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计算机控制系统课件8.1

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计算机控制系统(清华大学出版社)课件_嵌入式PLC

计算机控制系统(清华大学出版社)课件_嵌入式PLC
10
8.1.2 软硬件协同设计技术
1．硬件体系结构
图8-2 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件
11
2． 传统设计技术

设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。
问题： (1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。 (2) 随着设计复杂程度的提高， 软硬件设计中的一些错误将会使开 发过程付出昂贵的代价。 (3)“硬件先行”的做法常常需要 由软件来补偿由于硬件选择的不适 合造成系统的缺陷，从而增加软件 的代价。
(2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU)

基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、 PowerPC系列等。 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度
16


3-2
pSOS

pSOS原属ISI公司的产品，但ISI已经被 WinRiver公司兼并，现在pSOS属于 WindRiver公司的产品。 该系统是一个模块化、高性能的实时操作系 统。 开发者可以利用它来实现从简单的单个独立 设备到复杂的、网络化的多处理器系统功能。
17


3-2
Palm OS

多数实时内核是基于优先级调度的多种方法 的复合。
22
⑸ 其他重要概念

互斥（Mutex）机制 信号量（Semaphore）机制 代码临界区（Critical Section）临界资源

8-1 第八章 线性离散系统的分析与校正 自动控制原理课件

8-1 第八章 线性离散系统的分析与校正 自动控制原理课件

n0
1eT s e2T s 11eTseTesTs1
例2 e(t) eat，求 E * (s)
解 E*(s) eanTenTs e(sa)nT
n0
n0
1
eTs
1e(sa)T eTseaT
(3)傅氏变换 — T(t)是周期函数，可展开为傅氏级数
T(t) cnejnstdt n s 2 T
E*(s)1
① 给出E*(s)与e(t)在采样点上取值之间的关系；
② 一般可写成封闭形式；
③ 用于求e*(t)的z变换或系统的时间响应。
E*(s)1
Tn
E(sjns)
① 给出E*(s)与E(s)之间的联系；
② 一般写不成封闭形式；
③ 用于e*(t)的频谱分析。
§8.2
信号采样与保持（6）
连续信号e(t)与离散信号e*(t) 的频谱分析
8. 卷积定理
设： c*(t)e*(t)*g *(t) e(k)T g [n ( k )T ] k 0
则： C (z)E (z)G (z)
(证明见教材)
§8.3.4 Z 反变换
幂级数法（长除法）
查表法（部分分式展开法）以 E ( z ) 的形式展开
留数法（反演积分法）
z
e ( n ) T R E ( z ) e z n 1 s
第八章 线性离散系统的分析与校正
§8.1 §8.2 §8.3 §8.4 §8.5 §8.6 §8.7
离散系统 信号采样与保持 z变换理论 离散系统的数学模型 离散系统的稳定性与稳态误差 离散系统的动态性能分析 离散系统的数字校正
计算机控制系统
analog
计算机控制系统 digital
§8.1

08第八章 计算机集散控制系统

08第八章 计算机集散控制系统

但是集中型计算机控制存在三个主要问题：
①.集中的脆弱性:集中控制使危险也集中， 一旦计算机系统发生故障，将导致生产过程 的全面瘫痪； ②.计算机的负荷：由于计算机控制回路多， 计算机的负荷过重，导致控制性能降低； ③ .系统开发周期和人才利用：由于计算机 控制的应用面越来越广，计算机控制系统的 规模和复杂性越来越大，造成开发周期增加， 人力资源难以组织。
进入20世纪70年代后，随着大规模集成电路 的问世，微处理器诞生，以及控制技术﹑显示 技术﹑计算机技术﹑通信技术等进一步发展， 产生了新型的计算机控制系统——集散控制系 统，它按控制功能或按区域分散配置若干个控 制站，每个控制站可控制几个﹑十几个或几十 个回路，从而实现了控制功能分散，使得危险 也得以分散。系统中使用多台屏幕显示器进行 监视﹑操作和管理，系统中各控制站通过完全 双重化的数据通信系统连接起来。
这一阶段的代表产品有美国Honeywell公 司的TDC2000，它是一个具有许多微处理器的 分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散 的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基 于CRT的操作站相连接，互相协调，实现对工 业过程的控制和监视，达到掌握全局的目的。 系统克服了集中型计算机控制系统的致命弱点， 实现了控制系统的功能分散﹑负荷分散，从而 危险也分散。这个阶段比较著名的产品还有 Bailey公司的NetWork90，Foxboro公司的 Spectrum，日本横河的CENTUM 等。
1975年，美国 Honeywell公司首次向世界 范围推出TDC2000系统，随之世界各大仪表制 造公司也推出各自的集散控制系统，从而使过 程控制进入集散控制系统时期。集散控制系统 的发展大体可分为三个阶段，每个阶段的技术 重点表现如下：
第一阶段：1975～1980年， 以微处理器 为基础的过程控制单元，实现多种控制功能算 法，并实现分散控制：采用带显示器的操作站， 与过程控制单元分离，实现集中监视﹑集中操 作﹑信息综合管理；采用较先进的冗余通信系 统﹑用同轴电缆做传输媒质，实现控制单元与 操作站的通信。

