延迟系统控制的设计
史密斯预估补偿控制与PID控制的比较研究_陆萍蓝
陆萍蓝1 , 张火明2 , 毛汝东3
( 1. 浙江工业大学 机电工程学院, 浙江 杭州 310014; 2. 中国计量学院 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018; 3. 中国计量学院 信息工程学院, 浙江 杭州 310018)
= 摘 要> 比较了两种工业过程控制中的控制器, PID 控制器和史 密斯预估 补偿控制器. 介绍 了四种 PID 参 数的整定方法, 分别为 试凑 法确 定 P ID 调节 参 数、Zieg ler- Nicho ls 参数 整 定方 法、最 优 PID 整 定算 法、运 用 M atlab/ simulink 中的 N CD O utpo rt( 非线性控制设计输出端 口模块 ) 模 块对 PID 参数 进行最 优整定. 史密 斯 预估补偿控制器主要用于工业控制中的大延时系统控制, 以提高系统的阶跃响应性能. 在理论上, 史密斯预估 补偿控制器提供了一个有效的方法来提高控制效果. 运用 M atlab/ Simulink 仿真方 案对前述两 种控制方 法进 行了仿真比较, 结果表明, 在有较大延时情况下, 史密斯预 估补偿控制能获得比 PID 控制更好的结果.
3. Coll ege of Inf ormation Engin eering, C hina Ji lian g U n iversit y, H angz hou 310018, China)
Abstract: Two kinds of contro ller used in industrial process control were compared. Four methods for tuning the parameters of the PID contro ller wer e presented. T he Smith predictive compensation controller w as mainly used in the long- time delay industrial process to improve the step response performance of the system. In theor y, the Smith predictive compensation contr oller could provide an effective way to improve the control effect. T he Matlab/ Simulink was employed to compare the two fo re- mentioned co ntroller s. T he outcome indicates that under the condition of a long- time delay, the Smith predictive compensation contro ller can achieve better results than those achieved by the PID contro ller.
5第三节延迟系统的根轨迹 求取闭环系统零极点的方法
（2）在根轨迹图上画出阻尼比线；
（3）求出根轨迹与阻尼比线的交点得到闭环主导极
点的位置；
（4）根据幅值条件，求出对应的开环增益；
（5）利用闭环特征方程的根之和和根之积确定
其它闭环极点。
阻尼比线
sd
闭环主 导极点
闭环主导极点为 sd 0.4 j 0.69
根据幅值条件开环增益为
n
s pi
终点 s z j ,
（3）、实轴上的根轨迹：实轴上根轨迹区段的右侧(实轴上)开 环实零、极点数目之和相应为奇数。
（4）、根轨迹的渐近线：
根轨迹渐近线有无数条，且平行于实轴
m
K1
j 1
s
z
j
n
e
1
s pi
i 1
K1 0
n
K1
s
i 1
z0 z 1 z2 z3
附加一个零点相当于增加一个比例微分环节，在实际中，
能够得到的比例微分作用的环节是比例环节与惯性环节串联而
成的复合环节。
Gf (s) K f
sz s p
只要选取P>5Z，可以产生类似附加单纯零点的作用。
增加的零点相对靠近虚轴而起主导作用
零极点对应的矢量幅角
c c
1 n
1 n 1 2
1 2
并与其它极点接近原点的程度有关，调整时间主要取决于主 导极点的实部
1 n
（5）如果系统中存在非常接近的零点和极点，其相互距离比 其本身的模值小一个数量级以上，则把这对闭环零、极点称为 偶极子。偶极子的位置距离原点非常近时，其对暂态响应的影 响一般需要考虑，但不会影响闭环主导极点的主导作用。偶极 子的位置距离原点较远时，其对暂态响应的影响可以忽略。
PLC控制系统的设计（经典）
PLC控制系统的设计一、PLC控制系统设计原则与步骤1.PLC控制系统设计的基本原则PLC控制系统主要是实现被控对象的要求提高生产效率和产品质量其设计应遵循以下原则1 最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前应深入现场进行调查研究搜集资料并拟定电气控制方案。
