什么事smith预估补偿方法

一种简单而有效的SMITH预估补偿控制新方法

新闻出处：张彦军 于飞 崔平远 发布时间： 2007年06月07日

摘 要：提出了一种改进型Smith预估补偿控制新方法。在被控对象的输入端施加一阶跃输入信号，根据其阶跃响应估计出被控对象的数学模型，再根据此估计模型在线地修正Smith预估补偿器，从而克服了传统的Smith预估补偿控制方法因模型误差而使控制品质变坏的缺点。

关键词：Smith预估补偿控制阶跃响应数学模型�

0引言

Smith预估补偿控制自发明以来，最初由于受硬件条件的限制，很少在实际中被应用，近几年来，由于计算机技术的发展，Smith预估补偿控制在实际中应用越来越多。但由于其控制算法本身存在着控制效果紧紧依赖模型精度的缺点，而实际中由于各种原因往往很难获得非常准确的数学模型，所以实际应用中其控制效果并非那么理想。模型误差，尤其是纯滞后时间的误差较大时有时会使控制系统不稳定〔1〕，因此近敬岩察几年来关于Smith预估补偿控制改进型控制方案的研究很盛行。结合现在流行的模型预测控制的基本思想，在被控对象的输入端加一阶跃输入信号，通过测量即可获得被控对象的非参数模型即阶跃响应曲线。再利用系统识别的方法即可获得较准确的被控对象的参数模型。根据所获得的被控对象的参数模型在线地修正Smith预估补偿器中的模型参数，使得Smith预估补偿器中的模型与实际被控对象的模型误差最小或为零，这样设计的改进型控制方案，无论从理论还是从实际来看，其控制效果都要优于传统的Smith预估补偿控制。�

1控制系统的构成

在传统的Smith预估补偿控制基础上，增加模型预测结构，即可构成如图1所示的新型控制系统。由于实际工业被控对象很多都可近似地用一阶惯性加纯滞后的特性来表示，因此在本文的控制方法中也采用一阶惯性加纯滞后的典型模型结构。�

2控制算法

2.1Smith预估补偿器设计

设被控对象的数学模型为：�

把有关算式代入(2)式，可得：�

经交叉相乘并进行反变换，可得：�

经交叉相乘并进行反变换，可得：�

式中Y(k)、Y′(k)分别为控制系统的输出测量值和计算值。

控制器Gc应为常规PID离散控制算法，此处不再赘述。�

2.2计算模型参数Kp、Tp、τ

根据预测控制的思想，在被控对象输入端施加一阶跃信号△U，在控制系统输出端可获得其阶跃响应。其阶跃响应如图2所示。��

� 被控对象阶跃响应采样数据为y1,y2,y3,…,yN。对于渐近稳定的系统，其阶跃响应在有限个采样周期后将趋于稳态值，即yN≈y(∞)。则根据数个采样周期后的稳态测量值yN，即可估算出被控对象的放大倍数Kp。�

当然，为获得较准亮茄确的稳态值yN，在采样周期选择合适(采样周期的选择方法与其它计算机控制方法相同)的情况下，要将每次获得的采样值与前几次采样值进行比较，当变化不大时即认为稳态值。

在计算Tp、τ时应将响应曲线y(k)修改成下述标么的阶跃响应曲线y*(t):�

为确定Tp、τ应选y*(t)的两个坐标值，以便联立方程。现选择t1及t2且满足t1＞t2＞τ，由此解得：�

3数字仿真

以某枣亏炼油厂加热炉为被控对象，其数学模型为：�

用(17)式的模型，利用传统的Smith预估补偿控制方法和本文提出新型Smith预估补偿控制方法分别进行数字仿真，获得了两种截然不同的控制效果。其控制系统输出曲线分别如图3、图4所示。相对于传统的Smith预估补偿控制方法，新型Smith预估补偿控制方法收敛快，跟踪准确。但传统的Smith预估补偿控制方法，当纯滞后误差较大时，其输出就变得不收敛。

4结束语

本文借鉴预测控制的思想，对传统的Smith预估补偿控制方法进行了改进，较好地解决了传统Smith预估补偿控制方法所存在的模型误差控制效果变坏的缺点，控制效果优于传统的Smith预估补偿控制方法，具有一定的使用价值。�

参考文献

1A M D Paor,M O Malley.Controllers of Ziegler-Nichols type for unstable process with time delay〔J〕.Int J Control,1989,49(4):1273～1284

2K K Tan,Q G Wang,T H Lee et al.New approach the analysis and design of Smith-predictor controller〔J〕.AICHE J,1996,42(6):1793～1797

3张国范.朱晓萍，包新华.一种分析和设计Smith预估器的新方法及其应用〔J〕.控制与决策，2001，16(3)：341～343

4王骥程，祝和云.化工过程控制工程〔M〕.北京：化学工业出版社，1996

史密斯预估补偿器原理是与d并联一个补偿环节，用来补偿对象中的纯滞后环节。根据查询相关资料得知，密斯预估补偿控制是克服纯滞后的一个有效的控制方法，其基本原理是与控制器d并联接一个补偿环数世节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分，这个补偿环节称为御枝预估器。史密斯预估补偿器其通过引入一个和镇毕敏被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除。

Smith补偿与大林算法的比较

摘要:研究了两类用于时滞系统控制的方法,即包括自整定PID控制Smith预估控制和Dahlin算法在内的经典控制方法和包括模糊控制,神经网络控制和模糊神经网络拉制在内的智能控制方法,经过比较后认为经帆烂睁典控制结构简单,可靠性及实用性强,而智能控制则具有自适应性和坚固性好,抗干扰能力强的优势,因而将这两种控制方法结合起来是控制时滞系统有效实用的方法,具有很好的应用前景.

