史密斯预估控制系统设计Word格式文档下载.docx
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对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现。
G（s）e-°
（0.4s十1）（0.5s+1）
G（s）8e~2s
（0.8s+1）（0.2s+1）
2s
G（s）e2s
模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。
4.
五、课程设计实验结果
1.控制系统能正确运行。
2.正确整定PID参数后，系统阶跃响应的超调<
15%
六、进度安排
序号
内容
天数
1
布置任务，熟悉课题要求
0.5
2
总体方案确定，硬件电路设计
1.5
3
熟悉实验箱及C语言开发环境，研读范例程序，
4
控制算法设计
软件编程，调试
6
实验
7
总结，撰写课程设计报告
七、课程设计报告内容：
总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：
1•课程设计的目和设计的任务。
2•课程设计的要求。
3•控制系统总框图及系统工作原理。
4•控制系统的硬件电路连接图（含被控对象），电路的原理。
5•软件设计流程图及其说明。
6•电路设计，软件编程、调试中遇到的问题及分析解决方法。
7•实验结果及其分析。
8体会。
第二部分
课
程
设
计
报
告
1课题简介1
1.1课题的目的，任务，要求1
1.2课程设计内容1
1.3课程设计要求1
2史密斯预估控制系统方案设计2
2.1史密斯预估控制器的介绍2
2.2控制系统框图及闭环工作原理2
3史密斯预估控制系统硬件电路设计3
3.1总体硬件电路图3
3.2A/D采样电路3
3.3输入双极性的实现3
3.4D/A输出双极性的实现4
3.5A/D、D/A端口地址的转换5
3.6给定被控对象的电路实现5
4史密斯预估控制系统控制算法设计6
4.1史密斯预估控制的基本原理6
4.2史密斯预估控制的算法实现6
4.2.1史密斯预估器6
4.2.2计算公式推导7
5史密斯预估控制软件编程设计8
5.1各程序流程图及其主要功能8
5.1.1主程序流程图及其功能8
5.1.2定时中断程序流程图及其功能9
5.1.3外部中断程序流程图及其功能9
5.2重要程序的实现10
5.2.1function程序10
6史密斯预估器的MATLAB仿真11
6.1史密斯预估器的simulink仿真方框图11
6.2PID参数设置11
7实验与结果分析12
7.1上机调试结果12
7.1.1采用零阶保持器离散化时的输出波形12
8小结与体会13
参考文献14
附录15
1课题简介
1.1课题的目的，任务，要求
1.2课程设计内容
1.3课程设计要求
1.模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V）。
2.模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。
3.
G（s）=
（s1）（0.2s1）
-1.5s
4.对象的纯延迟环节用软件通过数组单元移位实现。
5.定时中断间隔选取10ms，采样周期T取50ms，为采样中断间隔的整数倍。
6.PID控制器可用凑试法整定。
2史密斯预估控制系统方案设计
2.1史密斯预估控制器的介绍
在工业过程（如热工、化工）控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对象具有純滞后性质。
对象的这种純滞后性质常引起系统产生超调或振荡，史密斯提出了一种純滞后的补偿模型，利用微型计算机可以方便地实现純滞后补偿。
史密斯预估控制原理是：
与调节器并联一补偿环节，用来补偿被控对象中的純滞后部分，这个补偿环节称为预估器，其传递函数为G（S）（1-e-Ts）,t为純滞后时间，由史密斯预估器和调节器组成的补偿回路称为純滞
后补偿器，经补偿后的系统闭环传递函数为
这一形式说明，经补偿后，消除了純滞后部分对控制系统的影响，因为式中的e-Ts在闭环控制回路之外,
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A/D采样电路如图
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图2A/D采样电路的实现
2所示，IN6和IN7两路采样，IN6采样给定值r（k）,IN7采样输出y（k）。
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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T,控制系统
