部设备引起的机械振动以及被控流体和 内部润滑介质流动造成的振动都会导致执行器产生振荡；此外由于脏物或油污使 传动机构卡涩，引起执行器的机械连接阀体等传动机构之间的磨损程度产生变化。 为此，通常在执行机构与调节机构环节设置闭环控制，即采用安装在调节机构上 的角位移传感器发出反馈信号与调节信号相比较，直至电动执行机构的伺服放大 器的输出为零，RD阀转动停止，从而实现RD阀的准确定位。由于冶炼过程中， 需要对转炉实施加料、降罩等工艺操作，这将导致炉内化学反应加剧，烟气生成 量骤然变化，使得炉内烟气压力波动较大。为保持炉口压差为设定值，必须使喉 口开度的控制速度能跟上烟气压力变化的速度，并满足无级调节要求，才能达到 炉口压差的自动控制的目的。
实验三Smith预估
实验三S m i t h预估 The following text is amended on 12 November 2020.实验报告||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τ=2、T 1=，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=;tao=2;G0=tf([1],[T1 1],'inputdelay',tao)sysd=c2d(G0,T,'zoh')上述函数将s 传函210(s) 2.881s G e s -=+转化为z 传函20.29340(z)0.7066G z z -=-。
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=100，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。
内模控制和Smith预估器
第五节 Smith 预估控制Smith 预估控制方法是在1957年由Smith 提出来的，其特点是预先估计被控系统在基本扰动下的动态特性，然后用预估器进行补偿，力图使被延迟的被控制量超前反映到控制器中，使控制器提前动作，从而显著地减小系统的超调量，同时加速系统的调节过程。
一、Smith 预估控制原理预估控制系统原理图如图7-24所示。
(a) 预估控制系统原理框图 (b) Smith 预估器图7-24 预估控制系统原理图 图中，s e s G τ−)(p 为具有时滞为τ的对象传递函数，其中)(p s G 为被控对象；)(m s G 为内部模型（又称为对象的标称或名义模型），即Smith 预估器的传递函数，()s e s G s G τ−−=1)()(p m ；)(s D 为（前馈）内模控制器；)(s d 为扰动；)(s R 为参考输入；)(s Y 为被控对象输出；)(m s Y 为内部模型输出。
由图7-24可知，将Smith 预估器与控制器（或被控对象）二者并联。
在理论上可以使被控对象的时间滞后得到完全补偿，控制器的设计就不必再考虑对象的时滞作用了。
现在，系统中假设没有补偿器（预估器），则控制器输出与被控量之间的传递函数便为 s e s G s U s Y τ−=)()()(p (7-50) 上式表明，受到)(s U 控制作用的被控量)(s Y 要经过纯滞后时间τ之后才能反馈到系统控制器输入端。
若采用预估补偿器，则控制量)(s U 与反馈到控制器输入端的反馈信号)(s Y ′之间的传递函数乃是两个并联通道之和，即)()()()(m p s G e s G s U s Y s +=′−τ (7-51) 为使反馈信号)(s Y ′不发生时间滞后τ，则要求(7-51)式满足)()())(()()(p m p s G s G e s s G s U s Y s =+=′−τ (7-52) 于是，就导出了Smith 预估补偿器的传递函数为()s e s G s G τ−−=1)()(p m (7-53) 在系统中设置了Smith 预估器的情况下，可以推导出系统的闭环传递函数为)()(1)()()1)(()(1)()(1)1)(()(1)()()()(p p p p p p s G s D e s G s D e s G s D e s G s D e s G s D e s G s D s R s Y s s s s+=−++−+=−−−−−ττττ (7-54) 由上式可以明显看出，在系统的特征方程中，已经不含有s e τ−项。
Smith预估
史密斯(Smith)预估器工业生产过程中的大多数被控对象都具有较大的纯滞后性质。
被控对象的这种纯滞后性质经常引起超调和持续的振荡。
在20世纪50年代，国外就对工业生产过程中纯滞后现象进行了深入的研究，史密斯提出了一种纯滞后补偿模型，由于当时模拟仪表不能实现这种补偿，致使这种方法在工业实际中无法实现。
随着计算机技术的飞速发展，现在人们可以利用计算机方便地实现纯滞后补偿。
1．史密斯补偿原理在图6.14所示的单回路控制系统中，控制器的传递函数为D(s)，被控对象传递函数为G p (s)e -τs ，被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为G p (s)，被控对象纯滞后部分的传递函数为e -τs 。
