时滞系统的Smith预估补偿控制器研究

辛海燕,李成祥（.东南大学成贤学院电子工程系,南京 0088； .北方信息控制集团有限公司,南京 53）



时滞系统的Smith预估补偿控制器研究

辛海燕1,李成祥2
（1.东南大学成贤学院电子工程系,南京 210088； 2.北方信息控制集团有限公司,南京 211153）

摘 要：近年来，对Smith预估补偿控制器的研究成为一种趋势，其可以有效的对时滞系统进行延迟补偿，但其要求系统具有准确的控制模型，控制精度不高。目前国内外很多研究者将Smith预估补偿控制器结构进行优化、结合PID进行参数整定以及将Smith预估补偿器与模糊控制、神经网络等先进的控制方法相融合，本文将从以上三个方面阐述目前对Smith预估补偿控制器的研究现状。

关键词：时滞；Smith；预估补偿

0 引言

1 Smith预估补偿器原理

经补偿控制后，系统的闭环传递函数为式（1）：

2 Smith预估补偿控制器研究现状

当前，国内外研究者对Smith预估补偿控制器的研究主要可以分为三大类：

第一大类是对Smith预估补偿控制器结构进行优化，在控制系统中增加并联或串联环节，以提高控制系统的鲁棒性，增强系统的抗干扰能力。国外的学者Uma S，Chidambaram M，Rao Seshagiri A等将传统的PID控制与Smith预估补偿控制相融合，研究了一种新的Smith预估补偿控制器结构，系统具有较好的鲁棒性，有效地克服了系统模型的不确定性和外部扰动的影响。我国的学者高明，包新华等曾提出了补偿时滞给定，解决了大纯滞后系统经改进的Smith预估器补偿后，在阶跃信号作用下，系统具有良好的跟随性，而在任意输入函数作用下，系统响应总是滞后于输入的问题。研究者们对Smith预估补偿控制器结构进行优化改进的主要目的在于改善Smith预估补偿控制的鲁棒性和抗扰动能力。对Smith预估补偿控制器进行结构优化改进，可以改善系统的控制性能，对Smith结构进行优化改进，目前仍然是一个主要的研究趋势。

第二大类是对Smith预估补偿控制器结合PID参数整定方法研究，用控制系统的鲁棒性能指标或其它性能指标对控制器参数进行整定。国外学者Majhi S，Atherton D P等提出了smith控制器参数整定、设计的解析方法，以及参数的自整定设计方法。我国的学者王华强，张毅等提出了一种改进的自适应Smith预估控制器。目前Smith预估补偿控制器参数自整定的方法主要是以鲁棒性、最小二次型最优等控制系统的性能指标为基础，研究者们主要用到自整定、自适应等算法。在系统中加入以上算法，改善了系统的性能。Smith补偿控制器性能的评价一直是过程控制中需要解决的难点问题之一，结合Smith预估补偿控制器的特点，不仅研究经济效益高，而且研究工艺合理的性能指标，依然是今后Smith预估补偿控制器参数自整定的一个研究方向。

第三大类是将Smith预估补偿控制器与模糊控制、神经网络等现有先进控制方法相融合，提高控制系统的整体性能指标。国外学者Uma S，Chidambaram M，Rao Seshagiri A，Yoo C K等将Smith预估补偿器与串级控制深度融合，可以有效克服系统所受的外部扰动，提高了Smith预估补偿控制的控制性能。我国的研究者们沈洁，吴龙庭等将神经网络用于Smith预估控制器。利用先进控制具有较强鲁棒性和抗干扰能力的特点，将Smith预估补偿器与先进的控制算法深度融合，有效地克服系统不确定性、外部扰动以及时延给系统带来的影响，从而得到较为理想的控制效果。然而将Smith预估补偿控制与先进的模糊、神经网络控制结合后，将会给系统的稳定性分析带来不便，大部分研究需要依赖MATLAB系统仿真，才能验证控制方法的有效性。先进的智能控制算法在当今的过程领域有着较为广泛的应用，目前如何有效地将智能控制算法和Smith预估补偿控制深度融合，仍然是一个较有潜力的研究方向。

3 结束语

综上所述，Smith预估补偿控制已经成为过程控制领域研究的一大控制方法，随着网络控制技术不断被引入到过程控制系统中，因网络传输时延，引起系统的性能变差，今后在网络控制系统中，研究既具有鲁棒性，又具有良好的抗干扰性的Smith预估补偿控制器，将逐渐成为新的研究热点。

参考文献：

［1］徐广治,张井岗.反向响应时滞过程的二自由度Smith预估控制［J］.应用科学学报,2015（07）．

［2］徐星星,张春,何慧云,陈林.基于改进Smith预估补偿及自适应Fuzzy-PID控制的NCS研究［J］.陕西理工学院学报（自然科学版）,2015（10）．

［3］王瑞峰，段锐，许伟．网络控制系统Smith Fuzzy PID控制器的设计［J］.计算机工程与应用,2015,51（10）．

［4］吴龙庭,曹顺安,胡家元．时滞系统的LM Smith神经网络控制器［J］.计算机应用研究,2014（04）．

［5］廖卫中,郝莹,李庚．Smith预估算法在计算机控制系统中的应用［J］.实验室科学,2014（02）．

［6］刘启辉,文云,张云龙.基于一阶时滞系统的Smith预估器控制研究［J］.自动化技术与应用,2014,33（09）．

［7］赵东亚,邹涛,王治平.Smith预估控制研究进展［J］.化工进展,2010,29（08）.

［8］Uma S，Chidambaram M，Rao Seshagiri A，Yoo C k．Enhanced control of integrating cascade processes with time delays using modified Smith predictor［J］．Chemical Engineering Science，2010，65：1065—1075．

［9］ Uma S，Chidambaram M，Rao Seshagiri A．Set point weighted modified Smith predictor with PD filter controllers for non-minimum—phase（NMP） integrating processes［J］．Chemical Engineering Research and Design，2010，88（55-56）：592-601．

［10］ Sanehe Pena R S，Bolea Y，Puig V．MMIO Smith predictor：Global and structured robust performance analysis［J］．Journal of Process Comrol，2009,19（01）：163-177．

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.192

作者简介：辛海燕（1982-），女，河南焦作人，研究方向： 检测技术与自动化装置。