东北大学薛定宇控制系统及计算机仿真ppt课件.ppt

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1、国家级精品课程控制系统仿真与CAD第七章控制系统的经典设计方法东北大学信息学院薛定宇本章主要内容已知受控对象模型，如何为其设计控制器，得到满意的控制效果？超前滞后校正器设计方法基于状态空间模型的控制器设计方法最优控制器设计——OCD控制系统工具箱的设计界面多变量系统的频域设计方法多变量系统动态解耦7.1超前滞后校正器设计方法串联控制结构控制的目标跟踪误差、响应速度本节内容超前、滞后、超前滞后控制器简介如何设计这类控制器7.1.1串联超前滞后校正器超前校正器超前校正器的作用剪切频率与相位裕度的作用解释增大剪

2、切频率，补偿相位裕度滞后校正器滞后校正器的作用使剪切频率减小，保证相位裕度要求超前滞后校正器超前滞后校正器的作用增大剪切频率，补偿相位裕度7.1.2超前滞后校正器的设计方法基于剪切频率和相位裕度的设计其中，为校正器的增益设计规则：若，需要引入超前的校正器系统静态误差系数为超前滞后校正器进一步设计为若，则需要滞后校正器超前滞后校正器设计函数调用格式清单接上页例7-1受控对象模型选择，相位裕度选择不同的值选择超前滞后校正器超前校正器选择相位裕度为60，不同剪切频率很多组合由于要求过高，达不到设计之后应该检验7

3、-1超前滞后校正器设计小结串联控制的一般结构超前、滞后、超前滞后校正器简介超前滞后校正器的设计给出期望剪切频率和相位裕度利用MATLAB函数直接设计leadlagc()设计出的控制器应该检验一下，是不是预期的指标能够达到，如果不能达到应该修正预期的指标重新设计后面将介绍其他的设计方法7.2基于状态空间模型的控制器设计方法现代控制理论——状态空间方法本节主要内容状态反馈系统内部和外部结构线性二次型最优调节器设计极点配置控制器设计观测器及观测器设计基于观测器的调节器与控制器设计7.2.1状态反馈控制结构外部

4、模型与内部模型状态反馈理论基础状态反馈与输入信号状态反馈的闭环模型如果系统完全可控，则可以将闭环模型的极点配置到任意指定的位置当然需要满足：实数或共轭复数7.2.2线性二次型指标最优调节器受控对象——状态方程模型设计目标找出最优输入使得目标函数最小化线性二次型最优调节器最优控制信号Riccati微分方程微分方程不能求解，简化为代数方程MATLAB求解离散系统的二次型最优调节器二次型性能指标离散Riccati代数方程控制律MATLAB求解例7-2状态方程模型加权矩阵最优调节器设计7.2.3极点配置控制器设计

5、受控对象——状态方程控制信号闭环状态方程模型指定闭环极点p，如何设计K?假设闭环系统期望的极点位置为则闭环系统的特征方程a(s)可以表示成不同的极点配置算法Bass-Gura算法Ackermann算法鲁棒配置算法Bass-Gura算法开环特征方程反馈向量Bass-Gura算法编程Ackermann算法函数的区别place()函数能处理多变量系统另外两种方法可以处理多重极点配置问题例7-3状态方程模型（多变量系统）期望极点位置例7-4状态方程期望极点控制器设计(不能配置)7.2.4观测器设计及基于观测器的

6、调节器设计为什么引入观测器？状态不可测量，重建观测器示意图观测器稳定性和收敛性观测器数学模型观测器收敛性方程解析解稳定性观测器仿真与设计MATLAB程序调用格式例7-5输出方程状态观测器设计期望极点-1,-2,-3,-4期望极点：-107.2.5基于观测器的调节器与控制器带有观测器的控制系统框图状态未知，需要观测器重建基于状态观测器的调节器模型等效变换G1G2结构图化成典型反馈系统模型等效框图等效关系Gc(s)H(s)根据等效关系可以编写出MATLAB函数若参考输入为0（调节问题）例7-6仍考虑例7-5的

7、系统输出方程选择加权矩阵直接设计控制器假设状态不可测，需要构造观测器最小实现7-2状态空间设计方法小结状态反馈系统的结构状态空间设计方法线性二次型性能指标的最优设计lqr()、dlqr()极点配置的：bass_pp()、place()、acker()函数系统状态不可测时，引入观测器重建状态状态观测器仿真：simobsv()函数基于观测器的控制器：obsvf()函数基于观测器的调节器：reg()函数7.3最优控制器设计LQR等最优控制存在的问题Q、R选择认为因素很大，缺乏客观描述LQR类控制的目标在于解析求

8、解，如果某个问题不可求解，则试图简化问题。LQR问题已经远远偏离实际的要求本节内容伺服控制选择什么样的性能指标合适如何利用数值最优化技术设计最优控制器最优控制器设计界面——OCD7.3.1最优控制的概念所谓“最优控制”，就是在一定的具体条件下，要完成某个控制任务，使得选定指标最小或最大的控制，这里所谓指标就是目标函数。有意义的性能指标动态误差信号的积分指标速度最快、能量最省等伺服控制系统的要求伺服控制框图常用性能指标7.3.2