基于MCS—51單片機的施密斯預(yù)估補償控制的研究

張?zhí)K新

摘 要 隨著計算機和自動控制技術(shù)飛速發(fā)展，運用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)自動控制的方法，這為我們控制復(fù)雜系統(tǒng)提供了便利。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象都具有純滯后的性質(zhì)，這些延遲的存在，使得被控對象不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，常引起被控系統(tǒng)的超調(diào)或者振蕩，從而引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。本文在施密斯預(yù)估控制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了純滯后系統(tǒng)的數(shù)字控制算法，并運用MCS-51單片機為核心控制器，并配以A/D、D/A轉(zhuǎn)換元件及其它外圍電路，對系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞 自動控制；純滯后；施密斯預(yù)估；MCS-51

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0060-02

在工程和科學(xué)領(lǐng)域中，自動控制起著越來越重要的作用，其所提出的控制方法能夠使動態(tài)系統(tǒng)獲得較好性能，提高了生產(chǎn)率，減小了人們繁重的體力勞動，為人類做出了巨大的貢獻。計算機控制是在自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)，它綜合了自動控制理論、計算機技術(shù)、通信技術(shù)，將這些技術(shù)結(jié)合起來后，進行工業(yè)自動化控制，最后設(shè)計出相應(yīng)的計算機控制系統(tǒng)。工業(yè)控制是計算機的一個重要領(lǐng)域，為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要，計算機控制正逐步發(fā)展起來，計算機實現(xiàn)的控制系統(tǒng)越來越多地被使用，因此，要求工程人員必須掌握計算機控制系統(tǒng)，計算機已成為自動控制技術(shù)不可分割的重要組成部分，開辟了自動控制的發(fā)展和應(yīng)用更廣闊的空間。

在實際工業(yè)生產(chǎn)過程（如熱工、化工、石油、造紙等）控制中，尤其是過程控制系統(tǒng)中，許多被控制對象具有純滯后性質(zhì)，主要是由于能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)換、物料的傳遞、大慣性溫度控制系統(tǒng)等傳輸延遲，這些延遲的存在，使得被控對象不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，要經(jīng)過一段純滯后時間后，被控對象才能反映出來。純滯后現(xiàn)象往往使擾動不易被察覺，調(diào)節(jié)的效果不能及時反映，對象的這種純滯后性質(zhì)常引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或者振蕩，從而系統(tǒng)穩(wěn)定性下降、如果延遲嚴(yán)重會導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，對于具有純滯后的工業(yè)過程控制系統(tǒng)問題，在控制理論和控制工程界具有廣泛的關(guān)注，各國也在不斷研究其控制方法，國外早在20世紀(jì)50年代，就對工業(yè)生產(chǎn)過程中純滯后對象進行深入的研究。

1 Smith預(yù)估控制原理

實際工業(yè)控制過程中，許多被控對象具有純滯后性質(zhì)。為解決此問題，施密斯提出一種純滯后補償模型，這種補償模型用模擬控制方法無法實現(xiàn)，只能通過數(shù)字方法進行解決，而當(dāng)時的計算機技術(shù)還比較低端，因此，在那個時期，是無法實現(xiàn)Smith預(yù)估控制控制算法。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這種控制算法慢慢能夠得以實現(xiàn)。

其控制思想為：首先建立被控對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入反饋控制，由于滯后性，可以將滯后環(huán)節(jié)加入到被控對象中，調(diào)節(jié)器不變，這樣可以減小超調(diào)量，同時加快調(diào)節(jié)速度。為了將該控制思想具體實現(xiàn)，設(shè)計一個補償環(huán)節(jié)與調(diào)節(jié)器并聯(lián)，用于補償被控對象的純滯后影響，將各個部分結(jié)合起來，便得到帶施密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中包含的為補償環(huán)節(jié)，稱之為預(yù)估器，為滯后時間。

運用傳遞函數(shù)運算規(guī)則，可以得到由Smith預(yù)估器和調(diào)節(jié)器組成的純滯后補償器，在調(diào)節(jié)器并聯(lián)補償環(huán)節(jié)，得到整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

