北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。 ）工作基础：了解时滞系统的基本概念，掌握 Smith 预估控制器的设计原理。研究条件：Smith 预估控制器的基本原理以及大迟滞被控对象-电加热管。应用环境：采用 Smith 预估器与 PID 控制器相结合的方法，推导其控制算法，对被控对象电加热管搭建计算机控制系统，并对其温度进行实时控制。工作目的：熟练掌握 Smith 算法的基本原理。采用阶跃响应曲线法获取被控对象的数学模型。利用实验室现有设备，确定控制方案，搭建计算机控制系统。获取符合要求的温度控制曲线。二、参考文献1 王志萍.带有 Smith 预估器的模糊控制系统仿真研究J.上海电力学院学报.2004(02).2 储岳中,陶永华. 基于 MATLAB 的自适应模糊 PID 控制系统计算机仿真J. 安徽工业大学学报(自然科学版). 2004(01) .3 尹明,董振银,宋利君.模糊 PID 在电炉温度控制中的应用J. 齐齐哈尔大学学报. 2003(02) .4 张涛,李家启.基于参数自整定模糊 PID 控制器的设计与仿真J.交通与计算机. 2001(S1).5 周荔丹,童调生.模糊 PID 在电阻加热炉温控系统中的应用J.自动化与仪器仪表. 2001(05) .三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。 ）1、掌握迟滞系统以及 Smith 算法的基本概念与原理。2、获取电加热管的被控对象数学模型。3、采用 Smith 预估器与 PID 相结合的方式，推导被控对象的表达式。4、根据实验室设备，确定温度数值与模拟电压之间的对应关系，搭建计算机控制系统，并完成相关控制界面的设计。北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）北京理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称基于 Smith 预估算法的电加热管温度控制系统的设计系 名信息工程系专 业自动化学生姓名唐敏琪指导教师扈书亮一、课题来源及意义PID 是按偏差的比例、积分和微分进行控制的一种控制规律。因算法简单、鲁棒性好、可靠性高，一直是工业生产过程中应用最广的控制器。然而，实际生产过程往往具有非线性、时变不确定性，应用常规 PID 控制不能达到理想的控制效果。这时，往往不得不采用模型预测控制、自适应控制等先进控制策略来获得更好的控制性能。但是也存在多种原因阻碍这些先进控制策略在实际中的应用。因此，近年来越来越多的研究人员就上层采用模型预测控制这类先进的控制算法，而底层保留传统的 PID 控制算法，即所谓的预测 PID 控制算法，展开了一系列的研究。滞后环节的存在使得整个系统的控制品质变坏甚至引起闭环系统的不稳定。因此今年来，对时滞控制系统的方法研究方兴未艾。Smith 预估控制是一种对被控对象的纯滞后补偿，在工业过程中有着比较广泛的应用。二、国内外发展现状从 50 年代以来，时滞控制先后出现了基于模型的方法和无模型两大方法，PID 控制是迄今为止应用最广泛的一种方法，在工业过程控制中大多数采用此方法。优点是原理简单，通用性强，鲁棒性好。然而 PID 控制在纯滞后系统中的应用中有一定限制，对于滞后较大的系统，常规的 PID 控制往往显得无能为力。1958 年，Smith 提出了一种纯滞后补偿模型，即 Smith 预估控制。其最大优点是将时滞环节移到了闭环之外，提高了系统的控制品质。并在传统 Smith预估算法的理论基础上，采用 Smith 预估器与 PID 控制器相结合的方法，推导出相应的控制算法。三、研究目标北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）利用 Smith 预估控制的理论思想以及实验室现有的硬件设备，被控对象为电加热管，参阅有关文献，通过建立数学模型，在 MATLAB 环境下，对控制电加热管温度的 Smith 控制算法进行仿真研究，最终获得对应的阶跃响应曲线。四、研究内容Smith 预估法也叫纯滞后补偿法，设计的目标是引入一个纯滞后环节即Smith 预估器，与被控对象相并联。基于 Smith 预估器的温控系统能有效克服大纯滞后对控制系统稳定性的影响，且实现简单，可靠性好。由于电加热管温控系统本身为大时滞系统，对象参数变化较大，要建立精确的数学模型很困难。Smith 预估控制对于大时滞系统具有良好的控制作用，它在估计对象动态特性的基础上用一个预估模型进行补偿，从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器。将 Smith 预估器和 PID 控制器结合，具有较强的鲁棒性，能克服系统模型不确定性和外部干扰的影响。Smith 预估器能够估计出系统的动态特性，并对其进行补偿，使得被延迟了的被控变量能够超前反映到 PID 控制器，通过整定PID 控制器参数，可以减小系统的超调量和调节时间，将 Smith 预估器和 PID控制器数字化。采用阶跃响应曲线法测取电加热管的对象特性，通过建立数学模型，在 MATLAB 环境下，对控制电加热管温度的 Smith 控制算法进行仿真研究。结合 Smith 预估器与 PID 控制器的计算机控制系统框图五、研究方法与手段在充分了解 Smith 预估控制器、计算机控制系统的硬件构成以及软件设计及其相应模块的基础上进行电加热管温度控制系统的设计。1.通过查阅相关资料，理解 Smith 预估控制的基本原理以及 PID 控制算法方面的基础知识，从而将 Smith 预估器和 PID 控制器相结合。北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）2.分析系统硬件构成，了解测取电加热管对象特性的方法，由于软件设计在 MATAB 软件平台完成根据获得的阶跃响应曲线,因此要了解其使用方法。3.