图6.14 纯滞后对象控制系统图6.14所示系统的闭环传递函数为()()()1()()sp s p D s G s e s D s G s e ττ--Φ=+ (6.43)由式(6.43)可以看出，系统特征方程中含有纯滞后环节，它会降低系统的稳定性。
史密斯补偿的原理是：与控制器D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节传递函数为G p (s)(1-e -τs )，τ为纯滞后时间，补偿后的系统如图6.15所示。
‘图6.15 史密斯补偿后的控制系统由控制器D(s)和史密斯预估器组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为'()()1()()(1)s p D s D s D s G s e τ-=+- (6.44) 根据图6.15可得史密斯预估器补偿后系统的闭环传递函数为 '()()()1()()p s p D s G s s e D s G s τ-Φ=+ (6.45)由式(6.45)可以看出，经过补偿后，纯滞后环节在闭环回路外，这样就消除了纯滞后环节对系统稳定性的影响。
拉氏变换的位移定理说明e -τs仅仅将控制作用在时间座标上推移了一个时间τ，而控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为G p (s)时完全相同。
Smith预估器控制设计
《计算机控制》课程设计报告题目: Smith预估器控制设计姓名:《计算机控制》课程设计任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2012年7月5 日Smith 预估器控制设计一、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（Smith预估器控制）的设计及其实现。
二、实验内容被控对象为-512()2se G s s =+， 1.0s T =画出系统框图，设计Smith 数字预估器。
三、控制系统仿真 1.方案设计已知纯滞后负反馈控制系统，其中图1.其中D(s)为调节器传递函数，-512()2se G s s =+为对象传递函数，其中-5()sO G s e 包含纯滞后特性，纯滞后时间常数5τ=。
系统的特征方程为：5121()()1()02se D s G s D s s -+=+=+由于闭环特征方程中含有-5s e 项，产生纯滞后现象，/5/150.5m T τ==≥，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-5s e 项。
Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统：图 2.上图所示ZOH 为零阶保持器，传递函数为：se s G Tsh --1)(=，并且有：lT =τ（l为大于1的整数，T 为采样周期）。
由已知可知， 1.0T s =，则551l Tτ===。
2.负反馈调节器D(z)的确定D(z)为负反馈调节器，通常使用PID 控制规律。
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: 1.0T s =,5τ=,5l =,1m T =,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1=0.25Tτ=，则选择控制度为1.20，控制规律为PI 控制，因此选定PI 参数为：0.78()pmK T τ=3.60iT τ=所以有：0.156p K = 18i T = 则控制器的传递函数为：i 110.1560.00867()(1)0.156(1)T 18p s D s K s s s+=+=+=⋅ 将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到：1-1-1--1-10.7-717.0)-1(1|)()(1-z z z T T K s D z D i p Tz s =⋅+===】【 3.Smith 补偿器)z D （τ的确定Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统的框图：图 3.sT Ks G m O ⋅+=1)( lT ≈τ spes G s G τ-)()(=s m Tsso h e s T s e K e s G s G s G ττ---)1()-1()()()(+==)-1)(()(-s p e s G s D ττ=)-11--11)(-1)(z -K(1 ])1(1[)-1)(z -K(1 )]-1()1()-1([)]([)(1--1--1--1---z ezz s T s Z z e s T s e K Z s D Z z D mT T lm ls m Ts =+=+==τττ令mT -T ea =，)-1(-mT T eK b =则有1--1--1)-1()(az z bz z D l =τSmith 预估器（纯滞后补偿器）的框图：图 4.)