2 在满足控制要求的前提下力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便。
3 保证控制系统安全、可靠。
4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC的容量时应适当留有欲量。
N 满足要求Y N 满足要求2 .PLC控制系统设计的步骤PLC控制系统的设计过程如图所示1. 根据生产工艺过程分析控制要求分析控制要求确定人机接口设备PLC硬件系统设置分配I/O点设计梯形图程序写入、检查程序模拟调试设计制作控制柜现场安装接线分析控制要求现场总调试交付使用这一步是系统设计的基础设计前应熟悉图样资料深入调查研究与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合共同讨论以解决设计中出现的问题。
应详细了解被控对象的全部功能例如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与联锁系统要求哪些工作方式例如手动、自动、半自动等设备内部机械、液压、气动、仪表、电气五大系统之间的关系PLC与其他智能设备例如别的PLC、计算机、变频器、工业电视、机器人之间的关系PLC是否需要通信联网需要显示哪些数据及显示的方式等等。
还应了解电源突然停电及紧急情况的处理以及安全电路的设计。
有时需要设置PLC之外的手动的或机电的联锁装置来防止危险的操作。
对于大型的复杂控制系统需要考虑将系统分解为几个独立的部分各部分分别单独的PLC或其他控制装置来控制并考虑它们之间的通信方式。
1. 选择和确定人机接口设备I/O设备用于操作人员与PLC之间的信息交换使用单台PLC的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作人机接口。
PLC本身的数字输入和数字显示功能较差可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示但是占用的I/O点多甚至还需要用户自制硬件。
检测与控制系统中的时间延迟补偿算法设计
检测与控制系统中的时间延迟补偿算法设计简介：在现代的检测与控制系统中，时间延迟是一个普遍存在的问题。
由于信号传输的有限速度和处理过程中的延时，控制系统中的实时性可能会受到影响，进而导致系统性能下降和稳定性问题。
为了解决这个问题，时间延迟补偿算法被广泛应用于检测与控制系统中。
一、时间延迟的产生机制和影响1. 信号传输延迟：信号从传感器到控制器的传输过程中，受制于物理介质和传输速度，会产生一定的延迟。
2. 数据处理延迟：控制器接收到信号后，还需要进行数据处理和计算，这个过程也会引入延迟。
3. 控制执行延迟：控制器输出信号到执行机构，执行机构的响应时间也会引入延迟。
这些延迟会对检测与控制系统的性能产生负面影响。
比如，在一个自动化生产线上，如果延迟过高，可能导致机械设备无法及时响应变化的情况，从而影响产品质量和产线效率。
因此，设计合适的时间延迟补偿算法对于系统的稳定性和性能至关重要。
二、时间延迟补偿算法的设计原则时间延迟补偿算法的设计应遵循以下原则：1. 实时性：算法应能够在很短的时间内进行计算和补偿，以保证系统的实时性。
2. 稳定性：算法应能够保持系统的稳定性，避免延迟补偿引入新的不稳定性。
3. 准确性：算法应能够准确地估计延迟，并进行相应的补偿，以确保系统的性能达到预期。
4. 适应性：算法应根据不同的应用场景和系统特点，采用合适的补偿策略。
三、常见的时间延迟补偿算法1. 时钟同步算法：通过同步系统中各个时钟的时间，消除由于时钟不同步引起的延迟。
常用的同步算法包括网络时间协议（NTP）和触发时钟。
这种算法适用于对时间要求较高的系统，如工业自动化等。
2. 模型预测控制算法：基于系统的动态模型，预测延迟对系统的影响，并进行相应的控制策略修正。
该算法可以在不需要准确延迟信息的情况下实现延迟补偿。
模型预测控制算法在飞行器自动控制、机器人控制等领域有着广泛的应用。
3. 状态估计与滤波算法：通过利用系统的传感器测量和状态估计算法，对延迟的状态进行预测和补偿。
延迟系统的控制设计
e 1
s
G(z) Z[1 eTs KeNTs ] s T1s 1
Kz( N 1) (1 eT /T1 ) 1 eT T1 z1
jsjkz17
3
对具有纯滞后的二阶惯性系统
G(z) K Z[1 eTs
e N Ts ]
s (T1s 1)(T2s 1)
＝K (1 z 1)z N Z[
1
]
s(T1s 1)(T2s 1)
Discrete Transfer Fcn
0.119z+0.107 z5-1.6939z4+0.7165z3
Discrete Transfer Fcn1
c To Workspace1
Scope
演示：liti7_4xz.mdl
Scope1
jsjkz17
10
三．纯滞后补偿控制(史密斯预估器) （理解）
