基于smith预估算法的电加热管温度控制系统的设计正文大学学位论文.docx

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基于smith预估算法的电加热管温度控制系统的设计正文大学学位论文

一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。

）

工作基础：

了解时滞系统的基本概念，掌握Smith预估控制器的设计原理。

研究条件：

Smith预估控制器的基本原理以及大迟滞被控对象-电加热管。

应用环境：

采用Smith预估器与PID控制器相结合的方法，推导其控制算法，对被控对象电加热管搭建计算机控制系统，并对其温度进行实时控制。

工作目的：

熟练掌握Smith算法的基本原理。

采用阶跃响应曲线法获取被控对象的数学模型。

利用实验室现有设备，确定控制方案，搭建计算机控制系统。

获取符合要求的温度控制曲线。

二、参考文献

[1]王志萍.带有Smith预估器的模糊控制系统仿真研究[J].上海电力学院学报.2004（02）.

[2]储岳中,陶永华.基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真[J].安徽工业大学学报（自然科学版）.2004（01）.

[3]尹明,董振银,宋利君.模糊PID在电炉温度控制中的应用[J].齐齐哈尔大学学报.2003（02）.

[4]张涛,李家启.基于参数自整定模糊PID控制器的设计与仿真[J].交通与计算机.2001（S1）.

[5]周荔丹,童调生.模糊PID在电阻加热炉温控系统中的应用[J].自动化与仪器仪表.2001（05）.

三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。

）

1、掌握迟滞系统以及Smith算法的基本概念与原理。

2、获取电加热管的被控对象数学模型。

3、采用Smith预估器与PID相结合的方式，推导被控对象的表达式。

4、根据实验室设备，确定温度数值与模拟电压之间的对应关系，搭建计算机控制系统，并完成相关控制界面的设计。

指导教师（签字）

年月日

审题小组组长（签字）

年月日

北京理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告

课题名称

基于Smith预估算法的电加热管温度控制系统的设计

系名

信息工程系

专业

自动化

学生姓名

唐敏琪

指导教师

扈书亮

一、课题来源及意义

PID是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。

因算法简单、鲁棒性好、可靠性高，一直是工业生产过程中应用最广的控制器。

然而，实际生产过程往往具有非线性、时变不确定性，应用常规PID控制不能达到理想的控制效果。

这时，往往不得不采用模型预测控制、自适应控制等先进控制策略来获得更好的控制性能。

但是也存在多种原因阻碍这些先进控制策略在实际中的应用。

因此，近年来越来越多的研究人员就上层采用模型预测控制这类先进的控制算法，而底层保留传统的PID控制算法，即所谓的预测PID控制算法，展开了一系列的研究。

滞后环节的存在使得整个系统的控制品质变坏甚至引起闭环系统的不稳定。

因此今年来，对时滞控制系统的方法研究方兴未艾。

Smith预估控制是一种对被控对象的纯滞后补偿，在工业过程中有着比较广泛的应用。

二、国内外发展现状

从50年代以来，时滞控制先后出现了基于模型的方法和无模型两大方法，PID控制是迄今为止应用最广泛的一种方法，在工业过程控制中大多数采用此方法。

优点是原理简单，通用性强，鲁棒性好。

然而PID控制在纯滞后系统中的应用中有一定限制，对于滞后较大的系统，常规的PID控制往往显得无能为力。

1958年，Smith提出了一种纯滞后补偿模型，即Smith预估控制。

其最大优点是将时滞环节移到了闭环之外，提高了系统的控制品质。

并在传统Smith预估算法的理论基础上，采用Smith预估器与PID控制器相结合的方法，推导出相应的控制算法。

三、研究目标

利用Smith预估控制的理论思想以及实验室现有的硬件设备，被控对象为电加热管，参阅有关文献，通过建立数学模型，在MATLAB环境下，对控制电加热管温度的Smith控制算法进行仿真研究，最终获得对应的阶跃响应曲线。

四、研究内容

Smith预估法也叫纯滞后补偿法，设计的目标是引入一个纯滞后环节即Smith预估器，与被控对象相并联。

基于Smith预估器的温控系统能有效克服大纯滞后对控制系统稳定性的影响，且实现简单，可靠性好。

由于电加热管温控系统本身为大时滞系统，对象参数变化较大，要建立精确的数学模型很困难。

Smith预估控制对于大时滞系统具有良好的控制作用，它在估计对象动态特性的基础上用一个预估模型进行补偿，从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器。

将Smith预估器和PID控制器结合，具有较强的鲁棒性，能克服系统模型不确定性和外部干扰的影响。

Smith预估器能够估计出系统的动态特性，并对其进行补偿，使得被延迟了的被控变量能够超前反映到PID控制器，通过整定PID控制器参数，可以减小系统的超调量和调节时间，将Smith预估器和PID控制器数字化。

