论文温度控制系统的smith预估控制器设计.docx
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论文温度控制系统的smith预估控制器设计
成教毕业论文（设计）
题目温度控制系统的 smith 预估控制器的设计
院系机电工程学院
专业电气工程及其自动化
班级08 电气
考生姓名8888
准考证号8888888888
指导老师8888
摘要 ...........................................................................................................1
前言 ...........................................................................................................3
第 1 章 绪论 .............................................................................................4
1.1 选题背景 .........................................................................................4
1.2 国内外温度控制研究现状及发展趋势..........................................4
1.3 本文研究内容 .................................................................................5
第 2 章 温度控制系统的建模 .................................................................7
2.1 数学模型的介绍 .............................................................................7
2.2 工程控制数学模型的建立方法 .....................................................7
2.3 数学模型的建立 .............................................................................8
2.4 数据分析及建立模块步骤 .............................................................9
第 3 章 常规 PID 控制器设计...............................................................17
3.1 PID 概述.........................................................................................17
3.2 数字 PID 控制器 ..........................................................................17
3.3 PID 调节器参数对系统性能的影响 .............................................21
第 4 章 温度控制系统的 smith 预估控制器设计 ................................23
4.1 史密斯（SMITH）预估控制 ...........................................................23
4.2 纯滞后对象的控制算法——大林算法.......................................25
4.3 带 SMITH 预估器 PID 数字控制器 .................................................27
第 5 章 Smith 预估补偿控制的 Matlab 仿真与实验 ...........................29
5.1 MATLAB 仿真软件的介绍 ...............................................................29
5.2 带 SMITH 预估控制器的锅炉系统的仿真 ....................................29
第 6 章 总结 ...........................................................................................36
致谢 .........................................................................................................37
参考文献 .................................................................................................38
摘要
本文针对“锅炉主系统”通过实验法建立其数学模型，进而用 PID 控制算
法和 Smith 控制算法对其进行仿真控制。
对于锅炉温度的控制，由于 PID 控制
器结构简单、实用、价格低，PID 控制得到了广泛的应用，但 PID 控制参数整
定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制效果漂离最佳状态，
并且电炉加热器温度具有纯滞后特点，PID 的控制效果并不明显，因为参数一
经设定，不随系统参数变化而改变，影响控制质量。
对于这种情况 Smith 控制
算法在锅炉温度控制中的应用，使得锅炉温度控制能够达到一个稳定的水平，
并且能有效的解决系统产生的纯滞后效果。
最后用 Matlab 对设计的系统进行仿真，并得出仿真的结果并且加以分析。
关键词：
PID，Smith，锅炉气温，仿真
Abstract
For "boiler system" by the experimental method to establish the
mathematical model, and then using the PID control algorithm and Smith
control algorithm simulation control. Boiler temperature control, PID
controller structure is simple, practical, low price, PID control has been
widely used, but the PID control parameters tuning trouble, the plant
model parameters is difficult to determine, outside interference makes the
control effect drift away from the good condition, and the temperature of
the electric furnace heater time delay characteristics of the PID control is
not obvious, because the parameters are set, do not change with the
system parameters change, affecting the quality control. For this case
1
Smith control algorithm in the boiler temperature control, boiler
temperature control can reach a stable level, and effective solution to the
delay effect generated by the system.
Systems designed using Matlab simulation, and obtained the
simulation results to be analyzed.
