控制系统仿真4.ppt

控制系统结构及其拓扑描述 第四章 控制系统数字仿真的实现 第一节 控制系统的结构及其拓扑描述 一、控制系统常见的典型结构形式 （一）、单输入-单输出开环控制结构 r(t):参考输入量 u(t):控制量 y(t):输出量 用于简单控制，稳定性由各环节本身决定。 （二）、单输入-单输出前馈控制结构 系统中若存在可测而不可控的干扰信号，可采用前馈控制。 前馈控制原理框图 单回路前馈-反馈控制系统 说明: 1、若干扰可控,则可以设计专门系统将其滤除,使干扰不进入控制系统. 2、单纯前馈控制属于开环控制,无法保证稳定性.一般和反馈控制共同使用. 3、前馈控制是基于“扰动”来消除扰动对被控量的影响；反馈控制是基于“偏差”来消除“偏差”。 （三）、单输入-单输出闭环反馈控制结构 r(t)：设定值，系统输入 e(t)：偏差，控制器输入 u(t)：控制量 y(t)：系统输出 Wc(s)：控制器 Wo(s)：被控对象 Wm(s)：测量反馈。若Wm(s)=1则称系统为单位反馈系统。 拓扑结构：每个环节用序号表示。无论系统结构多复杂，均可用拓扑结构清晰、方便表示。如图。 复杂系统用拓扑图 表示控制结构较方便。 （四）、多输入-多输出控制结构(MIMO) 单向耦合结构 交叉反馈耦合结构 二、控制系统的典型环节描述 复杂系也是由典型环节组合而成，典型环节有： 1、比例环节 2、惯性环节 3、惯性比例环节 4、积分环节 5、积分比例环节 6、二阶振荡环节（0≤ξ1) 7、高阶线性环节 三、控制系统的联结矩阵 用拓扑图描述控制系统结构（如图），写出各环节输入和各输出及参考输入的关系，可得关系式： 第二节 面向系统结构图的数字仿真 一、典型闭环系统的数字仿真 典型闭环系统结构形式如图所示，其中 为开环传递函数。 将传函转换为能控标准型开环状态空间方程： 由图可知，控制量 带入方程得 又Y=CX 则 即有： 为系统闭环状态方程。 其中 为系统闭环系数矩阵， 而输入矩阵B和输出矩阵C不变。至此，我们得到了仿真模型。 此式为一个一阶微分方程组的矩阵表达式。 采用四阶龙格-库塔法求解此闭环状态方程。 一阶微分方程基本形式为 对于微分方程组 则有 此式包含n个一阶微分方程。 当已知t=tk时的各状态量，欲求t=tk+1时的各状态量输出，有 其中： 每个斜率都是n维向量。至此，我们选定了积分算法。 下面，要编写仿真程序。 仿真程序应包含以下几部分：输入数据模块、初始化模块、运行计算模块和输出结果模块。通常要先给出程序框图，然后再代码实现。 用MATLAB 编写的程序如下： 1、输入数据 a=[a0,a1,….,an]; % n+1维分母系数向量,按降序排列 b=[b0,b1,…bn]; % m+1维分子系数向量 X0=[x10,x20,…,xn0]; % 状态向量初值 V=V0; % 反馈系数 n=n0; % 系统阶次 T0=t0; % 起始时间 Tf=tf ; % 终止时间 h=h0; % 计算步长 R=r; % 阶跃输入幅值 说明:程序中变量名不能带上下标; 2、形成开、闭环系数矩阵 b=b/a(1);a=a/a(1);A=a(2:n+1); % 首一化处理 A=[rot90(rot90(eye(n-1,n)));-fliplr(A)]; % 形成能控标准型A阵（见下页） B=[