采用阶跃响应曲线法测取电加热管的对象特性，通过建立数学模型，在MATLAB环境下，对控制电加热管温度的Smith控制算法进行仿真研究。

结合Smith预估器与PID控制器的计算机控制系统框图

五、研究方法与手段

在充分了解Smith预估控制器、计算机控制系统的硬件构成以及软件设计及其相应模块的基础上进行电加热管温度控制系统的设计。

1.通过查阅相关资料，理解Smith预估控制的基本原理以及PID控制算法方面的基础知识，从而将Smith预估器和PID控制器相结合。

2.分析系统硬件构成，了解测取电加热管对象特性的方法，由于软件设计在MATAB软件平台完成根据获得的阶跃响应曲线,因此要了解其使用方法。

3.设计出基于Smith预估控制的加热管温控系统，并对其进行实验研究。

4.根据实验数据总结撰写毕业设计论文。

六、进度安排

1、2014.12.07-2015.03.15查找资料，了解Smith预估控制算法以及PID控制算法的原理等相关内容，总结文献综述，完成开题报告；

2、2015.03.17-2015.03.23仔细研究课题，完善开题报告，找出不足查漏补缺；

3、2015.03.25-2015.04.15获取电加热管的被控对象数学模型；

4、2015.04.17-2015.04.25采用Smith预估器与PID相结合的方式，推导被控对象的表达式；

5、2015.04.27-2015.05.10参阅有关文献，通过建立数学模型，在MATLAB环境下，对控制电加热管温度的Smith控制算法进行仿真研究；

6、2015.05.10-2015.06.05撰写论文，准备答辩。

七、方案可行性分析

通过讨论Smith预估控制的基本原理Smith预估器与PID控制器结合，推导出相应的控制算法，应用于计算机控制系统，实现了对一阶纯滞后对象（电加热管）的控制，可以达到实验目的。

八、主要参考文献

[1]何克忠，李伟.计算机控制系统[M].北京：

清华大学出版社，1998.

[2]邵裕森.过程控制及仪表[M].上海：

上海交通大学出版社，1995.1.

[3]SmithOJH.Acontrollertoovercomedeadtime[J].ISATransaction,1959,6

（2）:

28-33.

[4]陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：

电子工业出版社，2011.

[5]张连城.Smith预估控制的工程实现[J].自动化博览，2012（4）：

76-80.

[6]曹顺安，谢学军，刘光临.基于Smith预估器的PID自适应控制及其应用［J］.化工自

动化及仪表，2004

（1）：

28-32.

[7]洪镇南，王旭东.Smith预估补偿器及其应用［J］.控制工程，2002（5）:

69-71.

[8]尹明,董振银,宋利君.模糊PID在电炉温度控制中的应用[J].齐齐哈尔大学学报.2003（02）.

[9]张涛,李家启.基于参数自整定模糊PID控制器的设计与仿真[J].交通与计算机.2001（S1）.

[10]周荔丹,童调生.模糊PID在电阻加热炉温控系统中的应用[J].自动化与仪器仪表.2001（05i）.

[11]SmithOJH.Acontrollertoovercomedeadtime[J].ISATransaction,1959,6

（2）:

28-33.

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

指导教师（签字）

年月日

选题是否合适：

是□否□

课题能否实现：

能□不能□

审题小组组长（签字）

年月日

摘要

在工业过程控制领域中，许多被控对象都不同程度存在着时滞现象，由于它的存在导致系统在信号及能量的传递上会有延迟,控制器的调节作用经历一段时间才能体现到系统输出。

大时滞的存在严重影响了系统的控制效果和稳定性，导致系统的超调变大，调节时间变长，甚至出现振荡和发散,系统的动态品质明显变差。

温度控制就属于比较难于控制的系统。

 通常对于时滞系统，Smith预估控制是一种有效的时滞补偿方法，Smith预估控制在理论上能够去掉系统特征方程中的时滞环节，有效补偿时滞，使控制性能大大提高。

本设计是在传统的Smith预估算法的理论基础上，被控对象为电加热管，采用Smith预估器与PID控制器相结合的方法，推导出相应控制算法，利用实验室现有设备，通过建立数学模型，在MATLAB环境下，对控制电加热管温度的Smith控制算法进行仿真研究。

关键词：

时滞；Smith预估算法；电加热管；MATLAB仿真

ABSTRACT

Intheprocesscontrolindustry,manycontrolledobjectstherearedifferentdegreesofthedelayobject,duetoitscharactertherewillbetimelagwhenthesignalorenergyistransferring.Theregulationofthecontrollerwillreflecttosystemoutputthroughaperiodoftime.Thebigtimedelayphenomenonwithintheindustryprocessisverywidespread,itsexistenceaffectedthestabilityofthesystemseriously,causesystemovershotbecomebig,adjusttimetolengthenconsumedly,evenappeartoflapanddissipation,thedynamicqualityofthesystembecomesobviouslybad.Temperaturecontrolbelongstothesystemwhichismoredifficulttobecontrolled.Usuallyfordelaysystems,Smithpredictorcontrolisaneffectivemethodoftime-delaycompensation,Smithpredictorcontrolintheory,beabletoremovethecharacteristicequationoftimedelayunit,effectivecompensationfordelays,thecontrolperformanceisgreatlyimproved.