Keywords:
PID, Smith, boiler temperature, the simulation
2
前言
现代工业生产过程中，不少工业对象存在着纯滞后时间。
这种纯滞后
时间或者是由于物料或能量传输过程中所引起的。
或者是由于对象中多容
积所引起的，或者是高阶对象低阶近似后所形成的等效滞后。
在纯滞后过程中，由于过程控制通道中存在纯滞后，使得被控量不能
及时反映系统所承受的扰动。
因此这样的过程必然会产生较明显的超调量
和需要较长的调节时间，被公认为是较难控制的过程，其难控制程度将随
着纯滞后工占整个过程动态时间参数的比例增加而增加。
一般认为纯滞后
时间τ 占对象的时间常数 T 之比大于 0.3，则称该过程为大滞后过程。
此外，
大滞后会降低整个控制系统的稳定性。
从自动控制理论可知，对象纯滞后的存在对系统稳定性极为不利。
特
别是当τ /T≥0.5 时（τ 为纯滞后时间，T 为对象的时间常数），若采用常规
PID 控制，很难获得良好的控制质量。
对于纯滞后，普通的 PID 反馈控制
系统并不能取得很好的效果，这是因为其控制效果无法通过反馈回路及时
反馈，因而使得控制问题复杂化了。
在归一化纯滞后时间较大的情况下要
保持系统稳定性的唯一方法是缩小增益 KP ，然而这样作将会导致系统调节
周期 T 变大，系统响应变慢，从而降低了系统的调节性能。
大惯量物体的
一个明显特征是惯性滞后。
通常在研究数控设备时，忽略其时滞效应。
然
而，精密定位控制的大惯量物体，其时滞效应是不容忽视的本文采用预估
补偿方案，得出适合于数字伺服的控制算法，并与 PID 算法加以比较。
计
算机仿真结果表明，对大惯量带有时滞的系统，Smith 预估补偿控制方案能
得到优良的控制品质，是一种理想的控制方案。
Smith 预估控制的提出就较
好地解决了这个问题，它通过在回路中加入 Smith 预估器，从而可以在环
路中使用较大的增益而不使系统出现不稳定。
随着质量分析仪表在线控制
的推广应用，克服纯滞后已经成为提高过程控制自动化水平，改进控制质
量的一个迫切需要解决的问题。
Smith 预估控制已经成为克服纯滞后的主要
方法之一。
3
第 1 章 绪论
1.1 选题背景
在工业生产过程中，经常由于物料或能量的传输带来时间延迟的问题，即
被控对象具有不同程度的纯滞后，不能及时反映系统所受的扰动。
此外，测量
信号到达控制器，即使执行机构接受信号后立即动作，也需要经过一个滞后时
间才能影响到被控制量实现控制。
这种类型的过程必然会产生较大的超调和较
长的调节时间，使过渡过程变坏，系统的稳定性降低。
对于这种情况史密斯
（Smith）控制算法在锅炉温度控制中的应用，使得锅炉温度控制能够达到一个
稳定的水平。
史密斯（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，史密
斯（Smith）预估控制技术获得了广泛的运用。
传统的 PID 控制一般难以解决过程
控制上的大滞后问题，具有大滞后的过程控制属于较难的控制问题，一直以来
都是过程控制研究的热点，具有重要的实际意义。
1.2 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，但是结构与应用上各有特色，而且目前仍在继
4
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，
针对工业过程本省的非线性、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地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效益，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
何才能更好地纠正系统，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，成为工业过程控制最为常用
的控制方式。
温度控制系统在国内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，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进
国家相比，仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面总体技术水平处于20
世纪 80 年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器
为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控
制。
而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成
熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。
随着我国经济的发展及加入 WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相
关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、
技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业
得到迅速的发展。
1.3 本文研究内容
5
为了改善纯滞后对系统带来的不良影响,将预估法用于此类系统中, 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 D z （s）, 即 Smith
预估器,与被控对象相并联,使补偿后的被控对象的等效传递函数不包括纯滞后
项，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。
使闭环系统的指标达到最佳。
本文是以锅炉为模拟
对象，通过建立数学模型，在 MATLAB 环境下，对控制锅炉温度的 Smith 控
制算法进行仿真研究。
6
第 2 章 温度控制系统的建模
2.1 数学模型的介绍
数学模型是关于部分现实世界和为一种特殊目的而作的一个抽象的、简化
的结构。
具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及其它数学符
号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、框图等描述客观事物的特征及其
内在联系的数学结构表达式。
是近些年发展起来的新学科，数学理论与实际问题相结合的一门科学。
它
将现实问题归结为相应的数学问题，并在此基础上利用数学的概念、方法和理
论进行深入的分析和研究，从而从定性或定量的角度来刻画实际问题，并为解
决现实问题提供精确的数据或可靠的指导。
数学模型的历史可以追溯的人类开始使用数字的时代。
随着人类使用数字，就
不断地建立各种数学模型，以解决各种各样的实际问题。
对于广大的科学技术
