工程控制原理 第3章 状态反馈与伺服控制.ppt

基于精确线性化的伺服控制（4）设计控制器中的参数现代部分经典部分按模型计算即可基于精确线性化的伺服控制（4）设计控制器中的参数多轴机器人的伺服控制（1）运动学与逆运动学方程多轴机器人的伺服控制（1）运动学与逆运动学方程（2）动力学方程拉格朗日函数各轴末端速度第2轴末端的静止坐标第3轴末端的静止坐标转动惯量哥氏力与向心力重力多轴机器人的伺服控制（1）运动学与逆运动学方程（2）动力学方程拉格朗日函数转动惯量哥氏力与向心力重力各轴末端速度现代部分经典部分按模型计算即可状态空间理论：构建了“状态空间描述+特征结构分析+状态比例反馈+状态观测器”分析与设计规范框架伺服控制方法：内环为粗调，实现稳态解耦、内部虚拟解耦、动态解耦或者精确线性化，消除大部分的耦合以及非线性的影响，改造了被控对象；外环为细调，消除残留影响。“分层控制”与“分环控制”，充分发挥现代与经典控制理论的优势。Thanks状态反馈与伺服控制有着巨大优势，最优控制与滚动优化又有不一样的风景，且听下回分解。。。。。。人造卫星轨道控制两种模型结果基本一致，以线性模型设计具有工程意义径向高度切向角度倾角控制量输出量人造卫星轨道控制达到极致性能需要巨大的控制量，不具有工程意义径向高度控制量输出量径向高度非线性的影响快速性显著改善倒立摆控制（1）建立状态空间描述由于倒立摆是自身不稳定的非最小相位系统，需要采用“比例+超前校正”控制方案。遗憾的是，虽然可做到摆角到0，但小车速度不趋于0，维持匀速运动，这在工程中是不可行的倒立摆控制（2）系统能控性分析完全能控倒立摆控制（3）系统能观性分析完全能观只有摆角传感器不完全能观只有位移传感器完全能观在实际工程中采用状态空间描述并进行能观性分析，可帮助找到更好的测量输出倒立摆控制（4）极点配置与状态反馈能控能观倒立摆控制（5）带观测器的极点配置能控能观（只有位移传感器）对调倒立摆控制（6）仿真研究能控能观非线性模型线性模型观测器控制器倒立摆控制摆角小车速度利用线性化模型进行的设计是有适用范围的，在工程实践中要高度重视倒立摆处在“静止”状态非线性：发生不稳定倒立摆控制摆角小车速度观测器收敛要快，不宜太快观测器：效果基本一致观测器：慢收敛观测器：快收敛控制器不变，只调节观测器的极点快速性变差平稳性变差倒立摆控制（7）经典控制与状态反馈控制的比较消除中间变量对中间变量有性能要求时，采用状态空间理论更方便。状态空间理论的优势（1）给出了控制系统分析的一个新框架，就是用状态空间描述系统，用稳定判据、能控判据、能观判据，或者用基于对角型、能控（观）阵的状态变换进行稳定性、能控性、能观性的特征结构分析。（2）给出了一种新的控制方式，就是实施状态比例反馈，其控制结构极简，又可任意配置闭环极点，还可利用多余的参数自由度改善其他性能，如使状态变量分块解耦，提高操控性。总之，若用状态比例反馈不能很好地实现期望性能，采用其它的控制方案也将是困难的。状态空间理论的优势（3）给出了一个通用控制结构，就是“状态观测器+状态比例反馈”。经典控制理论只利用被控对象输出构造控制器，“状态观测器+状态比例反馈”是利用被控对象输入、输出构造控制器，使用了全部可用的信息，因此，具有十分良好的控制性能，成为一个通用控制结构。（4）经典控制理论只关注系统输出变量的性能，对改善中间变量的性能往往难以顾及。因此，对于需要改善中间变量的性能或非最小相位系统，状态空间理论的分析与设计框架是可取的。3.2多变量伺服控制基于解耦的伺服控制基于精确线性化的伺服控制状态空间理论的局限难以做到所有状态变量（复合、虚拟）可以直接测量，需要构造状态观测器实现状态反馈；状态观测器严格依赖系统的数学模型，这就要求被控对象相对完美，模型残差要小；许多民用系统难以满足，需做大量实验修正数学模型，使得成本增加，导致“性价比”不高而丧失实用价值。如何发挥优势克服局限？需要现代与经典控制理论融合单变量系统的伺服控制位移环+速度环位移环+速度环+电流环（加速度、力矩）每个环的响应速度（时间尺度）不一样，内环快，外环慢，要避免谐振。直流伺服控制谁反馈谁位移误差大，速度大速度误差大，电流大单变量系统的伺服控制位移环+速度环+电流环（加速度、力矩）每个环的响应速度（时间尺度）不一样，内环快，外环慢，要避免谐振。直流伺服控制谁反馈谁速度误差大，电流大内环：粗调。外环：细调。现代控制理论依据模型、主干问题残留影响、无需模型经典控制理论相融合分环结构的多变量伺服控