计算机控制技术

计算机控制技术

§8.2微机控制系统的设计与实现过程
二、确定控制算法 对任何一个具体控制系统进行分析、综合和设计， 首先是建立该系统的数学模型。 数学模型是系统动态特性的表达式，它反映了系 统输入、内部状态和输出之间的逻辑和数量关系。其 为计算机进行处理提供了依据，即由数学模型推出控 制算法。 计算机控制就是计算机按照规定的算法进行控制。 控制算法正确与否直接影响系统的控制品质，甚至影 响整个系统的成败。
§8.1微机控制系统的工程设计方法
二、微机控制系统的设计步骤 2.设计阶段： 主要包括：组建项目研制组、系统总体方案的设 计、方案论证与评审、硬件和软件的细化设计、硬件 和软件的调试、系统的组装。 3.仿真调试阶段： 在实验室环境下，模拟现场条件进行调试。
4.现场运行完善阶段：
将系统与生产过程连接，进行现场调试运行及验收。
§8.1微机控制系统的工程设计方法
一、微机控制系统的设计原则
3.操作性好
具体表现为：使用方便，易于维护。 可充分利用计算机屏幕和制作工艺流程控制台。 方便手动及联机调试。
4.实时性好
表现在对内部及外部事件能及时作出响应和相应 的处理，特别是对故障性事件的紧急处理。
§8.1微机控制系统的工程设一、确定系统整体控制方案 设计的第一步是了解控制对象，构思控制系统的 整体方案。不同的系统考虑的问题可能差别较大。 首先要从系统构成上考虑，是开环还是闭环控制。 当采用闭环时应考虑用何种检测元件和检测精度。 其次考虑执行机构采用的方案。如电液驱动等。 第三考虑是否有特殊的控制要求。如精度快速等。 第四考虑微机在系统中的作用及承担的任务。 第五初步估算成本，比较性能/价格比适合否。 最后绘制系统粗框图，附议必要的说明。
作业 作业：P178页 9-1,9-2

《计算机控制技术》计算机控制系统的设计与实现

《计算机控制技术》计算机控制系统的设计与实现
输入／输出通道设计、人机操作界面设计及可靠性设计等几个方面。 （1）计算机系统选择与配置 （2）过程输入／输出通道设计 （3）人机交互界面硬件设计 （4）可靠性设计
在以上硬件设计的每一个阶段，都应该遵循边设计，边调试， 边修改的原则，包括元器件测试、电路模块调试、子系统调试等。 这样，问题发现得越早，对整个控制系统的设计、研制的影响就越 小，付出的代价也越小。
（3）来自控制系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，
如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件 间的相互不匹配使用等。这都属于控制设备制造厂家对系统 内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无 法避免，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经 过考验的系统。
经过上述系统仿真调试，并取得满意控制性能的计算机控 制系统运到现场就可以进行现场安装调试了。现场调试是实际 生产过程对计算机控制系统性能的全面检查与性能评估，与实 验室的半实物调试相比，需要特别注意系统的安全性与抗干扰 等问题。在通过现场安装调试后，就可以投入实际生产过程进 行试运行。在试运行过程中，往往会出现许多错综复杂、时隐 时现的现象，暴露设计缺陷，这时设计者应当认真分析问题根 源，寻求解决方法。同时，系统的可靠性与稳定性也应当长期 考验，针对现场特殊的工作环境，采取行之有效的措施，在经 过一段时间的试运行并取得满意的性能评价之后，整个控制系 统就可以正式投入到实际运行中了。
8.2.4 系统的调试与运行 在硬件、软件的设计过程中，一般已经进行了分模块调试。在系
统投入现场运行之前，还需要在实验室进行硬件、软件的联合调试与 系统的仿真调试。软、硬件联调是整个调试的基础，这个步骤在硬件 设计时就开始了，即逐个功能模块进行边设计边调试，并将调试好的 模块逐步加入硬件系统进行联调。在硬件调试通过的情况下，就可将 软件系统加入进去，进行控制系统硬件软件的联合调试，联合调试的 目的是检验系统硬件、软件设计的正确性与运行的可靠性。在联合调 试过程中，不但会发现软件错误，还会发现一些在硬件调试中未发现 的硬件故障或设计缺陷，可根据情况予以修正。上述软件、硬件的联 合调试一般是脱离实际的被控过程进行的，主要在于检验系统硬件、 软件设计在功能上的正确性，不能全面反映整个控制系统的性能，因 此，还必须经过整个系统的仿真试验来检验系统的实际控制性能是否 能满足指标要求。