设计出基于 Smith 预估控制的加热管温控系统，并对其进行实验研究。4.根据实验数据总结撰写毕业设计论文。六、进度安排1、2014.12.07-2015.03.15 查找资料，了解 Smith 预估控制算法以及 PID控制算法的原理等相关内容，总结文献综述，完成开题报告；2、2015.03.17-2015.03.23 仔细研究课题，完善开题报告，找出不足查漏补缺；3、2015.03.25-2015.04.15 获取电加热管的被控对象数学模型；4、2015.04.17-2015.04.25 采用 Smith 预估器与 PID 相结合的方式，推导被控对象的表达式；5、2015.04.27-2015.05.10 参阅有关文献，通过建立数学模型，在MATLAB 环境下，对控制电加热管温度的Smith 控制算法进行仿真研究；6、2015.05.10-2015.06.05 撰写论文，准备答辩。七、方案可行性分析通过讨论 Smith 预估控制的基本原理 Smith 预估器与 PID 控制器结合，推导出相应的控制算法，应用于计算机控制系统，实现了对一阶纯滞后对象( 电加热管) 的控制，可以达到实验目的。八、主要参考文献1何克忠，李伟.计算机控制系统M.北京：清华大学出版社，1998.2邵裕森.过程控制及仪表M.上海：上海交通大学出版社，1995.1.3Smith O J H.A controller to overcome dead time J.ISA Transaction,1959,6(2):28-33.4陈树学，刘萱.LabVIEW 宝典M.北京：电子工业出版社，2011.5张连城.Smith预估控制的工程实现J.自动化博览，2012（4）：76-80.6曹顺安，谢学军，刘光临.基于Smith预估器的 PID 自适应控制及其应用J.化工自动化及仪表，2004(1)：28-32.7洪镇南，王旭东.Smith预估补偿器及其应用J. 控制工程，2002（5）:69-71.北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）8尹明,董振银,宋利君.模糊 PID 在电炉温度控制中的应用J. 齐齐哈尔大学学报. 2003(02) .9 张涛,李家启.基于参数自整定模糊 PID 控制器的设计与仿真J.交通与计算机. 2001(S1).10周荔丹,童调生.模糊 PID 在电阻加热炉温控系统中的应用J.自动化与仪器仪表. 2001(05i) .11Smith O J H.A controller to overcome dead time J.ISA Transaction,1959,6(2):28-33.选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能指导教师（签字）年 月 日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能审题小组组长（签字）年 月 日北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）摘 要在工业过程控制领域中，许多被控对象都不同程度存在着时滞现象，由于它的存在导致系统在信号及能量的传递上会有延迟,控制器的调节作用经历一段时间才能体现到系统输出。大时滞的存在严重影响了系统的控制效果和稳定性，导致系统的超调变大，调节时间变长，甚至出现振荡和发散,系统的动态品质明显变差。温度控制就属于比较难于控制的系统。 通常对于时滞系统，Smith 预估控制是一种有效的时滞补偿方法，Smith 预估控制在理论上能够去掉系统特征方程中的时滞环节，有效补偿时滞，使控制性能大大提高。本设计是在传统的 Smith 预估算法的理论基础上，被控对象为电加热管，采用 Smith 预估器与 PID 控制器相结合的方法，推导出相应控制算法，利用实验室现有设备，通过建立数学模型，在 MATLAB 环境下，对控制电加热管温度的 Smith 控制算法进行仿真研究。关键词：时滞；Smith 预估算法；电加热管；MATLAB 仿真北京理工大学 2014 届本科生毕业设计（论文）ABSTRACTIn the process control industry, many controlled objects there are different degrees of the delay object, due to its character there will be time lag when the signal or energy is transferring. The regulation of the controller will reflect to system output through a period of time. The big time delay phenomenon within the industry process is very widespread, its existence affected the stability of the system seriously, cause system overshot become big, adjust time to lengthen consumedly, even appear to flap and dissipation, the dynamic quality of the system becomes obviously bad. Temperature control belongs to the system which is more difficult to be controlled. Usually for delay systems, Smith predictor control is an effective method of time-delay compensation, Smith pre