的过渡过程及其他性能指标都与对象特性为Gp（S）时完全相同。
2.2控制系统框图及闭环工作原理
图1带史密斯预估器的控制系统
带史密斯预估器的双通道采样闭环控制系统框图如图1所示，在该系统中，对给定值r（t）进行A/D转换
采样，得到离散化的r（k），并且对输出值y（t）也进行A/D转换，得到y（k），然后计算e*k）=r（k）-y（k）。
u（t）为输出的控制量，采样u（t）、yt（t），计算e2（k）=ei（k）-yt（k）,D（s）为计算机控制系统的脉冲传递函数，通过与调节器并联的补偿环节来补偿被控对象中的純滞后部分，再对包含零阶保持器的被控量进行控制进而达到要求的控制目的。
3史密斯预估控制系统硬件电路设计
3.1总体硬件电路图
总体硬件电路图见附录。
3.2A/D采样电路
3.3输入双极性的实现
IN-6
IN-7
为0V时，进入A/D转换的电压为2.5V;
当输入IN7的电压为-5V时，进入转换的电压为到外端口的电压Uout和进入转换的电压Uin的关系旦
的电压可以实现转换的功能，模拟量的输入允许范围为：
3.4D/A输出双极性的实现
IN7端口加上-5V~+4.96V00H~FFH0V对应80H。
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30
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CS
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DB6
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DE5
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OUT-B
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DBS
DEI
bbDBO彳
OUT-A
RfbA
■GND
VCC
图4D/A
113
TLC7328
20OUT-B
13RfbB
Z11K
R32
R3?
图3输入双极性实现电路
由图3可知，输入通道IN6和IN7加了阻值为10K的电阻。
IN1~IN5的模拟量输入允许范围：
0V~4.98V，对应数字量范围00H~FFH2.5V对应80H。
而IN6和IN7两路由于接上了上拉电阻，所以当输入IN7的电压
0V。
就是说，输入
是Uin=（Uout+Vcc）/2,因此在-5V~+4.96V，对应数字量
输出双极性实现电路
图4为双极性的输出电路，该电路通过放大器和电阻、变阻器等实现输出的双极性。
本次课程设计只用
了一路输出，即OUT-A以此为例可知，R31左端的电压为转换输出的单极性电压Vi,该电压的大小为，这就是原本单极性输出的正常电压。
但是加上上图所示的电路之后，设输出电压为0UT-1,因为右边的放大器3号端接地，所以2号端也虚地，即电压为0V。
又因为放大器2号端向右可以认为是断路，电流为0,所以，有：
CLK
/oc
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那么就有输出的电压，综上，实现了
3.5A/D、D/A端口地址的转换
D/A转换的双极性输出。
GHT-l|—GND
SK74ACWWVCCVCC
图5A/D、D/A端口地址的转换电路
图5所示为A/D、D/A端口地址的转换电路。
由图可知，8051的P2口作为高八位地址，P0口作为低八
位地址，P2口分别命名为A20~A27,其中A20、A23~A27经过反相器SN74AC241DWt出/A20、/A23~/A27，再经过三个与门U10U11、U12,然后通过一个三输入与非门输出ANDOU,T接入2-4译码器74LS139的/OE端，选中译码器，由此高八位地址为06H,P0口分别命名为D0~D7经过锁存器SN74LS373输出Q7、Q8,当D6=0,
D7=0时，Q7=Q8=0此时译码器/Y0有输出，即/IOY0有效，低八位地址为00H,则总地址为0x0600H,为A/D
的端口地址；
当D6=1，D7=0时，Q7=1,Q8=0,此时译码器/Y1有输出，即/IOY1有效，低八位地址为40H,
则总地址为0x0640H,为D/A的端口地址。
综上，实现了A/D和D/A的端口地址的转换。
3.6给定被控对象的电路实现
2uF
RU.—
200K
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-
out-1^12.