典型计算机控制系统简介

典型计算机控制系统简介
18
典型计算机控制系统简介
• 例如研华PCI-1780计数/定时
卡 ， 如 图 8.5 所 示 ， 是 基 于
PCI总线设计的接口卡，该卡
使 用 了 AM9513 芯 片 ， 能 够
通 过 CPLD 实 现 计 数 器 / 定 时
器功能，此外，该卡还提供8
个16位计数器通道，该卡具
有8通道可编程时钟资源，8
• ③开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部 功能，可直接运行PC机的各种应用软件。
8
典型计算机控制系统简介
2. 工业PC的特点(2)
• ④采用和PC/AT总线兼容的无源底板。它使用带有 电源层和地的4层电路板，有效地提高了系统地抗干扰能 力。无源底板带有4，6，8，12，14或20槽。 • ⑤机箱采用全钢机构，可防止电磁干扰；采用 150W-350W带除尘过滤器的工业开关电源，具有足够地 负载驱动能力。机箱内装有双风扇，正压对流排风，并 装有滤尘网用以防尘。软盘、硬盘驱动器安装采用橡皮 缓冲防震，并有防尘门。 • ⑥可内装电子盘以取代机械磁盘，使PC机在工业环 境下的操作具有高速﹑高可靠性。
20
典型计算机控制系统简介
1. 组成（1）
基于工控机和板卡组成的计算机控制 系统由硬件和软件两部分组成。 （1）硬件部分 ① 控制计算机
• 控制计算机是控制系统的核心，可以对输 入的现场信息和操作人员的操作信息进行 分析、处理，根据预先确定的控制规律， 实时发出控制指令，控制和管理其他的设 备。考虑到工业控制领域较恶劣的环境， 一般选用工业控制计算机。
1. 组成（5）
• ⑤人机接口 • 人机接口是操作人员和计算机控制系统
之间信息交换的设备，是计算机控制系 统中必不可少的部分，主要由键盘、鼠 标和显示器等组成。直接使用键盘和鼠 标等输入控制命令和指令数据，使用显 示器显示运行状态和故障并帮助查找和 诊断故障，以及运行中间数据的检查、 运行过程的统计等。

计算机控制系统 ppt课件

计算机控制系统 ppt课件

计算机系统
– A/D
– D/A
– 数字计算机
ppt课件
16
§1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统工作过程
实时数据采集
对被控量的瞬时值进行检测与输入 周
实时控制决策
而
根据输入量按照控制算法计算输出 复
实时控制输出
始
对执行机构发出控制信号
ppt课件
17
§1.1 计算机控制系统的概念
三、计算机控制系统的特点和优点
实时计反必算应须机和对在控输线制入，信在息线以不足一够定快的实速时度进行处理、
在线
生产过程、设备直接与计算机连接
离线
生产过程、设备不直接与计算机连接
ppt课件
14
火炮位置计算机控制系统
ppt课件
15
§1.1 计算机控制系统的概念
计算机控制系统构成
被控对象: 火炮炮身
执行机构: 直流电机
测量装置: 测量电位计、测速电机
特点:
–系统结构
模拟和数字混合
–工作方式：
计算机可控制多个回路 控制方式采用软件实现
ppt课件
18
§1.1 计算机控制系统的概念
三、计算机控制系统的特点和优点
优点
–易于实现复杂的控制规律 现代适的应控性制强系,灵统活大度多高数采用计算机控制 –性价比高 –控制与管理结合
有利于实现更高层次的自动化
§1.1 计算机控制系统的概念 §1.2计算机控制系统的发展与应用
ppt课件
4
第一章 绪论
§1.1 计算机控制系统的概念 §1.2计算机控制系统的发展与应用
ppt课件
5
§1.1 计算机控制系统的概念

计算机控制系统PPT.