-1()()(-1l z z C z C =)()()az -(1)()z -(1c(k)1-11-1-l k u bz k c k c ==最后解得)1-()1-()()-(-)()(1111k ac k bu k c l k c k c k c +==由上一步所得的数据: 1.0T s =,5τ=,5l =,1m T =，12K =解得如下数据：1---110.368mT T a ee e ====1--1(1-)12(1-)7.584mT T b K e e ==⨯=则-1-5-17.584(1-)()1-0.368z z D z zτ=1111()()-(-5)()7.584(-1)0.368(-1)c k c k c k c k u k c k ==+由此可得到：11()7.584(-1)0.368(-1)-(-5)c k u k c k c k =+由此可见，Smith 补偿器的差分方程有1(-5)c k 项，即存在滞后5拍的信号，因此产生纯滞后信号对纯滞后补偿控制是至关重要的。
带Smith预估器的预测PID控制器的设计
预测PID控制算法仿真[J].系统仿真学报.2004, 16(3): 495-499. [3] Vega P, Prada C, Aleixandre V. Self-tuning predictive PID controller [J].IEEE Proc. Part D,1991,138(3):303-311. [4] 邵惠鹤，认正云. 预测PID控制算法的基本原理及研 究现状[J]. 世界仪表与自动化. 2004, (6):17-21. [5] KATAYAMA M, YAMAMOTO T, MADA Y. A practical design of multiloop robust PIDcontrol systems[J]. Electrical Engineering in Japan,2004, 147(3): 330-337. [6] 吴刚. 预测控制研究及在工业锅炉自动控制中的应 用[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 1989. [7] 邵惠鹤.工业过程高级控制[M].上海:上海交通大学
矩阵求逆，计算量大，且不能保证矩阵可逆，计算中还
会出现数值病态问题，在实际应用中存在着较大的安全
隐患。
为避免传统GPC中的矩阵求逆问题，在算法中引入阶
梯式策略[6]。令
其中，
，此时的目标函数变为：
(9) 其中，
得到的控制律为：
1.3 整定结果 由式(4)与式(14)的对应关系，我们可以比较得到 PID控制器各参数(其中 为采样周期)如下：
文中控制器采用I-PD型结构，该控制律在改变设定 值时，控制器输出不至于有太大的变化，增强了系统的 抗扰动能力[7]，另外可以很方便地得到此I-PD控制律与 GPC控制律之间的联系，从而可以依据GPC思想来进行PID 参数的整定[5]。其具体形式为：
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《计算机控制》课程设计报告题目: Smith预估器控制设计姓名:《计算机控制》课程设计任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2012年7月5 日Smith 预估器控制设计一、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（Smith预估器控制）的设计及其实现。
二、实验内容被控对象为-512()2se G s s =+， 1.0s T =画出系统框图，设计Smith 数字预估器。
三、控制系统仿真 1.方案设计已知纯滞后负反馈控制系统，其中图1.其中D(s)为调节器传递函数，-512()2se G s s =+为对象传递函数，其中-5()sO G s e 包含纯滞后特性，纯滞后时间常数5τ=。
系统的特征方程为：5121()()1()02se D s G s D s s -+=+=+由于闭环特征方程中含有-5s e 项，产生纯滞后现象，/5/150.5m T τ==≥，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-5s e 项。
Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统：图 2.上图所示ZOH 为零阶保持器，传递函数为：se s G Tsh --1)(=，并且有：lT =τ（l为大于1的整数，T 为采样周期）。
由已知可知， 1.0T s =，则551l Tτ===。
2.负反馈调节器D(z)的确定D(z)为负反馈调节器，通常使用PID 控制规律。