（1）

由于在閉環(huán)控制回來之外，不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只是將控制作用在時間坐標(biāo)上推移了一個時間，因此，經(jīng)過補償后，純滯后環(huán)節(jié)不會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

2 具有純滯后的數(shù)字控制器的實現(xiàn)

將帶施密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)進行離散化，純滯后補償?shù)臄?shù)字控制器便可以得到，包括施密斯估計器和數(shù)字PID控制器。

1）施密斯估計器。

在內(nèi)存中設(shè)定N個存儲單元，用于存放信號m（k）的歷史數(shù)據(jù)，記錄滯后延遲信號，其方法為：第一次采樣，把第一個記錄的數(shù)據(jù)存入m（k）記入0單元；第二次采樣，先把原來0單元的數(shù)據(jù)放入1單元中，這樣0單元的數(shù)據(jù)變空出來了，存放第二次采樣的數(shù)據(jù)；第三次采樣，把1單元的原數(shù)據(jù)移到2單元，空出來的1單元存放原0單元的數(shù)據(jù)，再將第三次采樣的數(shù)據(jù)存入0單元中……，依次類推，最后，第N單元存放的是第k-N采樣的信號。

通過以上分析，能夠得到的輸入輸出可以表示為：設(shè)u（k）是PID數(shù)字控制器的輸出，是施密斯估計器的輸出，在實際工業(yè)環(huán)境中，可以將一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)來

表示：

（2）

式（2）中：為被控對象的放大系數(shù)；為被控對象的時間常數(shù)；

最后得到預(yù)估器的傳遞函數(shù) （3）

2）純滯后補償控制算法步驟。

根據(jù)純滯后補償控制的原理，可以將其控制算法分為以下4個步驟：

①計算反饋回路的偏差；

②計算純滯后補償器的輸出；

③計算偏差；

④計算控制器的輸出u（k）。

當(dāng)控制器采用PID控制算法時，則

上式中，為PID控制的比例系數(shù)；=為積分系數(shù)；=T為微分系數(shù)。

3 Smith預(yù)估控制硬件電路設(shè)計

單片機控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域及日常工作和生活中的各個方面?？萍嫉倪M步和經(jīng)濟的發(fā)展需要大量能夠熟練運用單片機控制技術(shù)的高素質(zhì)的技能型人才。單片機全稱為單片微型計算機，其集成芯片上包含中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口以及其他特殊功能部件，它是一種簡化了的計算機，是具有計算機的功能。以單片機為核心的控制產(chǎn)品，能夠簡化硬件電路、降低了成本，正以前所未有的速度肚帶傳統(tǒng)的電子線路產(chǎn)品。

本文運用MCS-51單片機進行Smith預(yù)估控制硬件電路設(shè)計，其實驗設(shè)計圖如圖1所示。用單片機中的I/O口P1.7管腳來產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的啟動信號，通過輸出排針引出。采樣周期是由采樣周期變量確定（10ms的倍數(shù)）。51單片機的外部中斷1，用作采樣中斷。51單片機的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入，用來檢測信號是否同步。

從圖中可以看出，信號源發(fā)出給定信號與通過傳感器得到的反饋信號，兩者之間差值為誤差信號E，由于外部差值信號是模擬信號，要進入單片機，必須進行AD轉(zhuǎn)換。采樣周期取10ms，可以運用單片機內(nèi)部資源中的定時器，同時作為基準(zhǔn)時間。其工作過程為：一個采樣時刻到來時，將反饋得到的信號與給定信號做差，得到差值信號E，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換進入單片機，通過PID算法計算，得到相應(yīng)的輸出量，最后通過DA轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的模擬信號，控制對象。

一般的PID算法有位置型控制算法和增量型控制算法，雖然這兩種方法能在一定程度上基本解決控制問題，但當(dāng)給定的信號不穩(wěn)定時，由于積分記憶作用，往往會使得系統(tǒng)超調(diào)變大，過渡時間過長。采用積分分離PID控制算法，可以解決此問題：對象的純延遲環(huán)節(jié)用軟件移位寄存器實現(xiàn)。移位寄存器由對象的延遲時間決定。采樣時間為50ms，定時中斷時間為10ms 。即每來五次定時中斷就有一次采樣。