计算机控制系统PPT.
2
(2) 计算机控制系统设计 (第56章)

(3) 计算机控制系统工程实现技术(第710章)
• •
•
1.1 计算机控制系统概述
1.1.1 计算机控制系统组成 1.1.2 计算机控制系统特点 1.1.3 计算机控制系统优点
1.2 计算机控制系统的发展与应用
1.2.1 计算机控制系统发展概述 1.2.2 计算机控制系统应用与分类

A/D变换器； D/A变换器； 数字计算机（包括硬件及相应软件，实现信号的变换 处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法产生相 应的控制指令）。
6
计算机控制系统的控制过程

实时数据采集

对被控量及指令信号的瞬时值进行检测和输入；

பைடு நூலகம்
实时决策

按给定的算法，依采集的信息进行控制行为的 决策，生成控制指令；
根据决策实时地向被控对象发出控制信号。

实时控制

7
图1-3 计算机控制系统的典型原理 结构图
8
1.1.2 计算机控制系统特点
1. 系统结构特点：
•
是由模拟与数字部件组成的混合系统。 有多种（连续模拟、离散模拟、离散数字等）信号形 式，是一种混合信号系统。 可同时控制多个被控对象或被控量，即可为多个控制 回路服务。同一台计算机可以采用串行或分时并行方 式实现控制，每个控制回路的控制方式由软件来形成。
11
1.2 计算机控制系统的发展与应用

1.2.1 计算机控制系统发展概述
1. 开创时期（1955~1962年）
–
主要任务是寻求最佳运行条件，从事操作指导和设定值的计 算工作，控制计算机仅按监督方式运行，并要求集中承担多 种任务。 DDC系统关注的是控制功能。 出现了各种类型适合工业控制的小型计算机。 微机的出现和发展，使计算机控制系统得到更为普及的应用。 网络技术、微机的发展和普及，促进发展了许多新型计算机 的控制方式。

计算机控制系统理论基础课件

计算机控制系统理论基础课件

05
计算机控制系统发展趋势与挑战
发展趋势
01
智能化
随着人工智能和机器学习技术的快速发展，计算机控制系统正朝着智能
化方向发展，能够自主地优化控制策略，提高系统的稳定性和效率。
02
网络化
随着物联网和云计算技术的发展，计算机控制系统正朝着网络化方向发
展，能够实现远程监控和数据共享，提高系统的可维护性和协同性。
最优控制策略
通过求解最优控制问题得到的最优控制信号。
3
最优控制算法
动态规划、极小值原理和庞特里亚金极大值原理 等。
03
计算机控制系统设计
硬件设计
控制器设计
选择合适的微处理器和芯 片，设计电路板和接口， 以满足控制系统的实时性 和稳定性要求。
输入输出接口设计
根据控制系统的需求，设 计合适的输入输出接口， 如模拟量输入输出、数字 量输入输出等。
计算机控制系统的特点
01
02
03
04
高效性
计算机控制系统能够快速、准 确地处理大量数据，提高生产
效率。
可靠性
采用冗余技术和故障检测技术 ，提高系统的可靠性和稳定性
。
灵活性
可方便地修改控制算法和监控 软件，适应不同的生产需求。
开放性
支持多种通信协议和标准，方 便与其他系统的集成和互操作
。
02
计算机控制系统理论基础
农业自动化领域
总结词
农业自动化领域是计算机控制系统应用的另一个重要方向，主要用于实现农业生产的自动化控制和智能化管理。
详细描述
在农业自动化领域，计算机控制系统用于实现农田灌溉、施肥、病虫害防治等功能的自动化控制。通过实时监测 和采集农田环境数据，计算机控制系统能够精确控制农业设备的运行，提高农业生产效率和农产品质量。

