第六章控制系统计算机辅助设计.ppt
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1、2019/6/15,1,第 6 章 控制系统计算机辅助设计,2019/6/15,2,主要内容,基于传递函数的控制器设计方法 状态反馈控制 基于状态空间模型的控制器设计方法,2019/6/15,3,6.1基于传递函数的控制器 设计方法,6.1.1 串联超前滞后校正器,2019/6/15,4,超前校正器,2019/6/15,5,滞后校正器,2019/6/15,6,超前滞后校正器,2019/6/15,7,6.1.2 超前滞后校正器的设计方法,基于剪切频率和相位裕度的设计方法,2019/6/15,8,超前滞后校正器的设计规则:,且,系统静态误差系数为,2019/6/15,9,2019/6/15,10,
2、【例6-1】,2019/6/15,11,超前滞后校正器,超前校正器,2019/6/15,12,2019/6/15,13,2019/6/15,14,基于模型匹配算法的设计方法,假设受控对象的传递函数为 ,,期望闭环系统的频域响应为 , 超前滞后校正器的一般形式为,使得在频率段 内闭环模型对期望闭环模型 匹配指标,为最小,2019/6/15,15,提出了下面的设计算法,其中,2019/6/15,16,其中,gp 和 f 分别为受控对象和期望闭环 系统的传递函数模型,w1 和 w2 为需要拟 合的频率段上下限。,2019/6/15,17,【例6-2】受控对象模型为,2019/6/15,18,6.1.
3、3 控制系统工具箱中的设计界面,控制器设计界面,界面允许选择和修改控制器的结构,允许添加零极点,调整增益,从而设计出控制器模型。,2019/6/15,19,【例6-3】受控对象和控制器的传递函数模型分别为,2019/6/15,20,6.2 基于状态空间模型的 控制器设计方法,6.2.1 状态反馈控制,2019/6/15,21,将 代入开环系统的状态方 程模型,则在状态反馈矩阵 下,系统的闭环状 态方程模型可以写成,如果系统 完全可控,则选择合适的 矩 阵,可以将闭环系统矩阵 的特征值配置 到任意地方。,2019/6/15,22,6.2.2 线性二次型指标最优调节器,假设线性时不变系统的状态方程
4、模型为,设计一个输入量 , 使得最优控制性能指标,最小,2019/6/15,23,则控制信号应该为,由简化的 Riccati 微分方程 求出,假设 ,其中 ,则 可以得出在状态反馈下的闭环系统的状态方程为,依照给定加权矩阵设计的 LQ 最优控制器,2019/6/15,24,离散系统二次型性能指标,离散 Riccati 代数方程,这时控制律为,2019/6/15,25,【例6-4】,2019/6/15,26,6.2.3 极点配置控制器设计,系统的状态方程为,则系统的闭环状态方程为,2019/6/15,27,2019/6/15,28,Bass-Gura 算法,2019/6/15,29,基于此算法编
5、写的 MATLAB 函数,2019/6/15,30,Ackermann 算法,其中 为将 代入 得出的矩阵多项式的值,鲁棒极点配置算法,place( ) 函数不适用于含有多重期望极点的问题 acker( ) 函数可以求解配置多重极点的问题,2019/6/15,31,【例6-5】,2019/6/15,32,【例6-6】,2019/6/15,33,6.2.4 观测器设计及基于观测器的 调节器设计,2019/6/15,34,2019/6/15,35,2019/6/15,36,【例6-7】,2019/6/15,37,2019/6/15,38,带有观测器的状态反馈控制结构图,2019/6/15,39,2
6、019/6/15,40,2019/6/15,41,如果参考输入信号 ,则控制结构 化简为,2019/6/15,42,【例6-8】,2019/6/15,43,2019/6/15,44,6.3 过程控制系统的 PID 控制器设计,6.3.1 PID 控制器概述,连续 PID 控制器,2019/6/15,45,连续 PID 控制器,Laplace 变换形式,2019/6/15,46,离散 PID 控制器,2019/6/15,47,离散形式的 PID 控制器,Z 变换得到的离散 PID 控制器的传递函数,2019/6/15,48,PID 控制器的变形,积分分离式 PID 控制器 在启动过程中,如果静态
7、误差很大时,可以关闭积 分部分的作用,稳态误差很小时再开启积分作用, 消除静态误差,2019/6/15,49,离散增量式 PID 控制器,2019/6/15,50,抗积分饱和 (anti-windup) PID 控制器,2019/6/15,51,6.3.2 过程系统的一阶延迟模型近似,带有时间延迟一阶模型 (first-order lag plus delay, FOLPD) 一阶延迟模型 (FOLPD) 的数学表示为,2019/6/15,52,由响应曲线识别一阶模型,阶跃响应近似,Nyquist 图近似,编写 MATLAB 函数 getfolpd( ) , key=1,2019/6/15,5
8、3,基于频域响应的近似方法,调用编写的 MATLAB 函数 getfolpd( ) , key=2,2019/6/15,54,基于传递函数的辨识方法,调用编写的 MATLAB 函数 getfolpd( ) , key=3,2019/6/15,55,最优降阶方法,调用编写的 MATLAB 函数 getfolpd( ) , key=4,【例6-9】,2019/6/15,56,6.3.3 Ziegler-Nichols 参数整定方法,Ziegler-Nichols 经验公式,编写 MATLAB 函数 ziegler( ),2019/6/15,57,【例6-10】,2019/6/15,58,2019/
9、6/15,59,改进的 Ziegler-Nichols 算法,2019/6/15,60,2019/6/15,61,PI 控制器,2019/6/15,62,PID 控制器,2019/6/15,63,【例6-11】,2019/6/15,64,2019/6/15,65,改进 PID 控制结构与算法,微分动作在反馈回路的 PID 控制器,2019/6/15,66,精调的 Ziegler-Nichols 控制器及算法,2019/6/15,67,2019/6/15,68,若 则保留 Ziegler-Nichols 参数 , 同时为使超调量分别小于 10% 或 20% ,则,若 , Ziegler-Nich
10、ols 控制器的 参数精调为,若 , 为使系统的超调量小于 10%,则 PID参数调为:,2019/6/15,69,【例6-12】,用自编的 MATLAB 函数设计精调的 Ziegler-Nichols PID 控制器,2019/6/15,70,改进的 PID 结构,一种 PID 控制器结构及整定算法的控制器模型为:,2019/6/15,71,6.3.4 最优 PID 整定算法,最优化指标,时间加权的指标,IAE 和 ITAE 指标,2019/6/15,72,庄敏霞与 Atherton 教授提出了基于时间加权指标的最优控制 PID 控制器参数整定经验公式,适用范围 ,不适合于大时间延迟系统,2
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