4 結(jié)論

本文首先闡述了自動控制技術(shù)的重要性，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)運用于工業(yè)控制系統(tǒng)越來越廣泛，為自動控制系統(tǒng)提供了便利。針對工業(yè)控制純滯后被控系統(tǒng)會引起系統(tǒng)超調(diào)或者振蕩，從而被控系統(tǒng)穩(wěn)定性下降的問題，本文提出了基于計算機控制的Smith預(yù)估控制方法，在Smith預(yù)估控制原理的基礎(chǔ)上，進行了控制算法的設(shè)計。通過傳遞函數(shù)模型，設(shè)計了純滯后系統(tǒng)的數(shù)字控制算法，最后，設(shè)計了以MCS-51單片機為核心控制器，并配以A/D、D/A轉(zhuǎn)換元件及其它外圍器件的硬件電路，得到了整個系統(tǒng)設(shè)計的控制圖。

參考文獻

[1]于海生.微型計算機控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2]張艷兵，等編著.計算機控制技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3]于海生.微型計算機控制技術(shù)（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]胡壽松.自動控制原理（第四版）[M].北京：科學(xué)出版社，2011.endprint

摘 要 隨著計算機和自動控制技術(shù)飛速發(fā)展，運用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)自動控制的方法，這為我們控制復(fù)雜系統(tǒng)提供了便利。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象都具有純滯后的性質(zhì)，這些延遲的存在，使得被控對象不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，常引起被控系統(tǒng)的超調(diào)或者振蕩，從而引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。本文在施密斯預(yù)估控制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了純滯后系統(tǒng)的數(shù)字控制算法，并運用MCS-51單片機為核心控制器，并配以A/D、D/A轉(zhuǎn)換元件及其它外圍電路，對系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞 自動控制；純滯后；施密斯預(yù)估；MCS-51

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0060-02

在工程和科學(xué)領(lǐng)域中，自動控制起著越來越重要的作用，其所提出的控制方法能夠使動態(tài)系統(tǒng)獲得較好性能，提高了生產(chǎn)率，減小了人們繁重的體力勞動，為人類做出了巨大的貢獻。計算機控制是在自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)，它綜合了自動控制理論、計算機技術(shù)、通信技術(shù)，將這些技術(shù)結(jié)合起來后，進行工業(yè)自動化控制，最后設(shè)計出相應(yīng)的計算機控制系統(tǒng)。工業(yè)控制是計算機的一個重要領(lǐng)域，為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要，計算機控制正逐步發(fā)展起來，計算機實現(xiàn)的控制系統(tǒng)越來越多地被使用，因此，要求工程人員必須掌握計算機控制系統(tǒng)，計算機已成為自動控制技術(shù)不可分割的重要組成部分，開辟了自動控制的發(fā)展和應(yīng)用更廣闊的空間。

在實際工業(yè)生產(chǎn)過程（如熱工、化工、石油、造紙等）控制中，尤其是過程控制系統(tǒng)中，許多被控制對象具有純滯后性質(zhì)，主要是由于能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)換、物料的傳遞、大慣性溫度控制系統(tǒng)等傳輸延遲，這些延遲的存在，使得被控對象不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，要經(jīng)過一段純滯后時間后，被控對象才能反映出來。純滯后現(xiàn)象往往使擾動不易被察覺，調(diào)節(jié)的效果不能及時反映，對象的這種純滯后性質(zhì)常引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或者振蕩，從而系統(tǒng)穩(wěn)定性下降、如果延遲嚴(yán)重會導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，對于具有純滯后的工業(yè)過程控制系統(tǒng)問題，在控制理論和控制工程界具有廣泛的關(guān)注，各國也在不斷研究其控制方法，國外早在20世紀(jì)50年代，就對工業(yè)生產(chǎn)過程中純滯后對象進行深入的研究。

