Smith预估器控制设计.doc

西安科技大学 微型计算机控制技术 实验报告 题 目： Smith预估器控制设计 学 院： 计算机科学与技术学院 专业班级： 计科1004班 姓 名： 马晓媛 学 号： 1008030429 2013年 12月 12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预估控制）的设计及其实现。 二．实验内容 被控对象为，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 其中D(s)为调节器传递函数，为对象传递函数，其中G0(s)e-0.1s包含纯滞后特性,纯滞后时间常数τ=0.1。 系统的特征方程为： 由于闭环特征方程中含有项，产生纯滞后现象，有超调或震荡，使系统的稳定性降低，甚至使系统不稳定。 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项。 Smith纯滞后补偿的计算机控制系统为: 上图所示为零阶保持器，传递函数： 并且有：（为大于1的整数，T为采样周期）。 2.采样周期T的选择 采样周期在计算机控制中是一个重要的参数。从信号保真度看，采样周期不宜太长，即采样频率不应该过低。Shannon采样定理给出了下限角频率ωs ≧2ωmax，ωmax为原信号的最高频率；采样周期应尽可能的短，以使采样后的离散信号可以近似于连续信号，数字控制具有接近于连续控制系统的质量。但采样频率过高，将使得数据存数容量加大，计算工作量加大，并且采样频率高到一定程度，对系统性能的改善效果并不显著。所以，我们要找到一个最佳的采样周期。 纯滞后较大不可忽略时，可选择T在附近，当纯滞后占主导地位时，可选择T约为τ，再加上参考课本上表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算公式，预选了=2，3，5，10。但是在matlab仿真时，=2,3系统发散，所以 还剩下=5，10。考虑到采样频率过高，将使得数据存储容量加大，计算工作量加大，所以选择=5。则由公式τ=T得：。 3.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。扩充响应曲线法是用于有纯滞后的一阶对象，因此依据课本中表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算公式，而且前面已确定采样周期T与纯滞后时间常数τ的比值=5，因此选定的PID参数为： ，，为PI控制规律。 其中为被控对象时间常数，即=1，τ=0.1，=10 所以有： =7.3 =0.36 则控制器传递函数： 将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到： 4.Smith补偿器Dτ(z)的确定 令； 则 差分方程为： 由此可得到： 可以看出，Smith补偿器的差分方程有项，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。 5.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，=0.36，取反馈系数为1，使用Smith预估补偿器的仿真结构和输出曲线分别入图所示： 系统框图为： 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是一种逐次比较式的8路模拟输入，8路数字输出的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) 单片机的ALE经过二分频后与ADC0809的时钟端相连。 (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 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1s c)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DA