第章计算机控制系统概述ppt课件

第章计算机控制系统概述ppt课件
5、操作台
在较大型的控制系统中需要设置操作台，用来实现 人机之间的联系。
操作人员通过操作台向计算机输入程序，修改，发 出数据，发出操作命令，并通过显示器显示控制系统 的状况，监视整个生产过程及各个回路的实时参数和 工作状态。
计算机操作控制台
（二）计算机控制系统的软件
计算机控制系统常用软件完成各种控制功能。
对计算机控制系统而言，要求操作系统具有实时 特性，多任务调度，可多道程序并行操作，并能满 足控制对时间的要求和限制。
实时操作系统应保证在异常情况下，系统能及时 发现、处理、并纠正随机性错误，并具有抵制错误 操作和错误输入信息的能力，此外还需要有友善的 人机界面。
其他系统软件： 语言及处理程序 (汇编语言，高级语言，解释或 编译程序）、工具软件（编辑、连接、诊断、系统 维护程序）、 数据库及信息管理系统等。
2、应用软件：
微机控制系统的应用程序从功能分为两大类： (1) 专用控制程序： 数据采集程序，实时控制程序，控制算法程序等。 (2) 常用控制程序： 数据处理，数字滤波，标度变换，显示和键盘程序 ，通信，报警程序等。
1.2 计算机控制系统的主要特征
● 计算机控制系统是一个实时系统，当生产过程中 发生不正常的情况时，计算机控制系统应及时进行 处理和报警，对过程中出现的微小变化要及时进行 判断和响应，以便使计算机控制系统工作在最佳的 状态。
（二） 开环控制系统和闭环控制系统
按输出有无反馈分为：开环系统与闭环系统
1、 开环系统： 组成系统的控制装置与被控对象之间只有顺向作 用，没有反向联系的系统。 即：输出无反馈，系统的输出量对系统的控制没有 影响。 （1）按给定值操纵的开环控制系统
给定输入
执行机构
被控对象

计算机控制系统电子课件

计算机控制系统电子课件

工艺数据 记录 显示 打印
设定值 SCC 计 算 机
模 拟 调 节 器
调节 测量 工 业 对 象
图1-7 SCC+模拟调节器系统


2．SCC+DDC控制系统 该系统结构形式如图1-8所示。
工艺数据 记录 显示 打印 SCC 计 算 机 设定值 D D C 控制 测量 工 业 对 象
图1-8 SCC+DDC系统
1.2.2 计算机控制系统的软件



计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础，而计 算机的操作系统和各种应用程序是履行控制系统任务的关 键，通称为软件。 软件的质量关系到计算机运行和控制效果的好坏、硬件功 能的充分发挥和推广应用。 软件主要分系统软件和应用软件： 系统软件提供计算机运行和管理的基本环境，如Windows， WinNT，UNIX等以及网络平台； 应用软件有语言加工软件，如汇编、编译软件和控制系统 的编程软件，如Siemens公司的STEP7等，由于属于专业 化的软件，它们非常方便用户的二次开发，同时也保证了 软件的安全性。
1.3.2 直接数字控制系统（DDC）

直接数字控制系统DDC是计算机在工业中应用最普遍的一 种方式。它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测， 检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型（如 PID控制规律）进行运算，其输出直接控制被控对象，使 被控参数稳定在给定值上，如图1-6所示。
给定值



1．主机（计算机） 主机由CPU和存储器构成。它通过过程输入通道发送来的 工业生产对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序， 自动地进行信息的处理、分析和计算，并作出相应的控制 决策或调节，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制 命令。 2．常规外部设备 常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备，并 根据控制系统的规模和要求来配置。 常用的输入设备有：键盘、鼠标等，主要用来输入程序和 数据等。 常用的输出设备有：显示器、打印机等。输出设备将各种 数据和信息提供给操作人员，使其能够了解过程控制的情 况。 存储设备用来存储数据库和备份重要的数据，主要有磁盘 等。