1 Smith預(yù)估控制原理

實際工業(yè)控制過程中，許多被控對象具有純滯后性質(zhì)。為解決此問題，施密斯提出一種純滯后補償模型，這種補償模型用模擬控制方法無法實現(xiàn)，只能通過數(shù)字方法進行解決，而當(dāng)時的計算機技術(shù)還比較低端，因此，在那個時期，是無法實現(xiàn)Smith預(yù)估控制控制算法。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這種控制算法慢慢能夠得以實現(xiàn)。

其控制思想為：首先建立被控對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入反饋控制，由于滯后性，可以將滯后環(huán)節(jié)加入到被控對象中，調(diào)節(jié)器不變，這樣可以減小超調(diào)量，同時加快調(diào)節(jié)速度。為了將該控制思想具體實現(xiàn)，設(shè)計一個補償環(huán)節(jié)與調(diào)節(jié)器并聯(lián)，用于補償被控對象的純滯后影響，將各個部分結(jié)合起來，便得到帶施密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中包含的為補償環(huán)節(jié)，稱之為預(yù)估器，為滯后時間。

運用傳遞函數(shù)運算規(guī)則，可以得到由Smith預(yù)估器和調(diào)節(jié)器組成的純滯后補償器，在調(diào)節(jié)器并聯(lián)補償環(huán)節(jié)，得到整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

（1）

由于在閉環(huán)控制回來之外，不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只是將控制作用在時間坐標(biāo)上推移了一個時間，因此，經(jīng)過補償后，純滯后環(huán)節(jié)不會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

2 具有純滯后的數(shù)字控制器的實現(xiàn)

將帶施密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)進行離散化，純滯后補償?shù)臄?shù)字控制器便可以得到，包括施密斯估計器和數(shù)字PID控制器。

1）施密斯估計器。

在內(nèi)存中設(shè)定N個存儲單元，用于存放信號m（k）的歷史數(shù)據(jù)，記錄滯后延遲信號，其方法為：第一次采樣，把第一個記錄的數(shù)據(jù)存入m（k）記入0單元；第二次采樣，先把原來0單元的數(shù)據(jù)放入1單元中，這樣0單元的數(shù)據(jù)變空出來了，存放第二次采樣的數(shù)據(jù)；第三次采樣，把1單元的原數(shù)據(jù)移到2單元，空出來的1單元存放原0單元的數(shù)據(jù)，再將第三次采樣的數(shù)據(jù)存入0單元中……，依次類推，最后，第N單元存放的是第k-N采樣的信號。

通過以上分析，能夠得到的輸入輸出可以表示為：設(shè)u（k）是PID數(shù)字控制器的輸出，是施密斯估計器的輸出，在實際工業(yè)環(huán)境中，可以將一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)來

表示：

（2）

式（2）中：為被控對象的放大系數(shù)；為被控對象的時間常數(shù)；

最后得到預(yù)估器的傳遞函數(shù) （3）

2）純滯后補償控制算法步驟。

根據(jù)純滯后補償控制的原理，可以將其控制算法分為以下4個步驟：

①計算反饋回路的偏差；

②計算純滯后補償器的輸出；

③計算偏差；

④計算控制器的輸出u（k）。

當(dāng)控制器采用PID控制算法時，則

上式中，為PID控制的比例系數(shù)；=為積分系數(shù)；=T為微分系數(shù)。

3 Smith預(yù)估控制硬件電路設(shè)計

單片機控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域及日常工作和生活中的各個方面?？萍嫉倪M步和經(jīng)濟的發(fā)展需要大量能夠熟練運用單片機控制技術(shù)的高素質(zhì)的技能型人才。單片機全稱為單片微型計算機，其集成芯片上包含中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口以及其他特殊功能部件，它是一種簡化了的計算機，是具有計算機的功能。以單片機為核心的控制產(chǎn)品，能夠簡化硬件電路、降低了成本，正以前所未有的速度肚帶傳統(tǒng)的電子線路產(chǎn)品。