50K
GND-||-
RI2
—T—1
250K
GND<
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十
luF
50DK
rh-
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+
TL0S4
图6给定被控对象的电路实现
课程设计任务书中有8个被控对象，我们每人取其中一个被控对象。
被控对象为
e
其硬件电路图如图6所示，左边的放大器上并联了Rii=200K的电阻，Cio=2uF的电容来实现时间常数Ti=0.4s,输入电阻Rio=5OK，通过Rii/Rio=4，实现放大系数Kpi=4的要求，右边的放大器上并联了Ri3=500K和Cii=1uF实现时间常数T2=0.5s,然后通过Ri3/Ri2=2实现放大系数Kp2=2的要求，从而实现总的放大系数K=Kpi*Kp2=8。
4史密斯预估控制系统控制算法设计
4.1史密斯预估控制的基本原理
与调节器D（S）并联一补偿环节，用来补偿被控对象中的純滞后部分，这个补偿环节称为预估器，其传递函数为G（S）（1-e-Ts）,t为純滞后时间，由史密斯预估器和调节器组成的补偿回路称为純滞后补偿器，经补偿后的系统闭环传递函数为
这一形式说明，经补偿后，消除了純滞后部分对控制系统的影响，因为式中的e-Ts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T,控制系统
4.2史密斯预估控制的算法实现
对于具体的被控对象，如，要实现对它的计算机控制算法的设计需要经过一系列的计算。
4.2.1史密斯预估器
滞后环节使信号延迟，为此，在内存中专门设定N个单元作为存放信号m（k）的历史数据，存储单元的个
数N由下式决定：
N=t/T
式中，T――純滞后时间；
T――采样周期。
每采样一次，把m（k）记入0单元，同时把0单元原来存放数据移到1单元，1单元原来存放数据移到2
u（k）
Gp（S）
m（k）
e-t
m（k-N）
单元……依此类推。
从单元N输出的信号，就是滞后N个采样周期的m（k-N）信号
图7史密斯预估器方框图
史密斯预估器的输出可按图7的顺序计算。
图中，u（k）是PID数字控制器的输出，*（k）是史密斯预估器
的输出。
从图中可知，必须先计算传递函数Gp（s）的输出m（k）后，才能计算预估器的输出。
屮（k）=m（k）-m（k-N）
被控对象为二阶环节和純滞后环节的串联：
GC（s）=Gp（s）e」-e」.5s
预估器的传递函数为:
4.2.2计算公式推导
对GP（s）=
（1-e
45s）进行离散化，得
⑴采用零阶保持器离散化
①25],从而有
M（z）=1.73M（z）z‘-0.7408M（z）z，0.0285U（z）z‘0.025-U（z）z=即
m（k）=1.73m（k-1）-0.7408m（k-2）0.0285u（k-1）0.0255u（k-2），滞后时间常数t=1.5s,采样周期
选择T=50ms=0.05s，则，所以y（k）二m（k）-m（k-N）二m（k）-m（k-30），以上就是预估控制所要的控
制式。
⑵采用双线性变换法离散化
对GP（s"
（s1）（0.2s厂严进行离散化，得
55[0.01340.0271Z」0.0027z^
Gp（z）=GP（s）s2z±
=[]=[]=12,
s〒z1（s1）（0.2s1）s2ZJ（s1）（0.2s■1）s2zj1_1.729z」0.7398z*
rz卑-0.05
又，交叉相乘再移项，得
M（z）=1.729M（z）z1-0.7398M（z）z，0.0134U（z）0.0271U（z）zJ0.0027U（z）z^，即
m（k）=1.729m（k-1）-0.7398m（k-2）0.0134u（k）0.0271u（k-1）0.0027u（k-2）,t=1.5s,采样周
期选择T=1=50ms=0.05s，则，所以y（k）=m（k）-m（k-N）=m（k）-m（k-30），以上就是预估控制所要的控制式。
采样周期选择T=50ms,定时中断选择为10ms,就是说5个定时中断后进行采样。
5史密斯预估控制软件编程设计
5.1各程序流程图及其主要功能
5.1.1主程序流程图及其功能
8所
D/A
图8主程序流程图
