smith延时控制

机自1105班于佳鹏41140125于海军41140126孔阳41140127SMITH预估补偿控制定义：Smith预估控制是一种广泛应用的对纯滞后对象进行补偿的控制方法，是在系统的反馈回路中引入补偿装置，将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。其主要原理是预先估计出被控过程的动态模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对纯滞后过程中特性进行补偿，力图将被控延迟时间的被控量提前送入调节器，因而调节器能提前动作，这样就通过补偿装置消除了纯滞后特性在闭环中的影响。从而可明显地减小过程的超调量，缩短过渡过程时间，有效地改善控制品质，所以它是一种比较理想的大滞后系统控制方案。实际应用中，表现为给PID控制器并接一个补偿环节，该补偿环节称为Smith预估器。特点：预先估计出系统在给定信号下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而减少超调量并加速调节过程。Smith预估的前提是要获得很精确的数学模型才能起到很好的控制作用。一般当过程参数变化10%～15%时，Smith预估补偿就失去了其良好的控制效果。如果预估模型准确，该方法能后获得较好的控制效果，从而消除纯滞后对系统的不利影响，使系统品质与被控过程无纯滞后时相同。应用举例：史密斯预估控制策略在厚规格轧制中的应用厚度是板带钢最主要的质量指标之一，带钢纵向厚度不均是影响产品质量的一大障碍。因此，热连轧机的一项重要课题就是带钢厚度的自动控制（AutomaticGaugeControl），简称AGC。带钢热连轧过程的一个显著特点是“机械、电气、液压控制系统和轧件间的紧密联系，形成一个复杂的综合系统[2]”。由于实际轧制过程的复杂性、控制对象的非线性、时变性，单纯的AGC控制系统都不能取得较好的控制效果。针对原有压力AGC比例控制的不足，在实际应用中采用PI控制策略[1]，并将纯滞后系统的Smith预估控制算法应用到厚规格成品轧制中，大大改善了系统的动态响应特性。采用史密斯（Smith）预估补偿器与AGC的结合即Smith-AGC控制系统。应用此系统来解决带钢热连轧中对板厚度规格的补偿控制。预先估计被控系统过程的动态模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，从而可以明显地减小过程的超调量，缩短过渡过程时间，有效地改善控制品质。添加Simth环节的系统可以更好地控制厚规格轧制的出口厚度。SMITH预估控制器在大多数过程控制系统中，不同程度地存在着时间滞后的工艺过程。时间滞后是纯滞后与容量滞后的总称。纯滞后往往是由于物料能量需要经过一个传输过程而形成的，如皮带运输，辊缝传输，成分测量过程等。通常，过程的纯滞后时间与其动态常数T的比值3.0/T时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程了。在这种情况下，若采用常用的单回路的PID控制，尽管调节器参数进行了特殊的整定，仍然很难获得良好的控制质量。有时严重的超调，甚至使被控参数超过安全限度而引起停机事故，有时则因造成系统的不稳定而危及设备和人身的安全。冶金工业生产过程大多是含纯滞后,对于时滞过程,由于滞后的影响,使得被调量不能及时控制信号的动作,控制信号的作用只有在延迟τ以后才能反映到被调量；另一方面,当对象受到干扰而引起被调量改变时,控制作用不能立即对干扰产生抑制作用。这样,含有纯滞后环节的闭环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间。因此纯滞后对象也成为很难控制的问题。由于纯滞后过程是一类复杂的过程,所以它的控制问题一直是困扰着自动控制和计算机应用领域的一大难题。因此,对滞后工业过程方法和机理的研究一直受到专家学者普遍的重视。1958年,美国人Smith提出了著名的Smith预估器来控制含有纯滞后环节的对象,从理论上解决了纯滞后系统的控制问题,但是Smith预估器需要知道被控对象的精确的数学模型,且对模型的误差十分敏感,因而难于在工业生产中广泛应用。20世纪50年代,有史密斯（Smith）和雷斯威克(Reswick)先后提出了以补偿原理构成的系统方案。不过这种补偿原理与前馈补偿是不同的，它是按照过程的特性，设想出一种模型加到反馈系统中，以补偿过程的动态特性。换言之，就是从补偿后的等效对象模型中消除其纯滞后特性。因而控制质量可以得到很大的提高。Reswick提出的补偿控制方案，甚至当过程特性参数/T=1.2时，其控制效果仍能令人满意，但其基本原理与Smith预估控制补偿原理相似。本课题只讨论Smith预估补偿原理及其在工业应用中的方案。Smith预估补偿原理1958年由Smith率先提出了大滞后系统的预估补偿方案，其主要原理是预先估计出被控过程的动态模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对纯滞后过程中特性进行补偿，力图将被控延迟时间的被控量提前送入调节器，因而调节器能提前动作，这样就通过补偿装置消除了纯滞后特性在闭环中的影响。从而可明显地减小过程的超调量，缩短过渡过程时间，有效地改善控制品质，所以它是一种比较理想的大滞后系统控制方案。图1Smith预估补偿原理图图中Wc(s)—PID调节器；soesW0)(—广义被控对象的数学模型，Wo(s)为不包括纯滞后时间0的对象模型；Ws(s)—Smith预估补偿器。在未进行Smith预估补偿情况下，系统闭环传递函数为scscesWsWesWsWsRsCs00)()(1)()()()()(00故其闭环特征方程为0)()(100scesWsW由于在系统那个特征方程式中出现了纯时间滞后项se0,这就在系统中引入了易造成不稳定的相角滞后，因此增加了系统控制难度。引入Smith预估补偿器的目的，是使调节器Wc(s)所控制的等效对象中能消除纯滞后部分，即图1中应满足如下关系Wo(s)se0+Ws(s)=Wo(s)由此可得Smith预估补偿器的数学模型为Wo(s)=Wo(s)(1-se0)于是，图1所示之Smith补偿系统方框图可由图2表示。图2Smith补偿系统一般型框图图2经方框图通过等效变换，可转换为如图3所示的方框图。图3Smith等效预估补偿系统框图由图3显然可得等效Smith预估补偿器系统闭环传递函数为)()(1)()()()()(000sWsWesWsWsRsCscsc故闭环系统特征方程式为1+Wc(s)Wo(s)=0这就是Smith预估补偿的基本思路，即从系统特征方程式中消除纯滞后因素，因而可消除过程纯滞后特性对系统稳定性的不利影响。由拉普拉斯变换的位移定理可知：存在于外环的出滞后特性se0，仅将控制过程的输出量在时间坐标上推移一段时间0，此时过渡过程的所有质量指标及过程形状均与对象Wo(s)不存在纯滞后特性时完全相同，因而可极大地改善大滞后系统的控制品质。