本文運用MCS-51單片機進行Smith預(yù)估控制硬件電路設(shè)計，其實驗設(shè)計圖如圖1所示。用單片機中的I/O口P1.7管腳來產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的啟動信號，通過輸出排針引出。采樣周期是由采樣周期變量確定（10ms的倍數(shù)）。51單片機的外部中斷1，用作采樣中斷。51單片機的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入，用來檢測信號是否同步。

從圖中可以看出，信號源發(fā)出給定信號與通過傳感器得到的反饋信號，兩者之間差值為誤差信號E，由于外部差值信號是模擬信號，要進入單片機，必須進行AD轉(zhuǎn)換。采樣周期取10ms，可以運用單片機內(nèi)部資源中的定時器，同時作為基準(zhǔn)時間。其工作過程為：一個采樣時刻到來時，將反饋得到的信號與給定信號做差，得到差值信號E，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換進入單片機，通過PID算法計算，得到相應(yīng)的輸出量，最后通過DA轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的模擬信號，控制對象。

一般的PID算法有位置型控制算法和增量型控制算法，雖然這兩種方法能在一定程度上基本解決控制問題，但當(dāng)給定的信號不穩(wěn)定時，由于積分記憶作用，往往會使得系統(tǒng)超調(diào)變大，過渡時間過長。采用積分分離PID控制算法，可以解決此問題：對象的純延遲環(huán)節(jié)用軟件移位寄存器實現(xiàn)。移位寄存器由對象的延遲時間決定。采樣時間為50ms，定時中斷時間為10ms 。即每來五次定時中斷就有一次采樣。

4 結(jié)論

本文首先闡述了自動控制技術(shù)的重要性，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)運用于工業(yè)控制系統(tǒng)越來越廣泛，為自動控制系統(tǒng)提供了便利。針對工業(yè)控制純滯后被控系統(tǒng)會引起系統(tǒng)超調(diào)或者振蕩，從而被控系統(tǒng)穩(wěn)定性下降的問題，本文提出了基于計算機控制的Smith預(yù)估控制方法，在Smith預(yù)估控制原理的基礎(chǔ)上，進行了控制算法的設(shè)計。通過傳遞函數(shù)模型，設(shè)計了純滯后系統(tǒng)的數(shù)字控制算法，最后，設(shè)計了以MCS-51單片機為核心控制器，并配以A/D、D/A轉(zhuǎn)換元件及其它外圍器件的硬件電路，得到了整個系統(tǒng)設(shè)計的控制圖。

參考文獻

[1]于海生.微型計算機控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2]張艷兵，等編著.計算機控制技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3]于海生.微型計算機控制技術(shù)（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]胡壽松.自動控制原理（第四版）[M].北京：科學(xué)出版社，2011.endprint

摘 要 隨著計算機和自動控制技術(shù)飛速發(fā)展，運用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)自動控制的方法，這為我們控制復(fù)雜系統(tǒng)提供了便利。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對象都具有純滯后的性質(zhì)，這些延遲的存在，使得被控對象不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，常引起被控系統(tǒng)的超調(diào)或者振蕩，從而引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。本文在施密斯預(yù)估控制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了純滯后系統(tǒng)的數(shù)字控制算法，并運用MCS-51單片機為核心控制器，并配以A/D、D/A轉(zhuǎn)換元件及其它外圍電路，對系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞 自動控制；純滯后；施密斯預(yù)估；MCS-51

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）23-0060-02

在工程和科學(xué)領(lǐng)域中，自動控制起著越來越重要的作用，其所提出的控制方法能夠使動態(tài)系統(tǒng)獲得較好性能，提高了生產(chǎn)率，減小了人們繁重的體力勞動，為人類做出了巨大的貢獻。計算機控制是在自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用計算機（通常稱為工業(yè)控制計算機，簡稱工業(yè)控制機）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)，它綜合了自動控制理論、計算機技術(shù)、通信技術(shù)，將這些技術(shù)結(jié)合起來后，進行工業(yè)自動化控制，最后設(shè)計出相應(yīng)的計算機控制系統(tǒng)。工業(yè)控制是計算機的一個重要領(lǐng)域，為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要，計算機控制正逐步發(fā)展起來，計算機實現(xiàn)的控制系統(tǒng)越來越多地被使用，因此，要求工程人員必須掌握計算機控制系統(tǒng)，計算機已成為自動控制技術(shù)不可分割的重要組成部分，開辟了自動控制的發(fā)展和應(yīng)用更廣闊的空間。

