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教学单元4 Smith预估控制 东北大学·刘建昌 liujianchang@ise.neu.edu.cn 教学模块4数字控制器的模拟化设计方法 纯滞后问题的提出 Smith预估控制设计原理 Smith预估控制算法的工程化改进 教学单元4 Smith预估控制 4.1 纯滞后问题的提出 hr—出口厚度基准值; h —出口厚度实际值; —出口厚差; —辊缝调节量。 实例:轧制过程的纯滞后现象 测厚仪式带钢厚度控制系统原理图 压下执行机构 控制器 hr + - h 射线式 测厚仪 轧机 带钢 带钢运行时间 ——纯滞后时间 测厚仪式厚度自动控制系统的不稳定现象: hr 轧机 板带钢 测厚仪 A B C D E F ——纯滞后时间 ——对象的主导时间常数 ——具有大滞后或大迟延的工艺过程 ——采用常规的PID控制会使系统稳定性变差,甚至产生振荡 4.1 纯滞后问题的提出 系统的闭环传递函数为: 纯滞后对系统稳定性影响的理论分析 4.1 纯滞后问题的提出 有纯滞后环节的常规反馈控制系统 + - y(t) u(t) r(t) yp(t) D(s) 系统特征方程为: 因此,系统纯滞后大时,系统性能变差,甚至不稳定。 时滞环节的相频特性为: 0 4.1 纯滞后问题的提出 4.2 Smith预估控制设计原理 Smith预估控制——美国学者O.J.M.Smith于1957年创立,建立在模型基础上的一种控制策略。 有纯滞后环节的常规反馈控制系统 + - y(t) u(t) r(t) yp(t) D(s) 反馈回路的期望配置 + - y(t) u(t) r(t) yp(t) D(s) (1)Smith预估器的设计思想 初步的Smith预估控制方案 + - y(t) u(t) r(t) yp(t) D(s) ym1(t) ym(t) 对象 预估模型 完整的Smith预估控制方案 + - y(t) u(t) r(t) yp(t) D(s) ym1(t) ym(t) + - em(t) + - (1)Smith预估器的设计思想 Smith预估器的传递函数为: 系统闭环传递函数为: (2) Smith 预估控制系统的稳定性分析 等效的Smith预估控制方案 y(t) + - u(t) r(t) yp(t) D(s) ym1(t) ym(t) + - Smith预估器 + - 系统特征方程为: 若 则系统特征方程变为: 特征方程中纯滞后环节消失, Smith预估控制有效地解决了纯滞后系统的稳定性问题 (2) Smith 预估控制系统的稳定性分析 (3) 数字Smith预估控制系统的设计 由计算机实现的Smith预估控制系统 y(t) + - u(k) r(k) D(z) ym1(t) ym(t) + - Smith预估器 + - e(k) 零阶保持器 T T 具体设计步骤如下: (1)计算反馈回路偏差 PID y(k) (3) 数字Smith预估控制系统的设计 (2)计算Smith预估器的输出 设被控对象为具有较大纯滞后的一阶惯性环节 Smith预估器传递函数为 对象预估模型 (3) 数字Smith预估控制系统的设计 Smith预估器传递函数 Smith预估器的差分方程 Smith预估器的微分方程 拉氏反变换 反向差分代替微分 a b ? ——Smith预估器的数字算法 (3) 数字Smith预估控制系统的设计 y(t) + - u(k) r(k) D(s) ym1(t) ym(t) + - Smith预估器 + - e(k) 零阶保持器 T T ? (3)计算PID的输入偏差 (4)计算数字PID的输出 PID (4) Smith预估控制存在的问题 完整的Smith预估控制方案 + - y(t) u(t) r(t) yp(t) D(s) ym1(t) ym(t) + - em(t) + - 系统闭环传递函数为 对模型误差十分敏感 扰动对系统造成影响依然存在 4.3 Smith预估控制算法的工程化改进 Y(s) + - R(s) + - + - D(s) + - N1(s) N2(s) 新增 环节 (1)Smith预估器的完全抗干扰改进 Smith预估控制存在的问题 假设建立的对象模型是准确的: U(s) 对于干扰信号 ,求扰动传递函数 (1)Smith预估器的完全抗干扰改进 Y(s) + - R(s)=0 + - + - D(s) + - N1(s) 新增 环节 假设建立的对象模型是准确的: U(s) 为了使系统能完全抗干扰,使得 即 对于干扰信号 ,扰动闭环
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