工作者对大学生的综合素质测评，对教师的工作业绩的评定以及诸多访友、采
购等日常活动，都可以建立一个数学模型，确立一个最佳方案。
建立数学模型
是沟通摆在面前的实际问题与数学工具之间联系的一座必不可少的桥梁。
2.2 工程控制数学模型的建立方法
建立工程数学模型的基本方法有两个，即机理法和测试法。
1．机理法建模
用机理法建模就是根据生产过程中的实际发生的变化机理，写出各种有关
的平衡方程，如物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、想平衡方程，
以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程、物性参数
7
方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需要的数学模型。
2. 测试法建模
测试法一般只用于建立输入/输出模型。
它是根据工业过程的输入和输出的
实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
它的主要特点是把研究的工业过程
视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入
掌握其内部机理。
然而，这并不意味着可以对内部机理毫无所知。
过程的动态
特性只有当它处于变动状态下才会表现出来，在稳态下是表现不出来的。
因此
为了获得动态特性，必须使被研究的过程处于被激励的状态，如施加一个阶跃
扰动或脉冲扰动等。
为了有效地进行这种动态特性测试，仍然有必要对过程内
部的机理有明确的定性了解，如究竟有哪些主要因素在起作用，他们之间的因
果关系如何，等
等。
丰富的验前知识无疑会有助于成功地用测试法建立数学模型。
哪些内部机
理尚未被人们充分了解的过程，如复杂的生化过程，也是难以用测试法建立其
动态数学模型的。
2.3 数学模型的建立
本实验采用的是时域法。
根据常识我们可以假设锅炉的传递函数为一阶惯性加纯滞后环节
G（s） =
K
TS +1
e-τ s
（2-
1）
其中，K 为系统的增益，T 为系统的时间常数，τ 为系统的滞后时间常数。
实验之初我们给系统加一个阶跃信号，然后获取阶跃响应，根据得的数
据利用作图法计算出对象特性的函数 K、T、 τ 。
1.计算增益 K
设阶跃输入 u（t）的变化幅值为∆u（t），如输出 y（t）的起始值和稳态值分别 y（0）
和 y（∞），则增益 K 可根据下式计算，即
8
K =
y（∞） - y（0）
∆u（t）
（2-
2）
2.用作图确定 T 和 τ
在阶跃响应曲线的拐点 A 处作一切线，它与时间轴交于 B 点，与曲线的稳
态近线交于 A 点，这样就可以根据图确定参数 τ 和 T，他们的具体数值如图 2-1
y
y（∞）
B
P
0
A
τ T
t
图 2-1 阶跃响应曲线
2.4 数据分析及建立模块步骤
对“锅炉主系统”图 2-2 进行实验法建模
9
图 2-2 锅炉主系统
建立模块步骤：
在 matlab 软件中输入 ident 按回车键会出现图 2-3
图 2-3
点击图 2-3 中的标示部分，弹出一个对话框如图 2-4，并输入 A 侧后屏出
口温度
10
[530.0595;530.0750;530.1047;530.1203;530.0905;530.0905;530.1060;530.0905;530
358;530.1060;530.1060;530.1060;530.1060;530.1060;530.1512;530.1060;530.1060;
30.1016;530.1016;530.1512;530.1512;530.1214;530.1369;530.1667;530.1667;530.1
67;530.1822;530.1822;530.1822;530.2175;530.1976;530.1976;530.1678;530.1976;5
0.2131;530.2131;530.1988;530.2441;530.2142;530.2142;530.2297;530.2453;530.27
0;530.2750;530.2905;530.2607;530.3060;530.3060;530.2917;530.2917;530.3369;53
.3071;530.3524;530.3524;530.3381;530.3679;530.3834;530.3989;530.4144;530.414
;530.4000;530.4000;530.4652;530.4608;530.4310;530.4310;530.4608;530.4763;530.4
64;530.4619;530.4917;530.4961;530.5072;530.4774;530.4774;530.5227;530.5227;5
30.5084;530.5084;530.5382]
A 侧前屏出口温度
[445.6828;445.6519;445.6519;445.6364;445.6209;445.5899;445.5899;445.5590;445
590;445.5237;445.5126;445.4971;445.4661;445.4661;445.4352;445.4153;445.4042;
45.3887;445.3533;445.3533;445.3577;445.3423;445.3411;445.3256;445.2958;445.2
49;445.2792;445.2339;445.2184;445.2482;445.2327;445.1676;445.1521;445.1709;4
5.1411;445.1256;445.1101;445.0946;445.0791;445.0438;445.0482;445.0327;445.01
2;445.0017;445.0017;444.9862;444.9708;444.9354;444.9354;444.9243;444.9243;44
.9088;444.9386;444.9232;444.8934;444.8779;444.9077;444.9077;444.8624;444.842
;444.8470;444.8271;444.8271;444.8315;444.8315;444.8315;444.8160;444.7961;444.8
16;444.7961;444.7961;444.8160;444.8160;444.7961;444.7961;444.7961;444.8160;4
44.8160;444.8160;444.8160]
填写完成后点击 import，出现图 2-5 所示
11
图 2-4
图 2-5
点击 time plot 会显示图 2-6
12
图 2-6
13
图 2-7
点击图 2-7 中的标示部分选择传递函数模型，弹出对话框如图 2－8 所示，然
后点击图,2－8 中的标示部分，即可显示如
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