在實際工業(yè)生產(chǎn)過程（如熱工、化工、石油、造紙等）控制中，尤其是過程控制系統(tǒng)中，許多被控制對象具有純滯后性質(zhì)，主要是由于能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)換、物料的傳遞、大慣性溫度控制系統(tǒng)等傳輸延遲，這些延遲的存在，使得被控對象不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，要經(jīng)過一段純滯后時間后，被控對象才能反映出來。純滯后現(xiàn)象往往使擾動不易被察覺，調(diào)節(jié)的效果不能及時反映，對象的這種純滯后性質(zhì)常引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或者振蕩，從而系統(tǒng)穩(wěn)定性下降、如果延遲嚴(yán)重會導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，對于具有純滯后的工業(yè)過程控制系統(tǒng)問題，在控制理論和控制工程界具有廣泛的關(guān)注，各國也在不斷研究其控制方法，國外早在20世紀(jì)50年代，就對工業(yè)生產(chǎn)過程中純滯后對象進行深入的研究。

1 Smith預(yù)估控制原理

實際工業(yè)控制過程中，許多被控對象具有純滯后性質(zhì)。為解決此問題，施密斯提出一種純滯后補償模型，這種補償模型用模擬控制方法無法實現(xiàn)，只能通過數(shù)字方法進行解決，而當(dāng)時的計算機技術(shù)還比較低端，因此，在那個時期，是無法實現(xiàn)Smith預(yù)估控制控制算法。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這種控制算法慢慢能夠得以實現(xiàn)。

其控制思想為：首先建立被控對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入反饋控制，由于滯后性，可以將滯后環(huán)節(jié)加入到被控對象中，調(diào)節(jié)器不變，這樣可以減小超調(diào)量，同時加快調(diào)節(jié)速度。為了將該控制思想具體實現(xiàn)，設(shè)計一個補償環(huán)節(jié)與調(diào)節(jié)器并聯(lián)，用于補償被控對象的純滯后影響，將各個部分結(jié)合起來，便得到帶施密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中包含的為補償環(huán)節(jié)，稱之為預(yù)估器，為滯后時間。

運用傳遞函數(shù)運算規(guī)則，可以得到由Smith預(yù)估器和調(diào)節(jié)器組成的純滯后補償器，在調(diào)節(jié)器并聯(lián)補償環(huán)節(jié)，得到整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

（1）

由于在閉環(huán)控制回來之外，不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只是將控制作用在時間坐標(biāo)上推移了一個時間，因此，經(jīng)過補償后，純滯后環(huán)節(jié)不會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

2 具有純滯后的數(shù)字控制器的實現(xiàn)

將帶施密斯預(yù)估器的控制系統(tǒng)進行離散化，純滯后補償?shù)臄?shù)字控制器便可以得到，包括施密斯估計器和數(shù)字PID控制器。

1）施密斯估計器。

在內(nèi)存中設(shè)定N個存儲單元，用于存放信號m（k）的歷史數(shù)據(jù)，記錄滯后延遲信號，其方法為：第一次采樣，把第一個記錄的數(shù)據(jù)存入m（k）記入0單元；第二次采樣，先把原來0單元的數(shù)據(jù)放入1單元中，這樣0單元的數(shù)據(jù)變空出來了，存放第二次采樣的數(shù)據(jù)；第三次采樣，把1單元的原數(shù)據(jù)移到2單元，空出來的1單元存放原0單元的數(shù)據(jù)，再將第三次采樣的數(shù)據(jù)存入0單元中……，依次類推，最后，第N單元存放的是第k-N采樣的信號。

通過以上分析，能夠得到的輸入輸出可以表示為：設(shè)u（k）是PID數(shù)字控制器的輸出，是施密斯估計器的輸出，在實際工業(yè)環(huán)境中，可以將一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)來

