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第10章 控制系统设计分析 10.1 控制系统的线性分析 10.2 线性控制系统设计分析 10.3 非线性控制系统设计简介 10.1 控制系统的线性分析 10.1.1滑艇动态方程及其线性化 1. 滑艇动力学方程 在滑艇的运行过程中,滑艇主要受到如下作用力的控制:滑艇自身的牵引力 ,滑艇受到的水的阻力 。其中水的阻力 ,为滑艇的运动速度。由运动学的相关定理可知,整个滑艇系统的动力学方程为 其中为滑艇的质量。由滑艇系统的动力学方程易知,此系统为一非线性系统。下面来建立此系统的Simulink模型并进行线性分析。 2. 滑艇速度控制系统的模型建立与仿真 使用下面的Simulink模块建立滑艇速度控制系统的模型: (1) Sources模块库中的Step模块:用来产生滑艇的牵引力。 (2) Subsystems模块库中的Subsystem模块:构成滑艇速度控制器子系统。 (3) Sinks模块库中的Scope模块:输出滑艇的速度。 (4) Functions Tables模块库中的Fcn模块:求取水的阻力。 (5) 其它模块:Math模块库中的Gain模块、Continuous模块库中的Integrator模块。 使用Simulink建立的系统模型框图如图10.1所示。 然后设置正确的系统模型参数与仿真参数对此系统进行仿真,其中Step的Final Value值设置为1000(即滑艇牵引力)、子系统中增益模块Gain的取值为1/1000(即1/m)、Fcn模块的expression设置为u^2-u(求取水的阻力)、系统仿真时间为0至100 s。图10.2为系统仿真的结果。 3. 滑艇速度控制器系统的线性化 对于滑艇速度控制器系统而言,如果要在比赛中获得胜利,则滑艇必须在尽可能短的时间内达到最大速度。设此速度控制器所能达到的最大速度为100 mph(miles per hour,英里每小时)。而在前面所提供的滑艇牵引力仅为1000,故需要设置合适的牵引力对速度控制器进行操纵。 既然滑艇速度最大值为100 mph,因此在对滑艇速度控制系统进行线性化时,希望此系统能够使滑艇的速度基本稳定在最大速度处。换句话说,系统的工作点应该选择为使速度达到100 mph时的系统输入与系统状态。由于对非线性系统进行线性化表示需要给出系统所在的操作点(即平衡点),因此在对滑艇速度控制系统进行线性化之前,需要获得滑艇速度稳定在100 mph处的系统平衡点。按照如下步骤可以获得滑艇速度控制系统的平衡点: (1) 修改系统模型,如图10.3所示。 其中Inport、Outport分别表示系统的输入与输出,增益模块的作用是将速度单位km/h转变为mph,其值为5/8。 (2) 求取滑艇速度控制系统在此工作点处的平衡状态。 在MATLAB命令窗口中使用trim命令获得系统在输出为100 mph时的平衡状态: [x, u, y, dx]=trim(wherry_control, [ ], [ ], 100, [ ], [ ], 1) x =160 u = 2.5440e+004 y = 100 dx = -1.0914e-014 (3) 求取滑艇速度控制系统的线性系统描述。 在获得使滑艇速度稳定在100 mph处时系统的平衡点x、u与y之后,在MATLAB命令窗口中使用linmod命令便可以获得相应的线性系统描述,如下所示: [A,B,C,D]=linmod(wherry_control,x,u) A = -0.3190 B = 1.0000e-003 C = 0.6250 D = 0 从而得到线性化后系统的状态空间描述,其中A、B、C与D是线性系统的状态空间矩阵。故相应的线性系统的状态空间描述方程为 4. 使用LTI Viewer进行非线性系统的线性分析 除了使用前面的命令行方式对非线性系统进行线性化
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