第三次大作业-完整版.doc

研究生课程论文

(2011-2012学年第一学期)

天线伺服系统的控制器设计

研究生：余辉荣肖世龙汪俊彬

提交日期：2012年02月23日研究生签名：

学号

201120113230201121014109201120113223

学院

自动化科学与工程学院

课程编号

课程名称

线性系统理论

学位类别

硕士

任课教师

苏为洲教授

教师评语：

成绩评定：分任课教师签名：年月日

摘要

天线伺服系统广泛应用于卫星通讯、地面监控等领域。在这些领域，为了保证通讯的质量和监控的精度要求，往往对伺服系统提出较高的要求，表现为：运行精度高，稳定性好，伺服系统体积小、重量轻、功耗低。

本次设计针对一个天线伺服系统模型进行控制器的设计。在系统的具体参数和结构框图的情况下，分别运用PID、超前-滞后、基于观测器的输出反响、LQR和〔状态反响+内模原理〕等各种方法，在理想情况下〔即干扰不存在〕设计无静差位置环控制器，并分别检验控制器对于单位阶跃信号的跟踪效果。再针对干扰存在的真实情况，分析上述控制器的控制效果及干扰对反响设计带来的影响，并重新用各种方法设计无静差位置环控制器。仿真说明，控制器具有优良的运行精度和稳定性，可以实现对预定目标的精确跟踪与定位。

本次设计主要利用Simulink搭建系统模型，采用Matlab工具编写M文件代码，进行开环伯德图和闭环阶跃响应图的绘制，以及参数的自动代入。利用生成的各种图形对控制器的控制效果进行分析，最后进行各种控制器的性能比照，分析稳定性和快速性的相互关系，解释内模原理的运用，以及LQR方法在设计中带来的参数优化作用及其优势。

关键词：PID、超前-滞后、基于观测器的输出反响、LQR和

目录

TOC\o1-3\h\z\u1系统参数验证1

2五种控制器的设计与仿真3

2．1无扰动情况下PID控制器的设计3

2.2无扰动情况下超前-滞后控制器的设计9

系统动态特性和开环频率特性之间的关系简介9

2.2.2校正器的设计15

2.3无扰动情况下基于观测器的输出反响控制器设计21

2.3.1状态反响控制器21

2.3.2状态观测器22

2.3.3基于状态观测器的输出反响控制器23

2.3.4基于状态观测器的输出反响控制器设计过程24

2.4无干扰情况下LQR方法的反响设计27

2.5无扰动情况下的方法的设计37

3有扰动情况下五种控制器的设计47

3.1有扰动情况下PID控制器的设计47

3.2有扰动情况下超前-滞后控制器的设计58

干扰存在的情况下原先校正器的效果58

3.2.2超前-滞后校正器参数设计60

3.3有干扰情况下基于观测器的输出反响控制器设计66

3.4有干扰情况下LQR方法的反响设计73

3.5有扰动情况下的方法的设计78

4结论87

参考文献89

1系统参数验证

速度环带宽为12rad/s，时间常数为0.083s，并画出系统的开环Bode图；

该系统框图如下：

图1.1.1天线伺服系统

其中，。

系统速度环的闭环传递函数为

那么速度环的幅率特性为：

闭环频率特性的幅值从开始直至衰减到时所对应的频率，称为带宽频率。

故对于该系统的速度环有

时，；令，即

所以，速度环的带宽为。

又，根据得，时间常数为

用MATLAB的Simulink模块画出系统框图，并画出伯德图如下：

图1.1.2系统的开环Bode图

由图可知，系统截止频率为，相角裕度为，即系统的稳定性很好，但是实时性比拟差，即系统调节时间较长。

故可以通过设计控制器来改善系统性能。

2五种控制器的设计与仿真

2．1无扰动情况下PID控制器的设计

对于天线伺服系统，原系统框图为：

图2.1.1天线伺服系统框图

该系统的阶跃响应如下：

图2.1.2天线伺服系统阶跃响应

系统的开环伯德图如下：

图2.1.3天线伺服开环伯德图

由图可知，系统的截止频率为，相角裕度为。

将原系统参加一个单位负反响，即系统框图为

图2.1.4参加单位负反响系统框图

这时系统阶跃响应如下：

图2.1.5参加单位负反响的阶跃响应

即参加单位负反响后系统可以实现无静差，输入可以跟踪输出，但是系统性能比拟差，因为根据阶跃响应图形，系统在第5秒之后才实现跟踪，速度太慢，所以必须参加控制器，使系统响应到达要求。

被控对象

被控对象

R(s)

E(s)

U(s)

G(s)

图2.1.6典型PID控制系统结构图

图是典型的PID控制系统结构图，相应的传递函数为：，式中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。

在