表示：

（2）

式（2）中：為被控對象的放大系數(shù)；為被控對象的時間常數(shù)；

最后得到預(yù)估器的傳遞函數(shù) （3）

2）純滯后補償控制算法步驟。

根據(jù)純滯后補償控制的原理，可以將其控制算法分為以下4個步驟：

①計算反饋回路的偏差；

②計算純滯后補償器的輸出；

③計算偏差；

④計算控制器的輸出u（k）。

當(dāng)控制器采用PID控制算法時，則

上式中，為PID控制的比例系數(shù)；=為積分系數(shù)；=T為微分系數(shù)。

3 Smith預(yù)估控制硬件電路設(shè)計

單片機控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域及日常工作和生活中的各個方面?？萍嫉倪M步和經(jīng)濟的發(fā)展需要大量能夠熟練運用單片機控制技術(shù)的高素質(zhì)的技能型人才。單片機全稱為單片微型計算機，其集成芯片上包含中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口以及其他特殊功能部件，它是一種簡化了的計算機，是具有計算機的功能。以單片機為核心的控制產(chǎn)品，能夠簡化硬件電路、降低了成本，正以前所未有的速度肚帶傳統(tǒng)的電子線路產(chǎn)品。

本文運用MCS-51單片機進行Smith預(yù)估控制硬件電路設(shè)計，其實驗設(shè)計圖如圖1所示。用單片機中的I/O口P1.7管腳來產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的啟動信號，通過輸出排針引出。采樣周期是由采樣周期變量確定（10ms的倍數(shù)）。51單片機的外部中斷1，用作采樣中斷。51單片機的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入，用來檢測信號是否同步。

從圖中可以看出，信號源發(fā)出給定信號與通過傳感器得到的反饋信號，兩者之間差值為誤差信號E，由于外部差值信號是模擬信號，要進入單片機，必須進行AD轉(zhuǎn)換。采樣周期取10ms，可以運用單片機內(nèi)部資源中的定時器，同時作為基準(zhǔn)時間。其工作過程為：一個采樣時刻到來時，將反饋得到的信號與給定信號做差，得到差值信號E，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換進入單片機，通過PID算法計算，得到相應(yīng)的輸出量，最后通過DA轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的模擬信號，控制對象。

一般的PID算法有位置型控制算法和增量型控制算法，雖然這兩種方法能在一定程度上基本解決控制問題，但當(dāng)給定的信號不穩(wěn)定時，由于積分記憶作用，往往會使得系統(tǒng)超調(diào)變大，過渡時間過長。采用積分分離PID控制算法，可以解決此問題：對象的純延遲環(huán)節(jié)用軟件移位寄存器實現(xiàn)。移位寄存器由對象的延遲時間決定。采樣時間為50ms，定時中斷時間為10ms 。即每來五次定時中斷就有一次采樣。

4 結(jié)論

本文首先闡述了自動控制技術(shù)的重要性，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)運用于工業(yè)控制系統(tǒng)越來越廣泛，為自動控制系統(tǒng)提供了便利。針對工業(yè)控制純滯后被控系統(tǒng)會引起系統(tǒng)超調(diào)或者振蕩，從而被控系統(tǒng)穩(wěn)定性下降的問題，本文提出了基于計算機控制的Smith預(yù)估控制方法，在Smith預(yù)估控制原理的基礎(chǔ)上，進行了控制算法的設(shè)計。通過傳遞函數(shù)模型，設(shè)計了純滯后系統(tǒng)的數(shù)字控制算法，最后，設(shè)計了以MCS-51單片機為核心控制器，并配以A/D、D/A轉(zhuǎn)換元件及其它外圍器件的硬件電路，得到了整個系統(tǒng)設(shè)計的控制圖。

參考文獻

[1]于海生.微型計算機控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2]張艷兵，等編著.計算機控制技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3]于海生.微型計算機控制技術(shù)（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]胡壽松.自動控制原理（第四版）[M].北京：科學(xué)出版社，2011.endprint