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: 1.0T s =,5τ=,5l =,1m T =,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1=0.25Tτ=，则选择控制度为1.20，控制规律为PI 控制，因此选定PI 参数为：0.78()pmK T τ=3.60iT τ=所以有：0.156p K = 18i T = 则控制器的传递函数为：i 110.1560.00867()(1)0.156(1)T 18p s D s K s s s+=+=+=⋅ 将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到：1-1-1--1-10.7-717.0)-1(1|)()(1-z z z T T K s D z D i p Tz s =⋅+===】【 3.Smith 补偿器)z D （τ的确定Smith 纯滞后补偿的计算机控制系统的框图：图 3.sT Ks G m O ⋅+=1)( lT ≈τ spes G s G τ-)()(=s m Tsso h e s T s e K e s G s G s G ττ---)1()-1()()()(+==)-1)(()(-s p e s G s D ττ=)-11--11)(-1)(z -K(1 ])1(1[)-1)(z -K(1 )]-1()1()-1([)]([)(1--1--1--1---z ezz s T s Z z e s T s e K Z s D Z z D mT T lm ls m Ts =+=+==τττ令mT -T ea =，)-1(-mT T eK b =则有1--1--1)-1()(az z bz z D l =τSmith 预估器（纯滞后补偿器）的框图：图 4.)-1()()(-1l z z C z C =)()()az -(1)()z -(1c(k)1-11-1-l k u bz k c k c ==最后解得)1-()1-()()-(-)()(1111k ac k bu k c l k c k c k c +==由上一步所得的数据: 1.0T s =,5τ=,5l =,1m T =，12K =解得如下数据：1---110.368mT T a ee e ====1--1(1-)12(1-)7.584mT T b K e e ==⨯=则-1-5-17.584(1-)()1-0.368z z D z zτ=1111()()-(-5)()7.584(-1)0.368(-1)c k c k c k c k u k c k ==+由此可得到：11()7.584(-1)0.368(-1)-(-5)c k u k c k c k =+由此可见，Smith 补偿器的差分方程有1(-5)c k 项，即存在滞后5拍的信号，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Matlab 系统仿真本系统采用PI 控制算法，用matlab 下的Simulink 工具箱搭建闭环系统结构，加以1V 的阶跃信号，PI 控制器系数0.156p K = ，18i T =，取反馈系数为1.使用Smith 预估补偿器的仿真结构得到输出曲线分别如图所示： 系统仿真结构框图为：图 5. 系统仿真波形图为：图 6.2.使用不带Smith预估补偿器的仿真结构得到输出曲线分别如图所示：系统仿真结构框图为：图 7.系统仿真波形图为：图8.分析：通过比较前后两次仿真的波形图可以看出，采用带Smith预估器控制的设计与传统的PID控制设计相比，大大的减少了响应曲线的超调，同时也加快了系统的响应过程，增加了系统的稳定性，使系统逐渐趋于稳定，达到了预期控制的目的。
四、电路设计及元件选型控制器部分需要AD转换器，DA转换器，反相器，运算放大器，单片机。
1.AD转换器AD转换器选择ADC0809, ADC0809是一种逐次逼近式的8路模拟输入，8路数字输出的A/D转换器，可以与单片机直接连接。
逐次逼近式速度较高，比较简单，而且价格也不是很高，因此是微型计算机应用系统中最为常用的一种A/D转换器。
AD转换器的电路设计：(1) 由于只需要一路信号，只选择IN-0输入，三根地址线固定接地，选择IN-0通道。
(2) 由于ADC0809需要500KHz的时钟源，利用单片机AT89S52的ALE引脚输出的脉冲信号其频率为单片机工作晶振的六分之一，此处单片机采用12MHz的晶振，则需经过4分频后供给ADC0809的CLK端。
(3)START脚为AD转换启动信号，高电平有效，由程序控制，故与单片机的P2.0脚通过非门相连。
(4)AD采样值为系统的偏差信号，有正负两种情况，故选择ADC0809的参考电压为正负5V。
(5)AD转换结束后，EOC脚输出高电平，此时单片机接收EOC信号，读取AD 转换的结果，将EOC脚经反相器与单片机的INT0脚相连。
AD转换结果由P0口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0口相连，高低位依次相连经以上分析，设计AD转换器的接口电路如图所示：图9.注意：ADC0809对输入模拟量要求信号单极性，电压范围是0-5V，若信号太小，必须进行放大；输入模拟量在转换过程中应保持不变，若模拟量变化太快则需在输入前加采样保持电路。
2.DA转换器DA转换器选择DAC0832,DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与51单片机相连，其主要特性为：a)分辨率为8位b)电流输出，稳定时间为1sc)可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入,单一电源供电DA转换器的电路设计：(1)参考电压选择+5V，直接与供电电源相连。