计算机控制系统ppt课件

计算机控制系统ppt课件

主计算机
通用操作站
系统管理模块 ……
局 部 网 络 LAN
网关
D H W
多功能控制器
增强型 操作站
网关
其 它 网络
……
9
DCS的发展及典型产品
• DCS的扩展期（1985年以后）
• 第三代DCS的主要特点是：
– 开放式的系统通信，向上能与MAP和Ethernet接口， 或者通过网间连接器与其它网络联系，构成综合管理 系统；向下支持现场总线。
现场总线FB
… 现场总 线设备
图9-13 具有两层结构的FCS
38
运行员
运行员
操作站 … 操作站
…
控制站
现场总
现
线设备
场
总
线
现场总
FB
线设备
… …
工程师 工作站
高速以太网HSE
控制站
现场总
现
线设备
场
总
线
现场总
FB
线设备
9-14 具有三层结构的FCS
39
– 控制站使用32位微处理器，控制功能更强，体积更小， 可靠性更高。
– 操作站采用高档微型计算机，增强图形显示功能，多 窗口技术和触摸屏技术。
– 过程控制组态使用CAD方法，更加直观方便；引入专 家系统，实现参数自整定。
10
DCS的发展及典型产品
• 典型产品有
– Honeywell 公司的TDC 3000/PM – YOKAGAWA 公司的Centum-XL – Foxboro 公司的I/A Series – TAILOR Instruments 公司的Mod 300 – Bailey Control公司的INFI-90等
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W 02( s )
182 s 1
e
第4章 计算机控制系统离散化设计
Simulink程序：
第4章 计算机控制系统离散化设计
1.4
仿真结果及分析：
若模型预估准确， 传统Smith预估控制 能取得较好的控制效 果。
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
第4章 计算机控制系统离散化设计
(2)被控对象为含纯滞后的二阶惯性环节 设被控对象的传递函数为
ke NTs G( s) ( 1 s 1)( 2 s 1)
其中k为增益系数，τ1、τ2为惯性时间常数，NT为纯滞后 时间，N为整数。则对应的纯滞后补偿器DB(z)为
1 e Ts k NTs DB ( z ) Z (1 e ) ( 1s 1)( 2 s 1) s 1 2 b z b z (1 z N ) 1 1 2 2 1 a1 z a2 z
第4章 计算机控制系统离散化设计
为了改善这类含大纯滞后对象的控制质量，引入一个与 被控对象并联的补偿器，该补偿器被称为史密斯预估器 DB(s)，带有史密斯预估器的系统如图8.4所示。
R(s) E(s) D ( s) U ( s) G ( s) D B ( s) Y 1 ( s) 图8.4 纯滞后补偿闭环控制系统 Y ( s)
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
第4章 计算机控制系统离散化设计
（3）传统Smith预估控制与改进型Smith预估控制的对比 当模型不准确， 比如变工况时，预估 模型的τ均为40s时， 与传统Smith预估方 法相比，改进型smith 预估控制可以有效的 克服因模型不精确造 成的控制曲线波动， 使控制效果和模型完 全匹配时几乎一样。
第4章 计算机控制系统离散化设计
仿真结果及分析：没有超调，但调节速度慢。
Y(t)
1
Smith 预估
200
400
600
800
1000
t /s
第4章 计算机控制系统离散化设计
（5）PID-Smith串级控制
第4章 计算机控制系统离散化设计
仿真结果及分析：系统的控制效果十分良好，超调被控 制在较小的范围内，与传统Smith串级控制相比，调节速 度快，在200s左右时系统就达到了稳定。
于是得到补偿器DB(s)为
DB (s) G0 (s)(1 e s )
R ( s) E(s)
D(s)
U ( s)
G0(s)
e
s
Y ( s)
D B( s )
G 0 ( s)e sY Nhomakorabea ( s)
图8.5 纯滞后补偿闭环控制系统
第4章 计算机控制系统离散化设计
实际上补偿器 ( 或 Smith预估器 )并不是并联在被控对象上 的，而是反向并在控制器 D(s) 上的，因而实际的大纯滞 后补偿控制系统如图8.6所示。
R(s)
E(s)
D ( s)
U ( s)
G 0 ( s)
e s
Y ( s)
e
s
G 0 ( s)
DB(s)
图8.6 纯滞后补偿闭环控制系统等效图
第4章 计算机控制系统离散化设计
图中虚线框为补偿器 DB(s)，它与 D(s) 共同构成带纯滞后 补偿的控制器，则对应的传递函数DC(s)为
U ( s) D( s ) DC ( s) E ( s) 1 D( s)G0 ( s)(1 e s )
Y(t)
1
PID- Smith 串级控制
Smith 预估
0
200
400
600
800
1000
t /s
