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基于11阶天线伺服系统模型论文毕业设计
摘要
本文基于11阶天线伺服系统模型,并对其进行降阶。用平衡实现方法降至3阶的模型,对降阶后的模型分别设计PID、超前-滞后控制器,并分析控制器参数对闭环系统的影响。
运用极点配置、LQR以及方法设计状态反馈控制器和运用LQR方法设计输出反馈控制器,然后结合内膜原理,使设计后的闭环系统能够在有参数扰动或者常数扰动下,能够实现对阶跃信号无静差地跟踪,基于3阶模型的闭环系统的阶跃响应的过渡时间在4s以内,并给出了相应的对应仿真结果。然后用设计好的控制系统去控制11阶模型,使要求基于11阶模型的闭环系统其阶跃响应的过渡过程的时间在6s以内。
关键词:天线伺服系统 PID 超前-滞后 极点配置 LQR H∞ 内膜原理
第一章 基于平衡实现的系统降阶
1.1平衡实现的原理
一个模型的实现有无穷多种,其中阶次最小的实现被称为最小实现。
定理:实现是最小实现的充要条件是该实现是能控能观的。
定理:所有的传递函数 的所有最小实现均代数等价。
定理:若 是同一个传递函数的两个能控能观实现。 分别为上述实现的能控Gramian矩阵和能观Gramian矩阵,则相似并且所有特征根均为正数。
定理: 若为一任意一最小实现,其Hankel奇异值为,则存在一个实现满足,该实现称为平衡实现。
1.2平衡实现的系统降阶过程
由上平衡实现的Hankel奇异值,若 并且
且对应的平衡实现为:
则我们可以把系统降阶为:
本次设计六十五米大口径天线伺服系统的模型如下:
由于Matlab里有求平衡实现的函数balreal,故可以直接调用,求出平衡实现。再选取前三阶实现即可。又由于Matalb求平衡实现的降阶函数balred,故也可以使用balred进行降阶。对于该11阶天线伺服系统模型,其分别使用二种降阶方法所得3阶模型对应波特图如下图1-1所示:
图1-1 原系统伯德图及分别使用balreal,balred降阶后3阶模型伯德图
由上图可以看出很明显使用方法1 balreal得到平衡实现再去选取状态空间前三个状态所得模型拟合程度更高。故本文选用该方法将该11阶天线伺服系统模型降为3阶,并画出降阶前后系统的伯德图和阶跃响应。
1.3不同频段分析
由方法一所得三阶模型状态方程如下:
其对应传递函数为: .使用1-1中MATLAB程序画出伯德图如下图1-2:
图1-2 11阶及3阶系统模型波特图
由上图及margin函数可知11阶天线伺服系统的伯德图可知系统各参数:Gm = 12.3 dB (at 4.36 rad/sec), Pm = 70.3 deg (at 1.02 rad/sec)即系统的截止频率为 ,相角裕度为 ,幅值裕度为12.3 。将其降阶到3阶后伯德图各参数:Gm = 9.56 dB (at 4.36 rad/sec), Pm = 74.2 deg (at 1.03 rad/sec)即3阶系统的截止频率为,相角裕度为 ,幅值裕度为9.56。故降阶前后系统的截止频率基本不变,相角裕度稍有增大,幅值裕度稍有减小。故由平衡实现所得3阶系统基本可以拟合原11阶天线伺服系统模型。
由于降阶前后3阶系统和11阶系统相角裕度都很大,故系统的稳定性比较好。但截止频率均比较小,故实时性比较差,即系统调节时间较长。系统低频段斜率为0,为0型系统,对于阶跃响应存在稳态误差。故可以通过设计控制器来改善系统性能。
由图1-2可知降阶后的3阶模型伯德图在低频段和中频段可以很好的拟合原11阶天线伺服系统。在高频段和原系统模型有一定误差。
1.3.1低频段上误差分析
由于系统的稳态误差取决于静态误差系数,由低频段对数幅频特性曲线的斜率可以确定开环系统的类别从而获得系统对于各种响应比如阶跃响应的稳态误差。
由于降阶模型和原系统模型低频段拟合程度最高,故基于降阶模型设计的控制器对于低频段的设置可以很好的用于原系统11阶模型。而由图1.2可以看出伯德图低频段斜率为0,即该系统为0型系统,故系统的静态位置误差系数为 ,即对于单位阶跃响应存在稳态误差。
1.3.2 中频段上误差分析
通常将截止频率 附近的频段称为中频段,一般为30dB到-15dB之间的频段。根据截止频率的的定义,一般越大,系统的快速性越好,但对于确定的开环传递函数,截止频率与稳定裕度密切相关,通常不能单独调整。因此闭环系统的瞬态响应的好坏主要依赖于伯德图的中频段所确定的稳定裕度。
由于降阶模型和原系统模型中频段的拟合程度也很好,故基于降阶模型设计的控制器对于中频段的设置也可以比较好的用于原系统11阶模型。
1.3.3 高频段上误差分析
在中频段之后就是高频段。由于时间常数较大的环节在开环对数频率特性中频段作用突出,故高频段对数幅频特性一般取决于小时间常数环节。又因小时间常数环节的转折频率均远离截止频率,所以
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