(s)
K T1s
e s 1
Gp
(s)
(T1s
K 1)(T2s
1)
e s
2．大林算法的设计步骤 （1）期望闭环传递函数的离散化
采用零阶保持器对期望闭环传递函数(s)进行离散化
jsjkz17
2
(z)
Z[1
e Ts s
T
1 eNTs ] s 1
Z[(1
eTs )eNTs
1 s(T s
] 1)
D(z) (z) (z) e (z)G(z) [1 (z)]G(z)
对具有纯滞后的一阶惯性系统
D(z)
(1 e(T /T ) )(1 e(T /T1) z1) K (1 e(T /11) )[1 e(T /T ) z1 (1 e(T /T ) )z( N 1) ]
延时测试系统
讲课到此结束
谢谢各位！
码值显示电路由实验箱上8个LED发光二极管 组成，每一个LED对应序列码的一个码位， 在静态或码型错误时，所有LED不亮；测出 正确的序列码后显示各个码位上的码值，显 示时间应大于2s 延迟时间显示使用实验箱上LED数码管：静 态时显示 “C”字、发送过程中消隐、测出延 时时间时，显示延时时间（bit）、测出码值 错误，则显示“9”字、显示数值的时间应大 于2s。在95108内需设计二进制数转换为7笔 画的译码电路 线路延迟时间模拟电路是与系统时钟同步的 数字式延迟电路，延迟时间可以人工设置， 延迟时间范围为0~7个时钟周期。（由D触发 器和数据选择器组成）
S2 S3 S4
0 0 0
CRF S 0 ; MF1 S1 ; MF0 S1 S 2 CRS S2 S3 S4 ; MS1 0; MS0 S 2 M
二进制数到七笔画译码表
状态 S0 S1 S2 S4 9 0 S3 延 时 计 数 值 000 显示 值 C C 不显示 二进制值 Y2Y 1Y0 a 1 1 0 1 1 b 0 0 0 1 1 c 0 0 0 1 1 笔画 d 1 1 0 1 1 e 1 1 0 0 1 f 1 1 0 1 1 g 0 0 0 1 0
电子电路课程设计
课题： 串行序列信号延时时间测试系统
时间安排
• 第1~2周（不含双休日）
– 第一天上午：上课-课设安排、设计提 示。 – 第一天下午和第二天整天：查资料、设 计草图（不用到实验室）。 – 第三天~第八天：课设操作（全部在实 验室完成）。 – 第九天：课设结果验收。 – 第十天：撰写课设报告。 – 实验室考勤时间：
LED显示码值 数码管显示延迟比特 收194保持MS1MS0=00 脉冲和延时计数电路保持 S3 0 计时满5s否 T5=1 1
simulink 带延迟环节的传递函数
simulink 带延迟环节的传递函数（实用版）目录1.引言2.Simulink 中延迟环节的定义与作用3.延迟环节的传递函数概念及表示方法4.如何在 Simulink 中添加延迟环节5.延迟环节传递函数的参数设置与优化6.总结正文1.引言在 Simulink 中，延迟环节是一种常见的控制模块，它在控制系统中起到延迟输入信号的作用。
延迟环节的传递函数是描述其输入与输出之间关系的数学函数，对于控制系统的性能分析和设计具有重要意义。
本文将详细介绍如何在 Simulink 中添加延迟环节以及如何设置和优化延迟环节传递函数的参数。
2.Simulink 中延迟环节的定义与作用延迟环节是指在输入信号作用下，输出信号不会立即产生，而是在经过一段时间后才出现的现象。
在控制系统中，延迟环节常常用于模拟实际系统中存在的传输延迟、执行延迟等。
通过引入延迟环节，可以更加真实地反映实际系统的动态性能，为控制系统的设计和分析提供有力支持。
3.延迟环节的传递函数概念及表示方法延迟环节的传递函数是指零初始条件下线性系统响应（即输出）量的拉普拉斯变换（或 z 变换）与激励（即输入）量的拉普拉斯变换之比。
记作 G(s)Y(s)/U(s)，其中 Y(s)、U(s) 分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。
4.如何在 Simulink 中添加延迟环节在 Simulink 中，可以通过以下步骤添加延迟环节：(1) 打开 Simulink 软件，新建或打开一个模型。
(2) 在 Simulink 库中，找到"Delay"模块，将其拖拽到模型编辑器中。
(3) 设置"Delay"模块的参数，包括延迟时间、传递函数等。
(4) 将输入信号连接到"Delay"模块的输入端，将输出信号连接到"Delay"模块的输出端。
(5) 通过仿真验证模型，观察延迟环节的效果。
5.延迟环节传递函数的参数设置与优化在 Simulink 中，可以通过调整"Delay"模块的参数来设置和优化延迟环节传递函数。
航空发动机大延迟系统Smith预估补偿模糊PID控制算法
究热点和难点 ， 由于延迟 的存在使得系统 的稳定时
间和超调量增大 ， 震荡加剧 ； 同 时 减 小 了系 统 的 相 角稳 定裕 度 甚至 导致 系统 不稳 定 ［ ］ 。
的最大推力 ，在保证低压压气机稳定工作的基础上