1引言

在工业生产过程中,具有时滞特性的控制对象是非常普遍的,例如造纸生产过程,精馏塔提馏级温度控制过程,火箭发动机燃烧室中的燃烧过程等都是典型的时滞系统.为解决纯滞后时间对系统控制性能带来的不利影响,许多学者在理论和实氏

上做了大量的研究工作,提出了很多行之有效的方法.本文主要介绍其中两类研究得比较多的控制方法,即最早在时滞系统控制中应用的几种经典控制方法和近年来受到广泛关注的智能控制方法.

2经典控制

所谓经典控制方法是指针对时滞系统控制问题提出并应用得最早的控制策略,主要包括自整定PID控制,Smith预估控制,大林算法这几种方法.这些方法虽然理论上比较简单,但在实际应用中却能收到很好的控制效果,因而在工业生产实践中获得了广泛的应用.

2.1自整定PID控制

PID控制器由于具有算法简单,鲁棒性好和可靠性高等特点,因而在实际控制系统设计中得到了广泛的运用,据统计PID控制是在工业过程控制中应用最为广泛的一种控制算法.PID控制的难点在于如何对控制参数进行整定,以求得到最佳控制

效果.较早用来整定PID控制器参数的方法有:Ziegler-Nichols动态特性法,Cohen-Coon响应曲线法,基于积分平方准则ISE的整定法等.但是这些方法只能在对象模型精确己知的情况下,

Cui,Kunfln Zhang,Yifei实现PID参数的离线整定,当被控对象特性发生变化时,就必须重新对系统进行模型辨识.为了能在对象特性发生变化时,自动对控制器参数进行在线调整,以适应新的工况,PID参数的自整定技术就应运而生了.目前用于自整定的方法比较多,如继电型自整定技术,基于过程特征参数的自整定技术,基于给定相位裕度和幅值裕度的SPAM法自整定技术,基于递推参数估计的自整定技术以及智能自整定技术等.总体来看这类自整定PID控制器对于(T为系统的惯性时间常数)的纯滞后对象控制是有效的,但对于大纯滞后对象,当时,按照上述方法整定的PID控制器则难以稳定.

2.2 Smith预估控制

Smith于1957年提出的预估控制算法,通过引入一个与被控对象相并联的纯滞后环节,使补偿后的被控对象的等效传递函数不包括纯滞后项,这样就可以用常规的控制方法(如PID或PI控制)对时滞系统进行控制.Smith预估控制方法虽然从理论

上解决了时滞系统的控制问题,但在实际应用中却还存在很大缺陷.Palmor提出Smith预估器存在这样两点不足:1.它要求有一个精确的过程模型,当模型发生变化时,控制质量将显著恶化2.Smith预估器对实际对象的参数变化十分敏感,当参数变化较大时,闭环系统也会变态岁得不稳定,甚至完全失效.Watanabe进一步指出Smith预估器的两个主要缺陷:1.系统对扰动的响应很差2.若控制对象中包含的极点时,即使控制器中含有积分器,系统对扰动的稳态误差也不为零.另外Smith预估器还存在参数整定上的困难,这些缺陷严重制约了Smith预估器在实际系统中的应用.针对Smith预估器存在的不足,一些改进结构的Smith预估器就应运而生了.Hang C C等针对常规预估控制方案中要求受控对象的模型精确这一局限,在常规方案基础上,外加调节器组成副回路对系统进行动态修正,该方法的稳定性和

鲁棒性比原来的Smith预估系统要好,它对对象的模型精度要求明显地降低了.Watanabe提出的改进结构的Smith预估器采用了一个抑制扰动的动态历顷补偿器M(s),通过配置M(s)的极点,能够获得较满意的扰动响应及对扰动稳态误差为零.对于Smith预估器的参数整定问题,张卫东等人提出了一种解析设计方法,并证明该控制器可以通过常规的PID控制器来实现,从而能根据给定的性能要求(超调或调节时间)来设计控制器参数.

2.3大林算法

大林算法是由美国IBM公司的Dahlin于1968年针对工业过程控制中的纯滞后特性而提出的一种控制算法.该算法的目标是设计一个合适的数字调节器D(z),使整个系统的闭环传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节,而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间.大林算法方法比较简单,只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器D(z),就能够有效地克服纯滞后的不利影响,因而在工业生产中得到了广泛应用.但它的缺点是设计中存在振铃现象,且与Smith算法一样,需要一个准确的过程数字模型,当模型误差较大时,控制质量将大大恶化,甚至系统会变得不稳定.实际上已有文献证明,只要在Smith预估器中按给定公式设计调节器D伺,则Smith预估器与Dahlin算法是等价的,Dahlin算法可以看作是Smith预估器的一种特殊情况.

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