OnthebasisoftraditionalSmithpredictivecontroltheory，usingexistingdevices，weapplySmithpredictorwithPIDcontrollertocomputercontrolsystemforcontrollingthetemperatureofelectricalheatingtube.SystemsdesignedusingMATLABsimulation,andobtainedthesimulationresultstobeanalyzed.

Keywords:

Timedelay;Smithpredictoralgorithm;Electricheatingtube;MATLAB

　　外文资料

　　中文译文

　　致谢

第一章　　绪论

1.1　研究背景及意义

1.1.1　时滞现象状况

当今社会科技迅猛发展，在实际的生产过程中出现了各种复杂的控制系统，对他们的控制也是越来越困难，并且大多数的系统中被控对象都存在时滞特征，这是使控制系统复杂化的一个主要原因。

在实际的生产控制系统当中时滞现象很普遍，可以看得见摸得着的时滞比如传送带传输的货物等，抽象的时滞比如能量、信号之类传递等等。

时滞的存在使控制系统中的控制作用不能立刻反映到被控对象，所以就可能是系统的输出出现振荡甚至发散，导致系统的各方面性能都有所下降。

即使是先进的控制器也会因为这个原因使控制系统的性能品质降低。

对于被控对象是一阶环节时，根据时滞系统中时滞因子与时间常数比值的大小，可以分为大时滞系统（τ/T>0.3）和一般时滞系统（τ/T﹤0.3）。

如果系统是大时滞的，普通的控制器去对它作用很难收到令人满意的效果。

总结起来时滞就是一个困难而又不得不解决的问题，如果被控对象的时滞时间参数越大，那么对系统的控制就越艰难，而且对时滞系统控制的效果如何直接影响实际的生产过程，如果可以对时滞系统进行有效控制，工业生产的多数问题就都会解决了。

问题都出现在时滞环节。

所以，能提出可以解决时滞问题的方法对于工业生产具有重要意义。

在工业生产过程中，由于纯滞后的存在，使得被控变量不能及时反应系统所承受的扰动。

因此，这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间。

一般认为纯滞后时间与过程的时间常数之比大于0.5，就属于大时滞过程。

当纯滞后时间与过程时间常数的比值增加，过程中相位滞后增加，使上述现象更为突出。

有时甚至会因为超调严重而出现聚爆、结焦等停产事故，有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安全限，从而危及设备及人身安全。

因此大时滞过程一直受到人们的关注，成为重要的研究课题之一。

对于时滞过程控制来说，一个“好”的控制器应该根据“未来”的参考输入信号和过程输出产生合适的“当前”控制信号，以使过程输出在时滞时间之后趋近于参考信号，一般来讲，“未来”的过程输出是通过对象模型进行预测得出的。

因此，高性能的控制方法一般都需要对象的模型或在控制算法中隐含对象的模型。

在基础控制级，时滞过程的控制方法主要有PID以及其他改进的PID，离散域的大林算法，基于时滞补偿思想的Smith预估控制和内模控制方法。

在设定点优化控制级，主要采用模型预测控制。

1.2　时滞发展现状

1.2.1　PID

PID是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。

因算法简单、鲁棒性好、可靠性高，一直是工业生产过程中应用最广的控制器。

然而，实际生产过程往往具有非线性、时变不确定性，应用常规PID控制不能达到理想的控制效果。

这时，往往不得不采用模型预测控制、自适应控制等先进控制策略来获得更好的控制性能。

但是也存在多种原因阻碍这些先进控制策略在实际中的应用。

因此，近年来越来越多的研究人员就上层采用模型预测控制这类先进的控制算法，而底层保留传统的PID控制算法，即所谓的预测PID控制算法，展开了一系列的研究。

从50年代以来，时滞控制先后出现了基于模型的方法和无模型两大方法，PID控制是迄今为止应用最广泛的一种方法，在工业过程控制中大多数采用此方法。

优点是原理简单，通用性强，鲁棒性好。

然而PID控制在纯滞后系统中的应用中有一定限制，对于滞后较大的系统，常规的PID控制往往显得无能为力。

1.2.2　Smith预估控制

1957年美国教授Smith提出了用预估器克服纯滞后，为解决纯滞后指出了一条新的出路，现在随着计算机的发展，可以很方便的实现纯滞后补偿了。

自发明以来，Smith预估补偿控制最初由于受硬件条件限制，很少在实际中被应用，近几年来，由于计算机技术的发展，Smith预估控制在实际中应用得越来越多。

Smith预估控制的特点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，再由预估器进行补偿的过程控制技术。