根 据低压 压 气机转 子 的换 算转 速 ‰ 对低 压压 气 机 进 口导流 叶片角度 （ ９ ／ 进行 调节 。该 通道 的数字式 控 制 器在 试 车 过程 中出现 了参数 摆 幅 较大 的现 象 ， 经 过判读 试 车数 据认定 该通道存 在较 大的延迟 。
ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｒ ｏ ｂ ｕ ｓ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ｂ ｙ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｓ ｍｉ ｔ ｈ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｏ ｒ ．
ＹＡＮ Ｔ ｏ ｎ ｇ ， ＹＩ Ｚ ｈ ｅ ｎ — ｇ ｕ ｏ ， ＺＨＡＮＧ Ｊ ｉ ｎ － ｐ ｅ ｎ ｇ ２ ， Ｚ ＨＡＩ Ｘｕ － ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ
（ １ ． Ｍ ｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｒ ｙ Ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｏ ｆ ｉ ｆ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｎ ｏ ． １ １ ４ ￡ ０ ｒ ｙ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ７ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｕ ｎ ｉ ｔ ９ ３ ６ １ ９ ｏ ｆ Ｐ Ｌ Ａ，
Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ３ ０ ０ ４ ０ ０ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ３ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ａ ｉ ｒ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｉｎ ｇ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｘｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ３ ８ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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极点z eT /T 0 不产生振铃 (2)带纯滞后的二阶惯性环节可能产生振铃现象
Ku
(z)
G(z)
(1 eT /T )(1 eT /T1 z1)(1 eT /T2 z1) Kc1(1 eT /T z1)(1 (c2 / c1)z1)
极点z eT /T 0 不产生振铃
稳态值不变，仅改变瞬态特性。 (2)根据闭环时间常数的要求，适当选择采样周期。
例7.4（教材）
Scope4
Scope2 Scope3
Scope5
Step
0.3297z 5-0.5585z 4+0.2362z 3 0.119z 5+0.0272z 4-0.0717z 3+-0.0392z-0.0353
Ku
(
z)
R(z)
Ku
(z)
1 1 z1
U (z) R(z)
(z) G(z)
Ku
(z)
Ku(z)在负实轴上有极点，特别是有-1附近的极
点将产生振铃。
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7
(1)带纯滞后的一阶惯性环节无振铃现象
Ku
(z)
G(z)
(1 eT /T )(1 eT /T1 z1) K (1 eT /T1 )(1 eT /T z1)
Ku(z)的一般形式
Ku
U
(z)
1 1 z1
1 b1z1 b2 z2 1 a1z1 a2 z2
(
z
)
1 b1z1 b2 z2 1 a1z1 a2 z2
1
1 b1z1 (a1 1)z1
b2z2 (a2
a1)z
2
对具有纯滞后的一阶惯性系统
D(z)
K (1
(1 e(T /T ) )(1 e(T /T1) z1) e(T /11) )[1 e(T /T ) z1 (1 e(T /T ) )z( N 1) ]
对具有纯滞后的二阶惯性系统的数字调节器
D(z)
(1 e(T /T ) )(1 e(T /T1) Kc1(1 (c2 / c1)z1)[1 e(T /T )
极点z
c2 c1
eT (1/T1 1/T2 )
f1(T1,T2 )
1 f2 (T1,T2 )
T0
1
产生振铃！
jsjkz17
8
2．振铃幅度 RA u(0) u(T)
数字调节器在单位阶跃输入作用下,第零拍输
出与第1拍输出之差.
