史密斯预估控制系统设计.docx

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史密斯预估控制系统设计

扬州大学

水利与能源动力工程学院

课程设计报告

题目：

史密斯预估控制系统设计

课程：

计算机控制技术课程设计

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气1101

姓名：

学号：

第一部分

任

务

书

《计算机控制技术》课程设计任务书

一、课题名称

史密斯预估控制系统设计

二、课程设计目的

课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。

《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。

计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。

通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。

三、课程设计内容

设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。

1.硬件电路设计：

89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。

2.控制算法：

PID控制加史密斯预估控制。

3.软件设计：

主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、PID控制加史密斯预估控制程序、D/A输出程序等。

四、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.每个同学选择不同的被控对象：

4.对象的纯延迟环节

用软件通过数组单元移位实现。

5.定时中断间隔可在10-20ms中选取，采样周期T取采样中断间隔的整数倍，可取30-50ms。

6.PID控制器可用凑试法整定。

有关的设计资料可参考《计算机控制实验指导书》的相关内容。

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，

1

4

控制算法设计

1

5

软件编程，调试

1

6

实验

1

7

总结，撰写课程设计报告

1

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

目录

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

课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。

《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。

计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。

通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。

1.2课程设计内容

设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。

1.硬件电路设计：

89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。

2.控制算法：

PID控制加史密斯预估控制。

3.软件设计：

主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、PID控制加史密斯预估控制程序、D/A输出程序等。

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.每个同学选择不同的被控对象：

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Gp（S）（1-e-τs）,τ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-τs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τ，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e1（k）=r（k）-y（k）。

u（t）为输出的控制量，采样u（t）、yτ（t），计算e2（k）=e1（k）-yτ（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

图2A/D采样电路的实现

A/D采样电路如图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）。

3.3输入双极性的实现

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~FFH，2.5V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0V。

就是说，输入到外端口的电压Uout和进入转换的电压Uin的关系是Uin=（Uout+Vcc）/2,因此在IN7端口加上-5V~+4.96V的电压可以实现转换的功能，模拟量的输入允许范围为：

-5V~+4.96V，对应数字量00H~FFH，0V对应80H。

3.4D/A输出双极性的实现

图4D/A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V1,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OUT-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：

故有

，只要调试R32，使得R32+R33=2K，那么就有输出的电压

，综上，实现了D/A转换的双极性输出。

3.5A/D、D/A端口地址的转换

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SN74AC241DW输出/A20、/A23~/A27，再经过三个与门U10、U11、U12，然后通过一个三输入与非门输出ANDOUT，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

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

其硬件电路图如图6所示，左边的放大器上并联了R11=200K的电阻，C10=2uF的电容来实现时间常数T1=0.4s，输入电阻R10=50K，通过R11/R10=4，实现放大系数Kp1=4的要求，右边的放大器上并联了R13=500K和C11=1uF实现时间常数T2=0.5s，然后通过R13/R12=2实现放大系数Kp2=2的要求，从而实现总的放大系数K=Kp1*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

史密斯预估控制原理是：

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Gp（S）（1-e-τs）,τ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-τs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τ，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。

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=τ/T

式中，τ——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，yτ（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。

yτ（k）=m（k）-m（k-N）

被控对象为二阶环节和純滞后环节的串联：

预估器的传递函数为：

4.2.2计算公式推导

⑴采用零阶保持器离散化

对

进行离散化，得

从而有

，又

，交叉相乘再移项，得

即

，滞后时间常数τ=1.5s,采样周期选择T=50ms=0.05s，则

，所以

，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

进行离散化，得

又

，交叉相乘再移项，得

，即

，τ=1.5s,采样周期选择T=1=50ms=0.05s，则

，所以

，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

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8所示，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、D/A清零、变量清零等内容，以上操作完成后就等待进入中断。

5.1.2定时中断程序流程图及其功能

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A/D转换进而进入转换外部中断。

5.1.3外部中断程序流程图及其功能

图10外部中断程序流程图

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）、yτ（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_27=MK_26;

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;

MK_11=MK_10;

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_1;

MK_1=MK;

uk_2=uk_1;

uk_1=uk;

ek2_2=ek2_1;

ek2_1=ek2;

sys=uk;

6史密斯预估器的MATLAB仿真

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MATLAB中实现的，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

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σ%<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也没有什么感觉，后来我们经过对这个课题的深入了解，越来越感觉到这个课题的难度，好在我们组学霸比较多，经过我们的共同协作理解，本次课程设计圆满完成任务。

老师在课设的第一节课给我们布置任务时，我感觉我们的题目很简单。

可是进一步做分析后我们发现1、思路不明确，根本不知道从什么地方入手；2、基础知识不扎实，发现很多概念都模糊了。

当我们静下心来，认真理解题目并规划好做题步骤，就发现原来目标还是很明确的。

首先，我们把有关计算机控制这门课的基本知识重新复习了一遍，包括史密斯预估器，AD、DA转换，零阶保持器等相关内容。

然后我们经过多方查阅资料，将课程设计的大体步骤列出。

最后将每一步的工作都具体化，就这样我们一步步完成了课程设计。

本次课程设计共用了一周半的时间，在这一周半的时间里我们共同努力，不会的知识就去用图书馆查资料或者上网查资料，不断的探索，解决一个个疑点，在这个过程中，我们掌握了课题上一知半解没有掌握的东西，对史密斯预估器更加了解和理解了。

本次课程设计我除了把我的算法计算出来后，由于个人专业基础不够，没付出更多，在此感到十分歉意，当然在此十分感谢夏老师对我们组全程的指导。

通过这次计算机控制课程设计，我们不仅更加深刻地理解了Smith预估控制，而且将我们在计算机控制，matlab，protel与单片机课程上所学到的知识相结合，更进一步提高了我们综合运用知识的能力。

通过课程设计将所学到的专业知识联系在一起，我们明白了理论知识的重要性和应用范围的宽广，加深了对专业、对工程设计的理解。

更加重要的是我们认识到做事要有耐心，切忌浮躁。

本次课程设计最大的收获是我在课程设计中体会到了团队合作的重要性。

古语有云：

众人拾柴火焰高。

当思路卡壳时，大家一起讨论，很快便会有比较好的解决办法，在此也感谢我们组所有成员对我的帮助。

参考文献

[1]于海生等编著，微型计算机控制技术，北京：

清华大学出版社，2009.9

[2]张毅刚主编，单片机原理及应用，北京：

高等教育出版社，2010

[3]陈涛编著，单片机应用及C51程序设计，北京：

机械工业出版社，2008

[4]楼然苗,李光飞编著,单片机课程设计指导,北京:

北京航空航天大学出版社,2007

[5]夏扬，李敏艳，蒋步军编著，计算机控制技术实验指导书，扬州大学能源与动力工程学院

附录