．它的基本思想是按过程特性设计出一种模型加人到反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使滞后了τ的被控量超前反映到控制器，使控制器提前动作，从而明显地减少超调量，加速调节过程．特别是对于那些被控对象具有不同程度的纯滞后，而被控对象又不能及时反映系统所承受的扰动的控制系统，Smith预估控制技术获得了广泛的运用。

1.3　国内外温度控制研究现状及发展趋势

从20世纪50年代开始，温度控制界逐渐发展了串级控制、前馈控制、Smith预估控制、比值控制、选择性控制和多变量解耦控制等策略与算法，称为复杂控制。

他们在很大程度上满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。

他们仍然以经典控制理论为基础，但是在结构与应用上各有特色，而且目前仍在继续改进与发展。

从20世纪80年代开始，在现代控制理论和人工智能发展的理论基础上，针对工业过程的非线性、时变性、耦合性和不确定性等特性，提出了许多行之有效的解决方法，如推理控制、预测控制、自适应控制、模糊控制和神经网络控制等，常统称为先进过程控制。

近十年来，以专家系统、模糊逻辑、神经网络和遗传算法为主要方法的基于知识的智能处理方法已经成为过程控制的一种重要技术，先进控制方法可以有效的解决那些采用常规仪表控制效果差，甚至无法控制的复杂工业过程的控制问题。

实践证明，先进控制方法能取得更高的控制品质和更大的经济利益，具有广阔的发展前景。

当今国内外的温度控制技术都是基于反馈的概念。

反馈理论的重要部分：

测量比较和执行。

测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节系统的响应。

这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好的纠正系统，PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多年的历史，由于PID具有简单、直观、鲁棒性好的特点，成为了工业过程控制最为常用的控制方式。

温度控制系统在国内外各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平并不高，与日本、英国、德国等先进国家相比，仍然有较大的差距。

但随着我国的经济发展，我国政府以及相关企业的重视，使我国温度等仪表工业得到迅速发展。

1.4　课题研究内容

将Smith预估器和PID控制器结合，具有较强的鲁棒性，能克服系统模型不确定性和外部干扰的影响。

Smith预估器能够估计出系统的动态特性，并对其进行补偿，使得被延迟了的被控变量能够超前反映到PID控制器，通过整定PID控制器参数，可以减小系统的超调量和调节时间，将Smith预估器和PID控制器数字化。

本设计是在传统的Smith预估算法的理论基础上，被控对象为电加热管，采用Smith预估器与PID控制器相结合的方法，推导出相应控制算法，利用实验室现有设备，通过建立数学模型，在MATLAB环境下，对控制电加热管温度的Smith控制算法进行仿真研究。

第二章　　PID控制器与Smith预估器

2.1　PID控制原理介绍

实际中，应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制（Proportional Intergral Derivative），简称PID控制，又称PID调节。

是一种经典的控制理论方法。

PID控制器问世至今已有近70年历史，自从自动控制理论发展以来，PID获得了长足的发展，现在的工业生活当中90%以上用到的都是PID控制，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一，在人们日常生活当中的作用举足轻重。

当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。

伴随计算机和信息技术的迅猛发展，出现了一系列先进的控制策略，但是PID控制器因为有简单的结构，控制起来简单等优点仍被广泛使用。

2.1.1　模拟PID控制原理

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。

常规的模拟PID控制系统原理框图如图2-1所示。

r（t）+e（t）+u（t）y（t）

+

-+

图2-1模拟PID控制系统原理图

（1）比例（P）控制

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。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

（2）积分（I）控制

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，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

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。

因此，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（D）控制

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组件（环节）或有滞后（delay）组件，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。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

2.1.2　PID控制算法

PID控制分为模拟式PID控制和数字式PID控制。

模拟式PID控制是以模拟的连续控制为基础的，理想的模拟式PID控制算法为

（2-1）

式中

——比例放大系数；

——积分时间常数；

——微分时间常数。

另外，

为系统输入和输出在t时刻的偏差值。

理想PID控制器的传递函数为

（2-2）

P作用的输出与偏差成比例，称为比例控制作用；I作用的输出与偏差的积分成比例，成为积分控制作用；D作用的输出与偏差的微分成比例，成为微分控制作用。

由于纯微分环节物理上无法实现，实际中应用的模拟PID控制器传递函数为带有惯性的PID控制器即

（2-3）

式中

——微分