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
第4章 计算机控制系统离散化设计
（4）传统Smith串级控制
以某电厂主汽温控制系统为被控对象，导前区传递 函数和惰性区传递函数分别为：
8 G1 (s) (1 15s)2
G 2(s) 1.125 (1 25s)2
令
Q( z ) N 1 z P( z ) 1 b z P ( z ) 1 1 U ( z ) 1 a1 z
则可得到纯滞后补偿器的控制算法为
p(k ) a1 p(k 1) b1u (k 1) q(k ) p(k ) p(k N )
由图中可以看出，经过补偿后，已经消除了大纯滞后特 性对系统性能的不利影响，因为大纯滞后环节已经在闭 环控制回路之外，因而不会影响闭环系统的稳定性。由 拉氏变换的位移定理可知，大纯滞后特性只是将y0(t)的时 间坐标推移了一个时间τ 而得到的y(t)，其形状是完全相 同的，如图8.8所示。
y 1 y0(t) y(t)
于是大纯滞后补偿控制系统的闭环传递函数为
D( s)G0 ( s) s W ( s) e 1 D( s)G0 ( s)
相应的等效方框图如图8.7所示。
R(s) E(s)
D(s)
U(s)
G0(s)
Y 0 ( s)
e
s
Y ( s)
图8.7 纯滞后补偿闭环控制系统等效图
第4章 计算机控制系统离散化设计
第4章 计算机控制系统离散化设计
3、仿真实例
（1）传统Smith预估控制
R(s) E(s) D ( s) U ( s) G 0 ( s)
e s e s
Y ( s)
D B ( s)
G 0 ( s)
Y 1 ( s)
图8.5 纯滞后补偿闭环控制系统
以某厂300MW机组的主汽温控制系统为研究对象，对象 传递函数为 2.15 45 s
第4章 计算机控制系统离散化设计
则可得到纯滞后补偿器的控制算法为
p(k ) a1 p(k 1) a 2 p(k 2) b1u (k 1) b2 u (k 2) q(k ) p(k ) p(k N )
(3)被控对象为含纯滞后的一阶惯性环节与积分环节 设被控对象的传递函数为
其中 τ 为纯滞后时间， G0(s) 是被控对象传递函数中不包 含纯滞后时间部分的传递函数， D(s) 为串联控制器的传 递函数。
系统的闭环传递函数为
D( s)G0 ( s)e s Y ( s) W ( s) R( s) 1 D( s)G0 ( s)e s
由于在 W(s) 分母中包含纯滞后环节，它降低了系统的稳 定性。如果τ足够大的话，系统将是不稳定的。因此，这 种串联控制器 D(s) 是很难使系统得到满意的控制性能， 这就是含大纯滞后过程难以控制的本质。
ke NTs G( s) s( 1 s 1)
其中 k 为增益系数， τ 1 为惯性时间常数， NT 为纯滞后时 间，N为整数。则对应的纯滞后补偿器DB(z)为
第4章 计算机控制系统离散化设计
则对应的纯滞后补偿器DB(z)为
1 e Ts k DB ( z ) Z (1 e NTs ) s ( 1s 1) s b1 z 1 b2 z 2 N (1 z ) 1 a1 z 1 a2 z 2
第4章 计算机控制系统离散化设计
式中 a1 e
T / 1
e T / 2 , a2 e T (1 / 1 1 / 2 )
1 2 1 2 1 2
1e T / 2 e T / 1e T / 2 e T / T (1 / 1 / ) b1 k (1 ) , b2 k (e ) 2 1 2 1
450
500
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（2）改进型Smith预估控制
第4章 计算机控制系统离散化设计
Simulink程序：
第4章 计算机控制系统离散化设计
仿真结果及分析：
在模型准确的 条件下，传统Smith 预估控制和改进型 Smith预估控制应有 相同的控制效果。
1.4
1.2
1
0.8
0.6
上式可表示成
b1 z 1 b2 z 2 Q( z ) Q( z ) P( z ) N DB ( z ) (1 z ) U ( z ) P( z ) U ( z ) 1 a1 z 1 a2 z 2
令
Q( z ) N 1 z P( z ) 1 2 b z b z P ( z ) 1 2 1 2 U ( z ) 1 a z a z 1 2
其中k为增益系数，τ1为惯性时间常数，NT为纯滞后时间， N为整数。
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对应的纯滞后补偿器DB(z)为
1 e Ts k NTs DB ( z ) Z (1 e ) 1s 1 s 1 b z (1 z N ) 1 1 1 a1 z
式中 a1 e T / 1 , b1 k (1 e T / 1 )
上式可表示成
1 b z Q( z ) Q( z ) P( z ) DB ( z ) (1 z N ) 1 1 U ( z ) P( z ) U ( z ) 1 a1 z
第4章 计算机控制系统离散化设计
第4章 计算机控制系统离散化设计
8.1.2 史密斯(Smith)预估算法