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第5单元 控制系统的设计方法
CH5、控制系统综合与校正 在控制系统分析的基础上,可以进行控制系统的综合。综合与设计问题,是在已知系统结构和参数(被控系统数学模型)的基础上,寻求控制规律,使系统具有某种期望的性能。按照传统方法,在原系统特性的基础上,将原特性加以修正称为控制系统的校正。例如改变原系统根轨迹的走向,使之满足给定的性能指标,修改原系统的波得图使之成为希望的形状等都属于控制系统的校正内容。当前控制理论的发展已经提出了许多现代化的系统综合方法,例如最优控制、预测控制等。前述几种方法,MATLAB中都有专用的工具箱。 本章简要介绍以下几个内容,即经典控制理论的系统校正,状态空间基础上的极点配置方法,基于最优控制理论的线性二次型最优模型等。 4.参考模型法校正(串联综合校正法) (1)参考模型校正法将性能指标转化为期望开环对数幅频特性L(ω) ; (2)将期望对数幅频特性L(ω)与未校正系统的开环对数幅频特性Lo(ω)比较; (3)确定校正装置Lc(ω)的结构与参数 因此,如果得到满足性能要求的开环模型L(ω),即参考模型,则由波得图上的3条特性曲线的线性关系.确定校正装置的波得图Lc(ω) 。校正装置的波得图表示为 Lc(ω)=L(ω)-Lo(ω) 满足给定性能要求的二阶参考模型为 作二阶参考模型的Bode图。 校正后系统的传递函数为 作校正系统的时间响应与根轨迹图 给定控制系统,通过设计反馈增益阵k使闭环系统具有期望的极点,从而达到适当的阻尼系数和无阻尼自然频率,这就是极点配置问题。但极点配置是基于状态反馈,即u=-kx,因此状态x必须可测,当状态不可测时,则应设计状态观测器。设计的状态观测器也应具有适当的频率特性,因此也可指定其极点位置,从而使状态观测器的设计转化为极点配置问题。 一、问题的提法 二.性能指标的类型 总的说来,综合问题中的性能指标可分为非优化型和优化型性能指标两种类型。两者的差别为:非优化型指标是一类不等式型的指标,即只要性能值达到或好于期望指标就算是实现了综合目标,而优化型指标则是一类极值型指标,综合目标是使性能指标在所有可能的控制中使其取极小或极大值。 对于非优化型性能指标,常用的提法有: 1、以渐近稳定作为性能指标,相应的综合题称为镇定问题; 2、以一组期望的闭环系统极点作为性能指标,相应的综合问题称为极点配置问题。; 3、以使一个多输入多输出(MIMO)系统实现为“一个输入只控制一个输出”作为性能指标,相应的综合问题称为解耦问题。在工业过程控制中,解耦控制有着重要的应用; 4、以使系统的输出y(t)无静差地跟踪一个外部信号作为性能指标,相应的综合问题称为跟踪问题。 对于优化型性能指标,则通常取为相对于状态x和控制u的二次型积分性能指标 J。综合的任务就是确定u(t),使相应的性能指标J极小。通常,将这样的控制u(t)称为最优控制,确切地说是线性二次型最优控制问题,即LQ调节器问题。 三、极点配置 本节介绍极点配置方法。首先假定期望闭环极点为s =μ1,s =μ2,…,s =μn。如果被控系统是状态能控的,则可通过选取一个合适的状态反馈增益矩阵K,利用状态反馈方法,使闭环系统的极点配置到任意的期望位置。 极点配置定理 线性定常系统可通过线性状态反馈任意地配置其全部极点的充要条件是,此被控系统状态完全能控。 K=Place(A,B,P) 函数功能:给定满足能控性的系统矩阵参数A,B,并且给定所配置的n个闭环极点向量P,根据式(A-BK),由线性非奇异变换计算状态反馈矩阵K。 被控对象 设计反馈控制器u=-kx,使闭环系统的极点为 , , 。 四.系统状态观测器的设计 若线性系统 状态不能直接测量,如果系统完全可观,则可构造状态观测器,使观测器以渐进的方式趋进于原系统的极点,观测器以渐进的方式等价于原系统。 对不能量测状态变量的估计通常称为观测。估计或者观测状态变量的动态系统称为状态观测器,或简称观测器。如果状态观测器能观测到系统的所有状态变量,不管其是否能直接量测,这种状态观测器均称为全阶(维)状态观测器。 估计小于n个状态变量(n为状态向量的维数)的观测器称为降维状态观测器,或简称降阶观测器。如果降维状态观测器的阶数是最小的,则称该观测器为最小阶状态观测器或最小阶观测器。 考虑如下线性定常系统 假设被观测状态向量x可由如下动态方程 中的状态 来近似,则该式表示状态观测器,其中Ke称为观测器的增益矩阵。 为求出状态观测器的反馈增益阵ke,也可与极点配置类似的方法,有两种方法:第一种方法构造变换矩阵Q,使系统变成标准能观型,然后根据特征方程求出ke;第二种方法可采用Ackermann公式求出极点配置的反
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