(2)选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直通状态，由DAC0832的引脚特性，将DAC0832的引脚接发如下：CS：片选端，低电平有效，直接接低电平ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。
WR2：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效，由于其处于直通状态，故直接接低。
XFER：数据传送控制，低电平有效，故直接接地。
WR1；第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。
其输入为上升沿时，将输入数据锁存到DAC寄存器，故将该脚与单片机P2.1口相连，由程序控制DA转换的时间。
(3) DA的八路输入，与单片机的P1口相连，高低位依次对应。
经以上分析，设计DA转换器的接口电路如图所示：图10.3.控制器设计控制器选择AT89C51单片机，根据ADC0809和DAC0832的特性，及上述分析，设计单片机与AD、DA的接口电路如下图所示：图 11.总控制电路图如下图所示：图 12.五、采用直接程序法1.单片机程序算法1.将带Smith 预估器控制的控制器的传递函数转化为差分方程： 11()7.584(-1)0.368(-1)-(-5)c k u k c k c k =+由于已求得110.1650.156()1z D z z ---=-根据)]()([)()(z C z E z D z U -⨯= 可得()(1)0.165()0.156(1)0.165()0.156(1)u k u k e k e k c k c k =-+---+- 则控制器的算法为：(1),11()7.584(-1)0.368(-1)-(-5)c k u k c k c k =+(2),()(1)0.165()0.156(1)0.165()0.156(1)u k u k e k e k c k c k =-+---+-2.由于系统的采样周期 1.0T s =在52单片机通过选用定时器T0工作在方式1下来实现，即16位定时计数器。
单片机采用12M 晶振，则其机器周期为1us 。
由公式ms us X 501-216=⨯）（ 得初值03015536CB X X ==再通过20次循环实现 1.0T s =的采样延时。
2.程序流程图图13. 主程序流程图图 14. 中断服务程序流程图3.AT89C51的单片机C语言程序51单片机C语言程序代码：#include<reg51.h>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC0809 P0;//AD0809的端口部分,P0为AD的数据接口；sbit AD_Start=P2^0;//开始转换信号有T0定时来控制；sbit DA_WR=P2^1;#define DAC0832 P1；//DAC0832的端口部分;P1为DA的数据接口；uchar C1K0,C1K1,C1K2,C1K3,C1K4,C1K5;uchar CK0,CK1;//分别为k,k-1时刻smith预估器的输出uchar UK0,UK1;//分别为k，k-1时刻的控制器的输出uchar EK0,EK1;//分别为k,k-1时刻的AD的输入uint i=0;main(){C1K0=C1K1=C1K2=C1K3=C1K3=C1K4=C1K5=0;UK0=UK1=0;CK1=0;EK1=0;DA_WR=0;TMOD=0X01; //定时器0控制方式1,16位的定时器计数器TL0=0XE0; //定时器初始化；TH0=0XB1;TR0=0; //关闭T0计时；ET0=1;PT0=1; //T0中断允许优先级；EX0=1;IT0=1; //触发方式，跳沿触发；P1=0X00; //先清零DA；TR0=1; //定时器开始计时，20ms转换一次；EA =1; //总中断开；while(1); //等待中断}void int_0(void) interrupt 0 //单片机中断处理程序；{EA=0;AD_Start=1;P0=EK0;C1K0=7.584*UK1+0.368*C1K1;CK0=C1K0-C1K5 ;C1K5= C1K4;C1K4= C1K3;C1K3= C1K2;C1K2= C1K1;C1K1= C1K0;UK0=UK1+0.165*EK0-0.156*EK1-0.165*CK0+0.156*CK1;UK1=UK0;CK1=CK0;EK1=EK0;UK0=P1;EA=1;}void inter_timer0()interrupt 1 //定时器0溢出中断；{EA=0;i=20; //循环20次实现1.0S采样for(i;i>0;i--){TL0=0XB0;TH0=0X3C; //延时50ms}AD_Start=0; //启动AD；EA=1;}六、设计工作总结及心得体会七、参考文献1.刘建昌等主编计算机控制系统科学出版社20092.张晋格主编控制系统CAD—基于MATLAB语言机械工业出版社2004.63.张毅刚主编单片机原理及应用高等教育出版社2003.12。