图8所示为主程序流程图，由此可见，主程序主要实现系统初始化和变量初始化的操作，具体如图示，包括设定定时器工作状态、定时器装入初值、设定外中断类型、开外中断和定时中断、启动定时器、清零、变量清零等内容，以上操作完成后就等待进入中断。
图9定时器中断程序流程图
由图9可知，定时中断程序实现的功能有两个，一是重新装入定时初值；
二是启动换外部中断。
A/D转换进而进入转
5.1.2定时中断程序流程图及其功能
5.1.3外部中断程序流程图及其功能
外部中断服务程序实现了采样和计算输出控制量的功能。
首先检查同步信号是否到，如果同步信号已到,
就把变量清零、D/A输出清零、采样周期变量赋初值并给滞后环节数组清零；
如果同步信号未到，就检查是
否到了采样周期。
如果到了采样周期，就进入下一步的采样和计算，即依次采样IN7、IN6，计算偏差，根据
史密斯预估控制推导的公式计算m（k）、y（k）及控制输出u（k）,然后检查控制量是否溢出，若溢出则取相应
的最值。
然后输出控制量，最后进行控制量和偏差的递推和采样周期恢复，并返回。
5.2重要程序的实现
5.2.1function程序
functionsys=mdlOutputs（t,x,u,Kp1,KI,Kd）
globalukMKMK_1MK_2MK_3MK_4MK_5MK_6MK_7MK_8MK_9MK_10MK_11MK_12MK_13MK_14MK_15MK_16MK_17MK_18MK_19MK_20MK_21MK_22MK_23MK_24MK_25MK_26MK_27MK_28MK_29MK_30uk_1uk_2ek1ek2ek2_1ek2_2
ek1=1.13*u
（1）-u
（2）;
MK=1.73*MK_1-0.7408*MK_2+0.0285*uk_1+0.0255*uk_2;
DELAY=MK_30;
YK=MK-DELAY;
ek2=ek1-YK;
uk=Kp1*ek2-Kp1*ek2_1+KI*ek2+Kd*ek2-2*Kd*ek2_1+Kd*ek2_2;
MK_30=MK_29;
MK_29=MK_28;
MK_28=MK_27;
MK_10=MK_9
MK_9=MK_8;
MK_8=MK_7;
MK_7=MK_6;
MK_6=MK_5;
MK_5=MK_4;
MK_4=MK_3;
MK_3=MK_2
MK_2=MK_1MK_1=MK;
uk_2=uk_1;
uk_1=uk;
ek2_2=ek2_1ek2_1=ek2;
sys=uk;
MK_27=MK_26;
MK_11=MK_10;
MK_26=MK_25;
MK_25=MK_24;
MK_24=MK_23;
MK_23=MK_22;
MK_22=MK_21;
MK_21=MK_20;
MK_20=MK_19;
MK_19=MK_18;
MK_18=MK_17;
MK_17=MK_16;
MK_16=MK_15;
MK_15=MK_14;
MK_14=MK_13;
MK_13=MK_12;
MK_12=MK_11;
6史密斯预估器的MATLAB仿真
MATLAB^
本次课程设计使用的仿真软件是MATLAB所有的元器件的搭建和软件的仿真与调试都是在
现的，下面将介绍史密斯预估器的仿真过程。
6.1史密斯预估器的simulink仿真方框图
图11史密斯预估器的simulink仿真方框图
6.2PID参数设置
PID参数采用凑试法整定，最终的整定结果如下图所示
图12PID参数设置
7实验与结果分析
7.1上机调试结果
以下为针对以上介绍的例子，在成功时的输出波形图。
7.1.1采用零阶保持器离散化时的输出波形
Q?
06
05
图13采用零阶保持器离散化时的输出波形
由图13可以看出，经调试后，对被控对象的控制输出超调为，满足d%<
15%的要求，且上升时间、调
节时间等较短，静差几乎为零，性能指标较好。
8小结与体会
经过一周半的时间，本次课程设计终于结束了，本次课程设计我们的题目是史密斯预估控制系统设计，刚开始的时候我们对这个课题是毫无头绪，完全不知道是什么意思，当然之前对史密斯预估有所耳闻，因为之前学过，不过学的不精，就跟天书一样，夏老师说我们这组实力比较强，这个课题也是最难的，这样安排比较合理，开始我们什么也不知道所以
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