U
(z)
K u (z) R(z)
Ku(z) 1 z1
G(z) K Z[1 eTs
e N Ts
]
s (T1s 1)(T2s 1)
＝K (1 z 1)z N Z[
1
]
s(T1s 1)(T2s 1)
K (c1 c2z1)z( N 1) (1 eT /T1 z1)(1 eT /T2 z1)
c1
1
RA
a1
b1
c2 c1
eT / T
eT / T1 eT / T2
无需展开！
lim
T 0
RA
a1
b1
2
jsjkz17
10
3．消除振铃的方法
(1)如果有z=-1的极点,找出该极点位置, 并令z=1,则可消除该极点,消除振铃现象.
c1 c2z1 z1c1 c2 (1 eT /T1 )(1 eT /T2 ) 代入前例分母，消除极点z=-1，消除振铃现象。
e Ts
)e NTs
1 s(T s
] 1)
(1 z1)zN Z[ 1 ]
s(T s 1)
(1
z 1 ) z N
(1
z1(1 eT /T ) z1)(1 eT /T
z 1 )
(1 eT /T )z( N 1) 1 eT /T z1
§7.3纯滞后系统数字控制器的设计 一．大林算法 （掌握）
适用条件: 指标要求无超调或小超调,允许有较长的调整时间, 被控对象Gp(s)为具有纯滞后的一阶或二阶惯性系统.
1．大林算法的设计准则
jsjkz17
2
期望闭环传递函数为
(s) 1 e s T s 1
对象：
NT (N 1,2,)
G
p
(s)
K T1s
e s 1
Gp
(s)
(T1s
K 1)(T2s
1)
e s
2．大林算法的设计步骤 （1）期望闭环传递函数的离散化
采用零阶保持器对期望闭环传递函数(s)进行离散化
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3
(z)
Z[1
e Ts s
T
1 eNTs ] s 1
Z[(1
T2
1 T1
(T1eT / T1
T2eT /T2
)
c2
eT /(1/ T1 1/ T2 )
T2
1 T1
(T1eT / T2
T2eT /T1 )
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5
（3）计算数字调节器D(z)
D(z) (z) (z) e (z)G(z) [1 (z)]G(z)
1
(b1
a1
1)
z
1
RA 1 (b1 a1 1) a1 b1
振铃幅度:为Ku(z)(或(D(z)))分母z-1与分子z-1的系数之差
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9
例:带滞后的二阶系统
Ku
(z)
G(z)
(1 eT /T )(1 eT /T1 z1)(1 eT /T2 z1) Kc1(1 eT /T z1)(1 (c2 / c1)z1)
z1)(1 e(T / 21) z1) z1 (1 e(T /T ) )z( N 1) ]
jsjkz17
6
二．振铃现象及消除方法（了解）
数字调节器D(z)的输出u(kT)以2T为周期的 上下大幅度摆动。
1．振铃现象分析:
C
U
(z)
(z)
R(z) (z) U (z)G(z)
(2)求被控对象的Z传递函数G(z) 对象为具有纯滞后的一阶惯性环节 G
p
(s)
K T1s
e 1
s
G(z) Z[1 eTs KeNTs ] s T1s 1
Kz( N 1) (1 eT /T1 ) 1 eT T1 z1
jsjkz17
4
对具有纯滞后的二阶惯性系统