第六章控制系统计算机辅助设计PPT讲稿.ppt
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1、第六章控制系统计算机辅助设第六章控制系统计算机辅助设计计2022/9/211第1页,共124页,编辑于2022年,星期三主要内容主要内容n n基于传递函数的控制器基于传递函数的控制器设计设计方法方法n n状态反馈控制状态反馈控制n n基于状态空间模型的控制器设计方法基于状态空间模型的控制器设计方法第2页,共124页,编辑于2022年,星期三6.16.1基于传递函数的控制器基于传递函数的控制器设计方法设计方法6.1.1 串联超前滞后校正器串联超前滞后校正器第3页,共124页,编辑于2022年,星期三 超前校正器超前校正器第4页,共124页,编辑于2022年,星期三 滞后校正器滞后校正器第5页,共
2、124页,编辑于2022年,星期三 超前滞后校正器超前滞后校正器第6页,共124页,编辑于2022年,星期三6.1.2 超前滞后校正器的设计方法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方法基于剪切频率和相位裕度的设计方法基于剪切频率和相位裕度的设计方法基于剪切频率和相位裕度的设计方法第7页,共124页,编辑于2022年,星期三超前滞后校正器的设计规则:超前滞后校正器的设计规则:超前滞后校正器的设计规则:超前滞后校正器的设计规则:且且系统静态误差系数为系统静态误差系数为第8页,共124页,编辑于2022年,星期三第9页,共124页,编辑于2022年,星期三【例例6-16-1】第10
3、页,共124页,编辑于2022年,星期三超前滞后校正器超前滞后校正器超前滞后校正器超前滞后校正器超前校正器超前校正器超前校正器超前校正器第11页,共124页,编辑于2022年,星期三第12页,共124页,编辑于2022年,星期三第13页,共124页,编辑于2022年,星期三 基于模型匹配算法的设计方法基于模型匹配算法的设计方法基于模型匹配算法的设计方法基于模型匹配算法的设计方法假设受控对象的传递函数为假设受控对象的传递函数为 ,期望闭环系统的频域响应为期望闭环系统的频域响应为 ,超前滞后校正器的一般形式为超前滞后校正器的一般形式为使得在频率段使得在频率段 内闭环模型对期望闭环模型内闭环模型对期
4、望闭环模型 匹配指标匹配指标为最小为最小第14页,共124页,编辑于2022年,星期三提出了下面的设计算法提出了下面的设计算法其中其中第15页,共124页,编辑于2022年,星期三其中,其中,gp 和和 f 分别为受控对象和期望闭环分别为受控对象和期望闭环系统的传递函数模型,系统的传递函数模型,w1 和和 w2 为需要拟为需要拟合的频率段上下限。合的频率段上下限。第16页,共124页,编辑于2022年,星期三【例【例【例【例6-26-26-26-2】受控对象模型为】受控对象模型为】受控对象模型为】受控对象模型为第17页,共124页,编辑于2022年,星期三6.1.3 控制系统工具箱中的设计界面
5、控制系统工具箱中的设计界面控制器设计界面控制器设计界面 界面允许选择和修改控制器的结构,允许添加零界面允许选择和修改控制器的结构,允许添加零界面允许选择和修改控制器的结构,允许添加零界面允许选择和修改控制器的结构,允许添加零极点,调整增益,从而设计出控制器模型。极点,调整增益,从而设计出控制器模型。极点,调整增益,从而设计出控制器模型。极点,调整增益,从而设计出控制器模型。第18页,共124页,编辑于2022年,星期三【例【例【例【例6-36-36-36-3】受控对象和控制器的传递函数模型分别为】受控对象和控制器的传递函数模型分别为】受控对象和控制器的传递函数模型分别为】受控对象和控制器的传递
6、函数模型分别为第19页,共124页,编辑于2022年,星期三6.2 6.2 基于状态空间模型的基于状态空间模型的 控制器设计方法控制器设计方法6.2.1 状态反馈控制状态反馈控制第20页,共124页,编辑于2022年,星期三 将将 代入开环系统的状态方代入开环系统的状态方程模型,则在状态反馈矩阵程模型,则在状态反馈矩阵 下,系统的闭环状下,系统的闭环状态方程模型可以写成态方程模型可以写成 如果系统如果系统 完全可控,则选择合适的完全可控,则选择合适的 矩矩阵,可以将闭环系统矩阵阵,可以将闭环系统矩阵 的特征值配置的特征值配置到任意地方。到任意地方。第21页,共124页,编辑于2022年,星期三
7、6.2.2 线性二次型指标最优调节器线性二次型指标最优调节器假设线性时不变系统的状态方程模型为假设线性时不变系统的状态方程模型为设计一个输入量设计一个输入量 ,使得最优控制性能指标使得最优控制性能指标最小最小第22页,共124页,编辑于2022年,星期三则控制信号应该为则控制信号应该为由简化的由简化的 Riccati 微分方程微分方程 求出求出假设假设 ,其中其中 ,则则可以得出在状态反馈下的闭环系统的状态方程为可以得出在状态反馈下的闭环系统的状态方程为依照给定加权矩阵设计的依照给定加权矩阵设计的依照给定加权矩阵设计的依照给定加权矩阵设计的 LQ LQ 最优控制器最优控制器最优控制器最优控制器
8、第23页,共124页,编辑于2022年,星期三离散系统二次型性能指标离散系统二次型性能指标离散离散 Riccati 代数方程代数方程这时控制律为这时控制律为第24页,共124页,编辑于2022年,星期三【例【例【例【例6-46-46-46-4】第25页,共124页,编辑于2022年,星期三6.2.3 极点配置控制器设计极点配置控制器设计系统的状态方程为系统的状态方程为则系统的闭环状态方程为则系统的闭环状态方程为第26页,共124页,编辑于2022年,星期三第27页,共124页,编辑于2022年,星期三n n Bass-Gura Bass-Gura 算法算法算法算法第28页,共124页,编辑于2
9、022年,星期三基于此算法编写的基于此算法编写的 MATLAB 函数函数第29页,共124页,编辑于2022年,星期三n nAckermann Ackermann 算法算法算法算法其中其中 为将为将 代入代入 得出的矩阵多项式的值得出的矩阵多项式的值n鲁棒极点配置算法鲁棒极点配置算法place()函数不适用于含有多重期望极点的问题函数不适用于含有多重期望极点的问题acker()函数可以求解配置多重极点的问题函数可以求解配置多重极点的问题第30页,共124页,编辑于2022年,星期三【例【例【例【例6-56-56-56-5】第31页,共124页,编辑于2022年,星期三【例例6-66-6】第32
10、页,共124页,编辑于2022年,星期三6.2.4 观测器设计及基于观测器的观测器设计及基于观测器的 调节器设计调节器设计第33页,共124页,编辑于2022年,星期三第34页,共124页,编辑于2022年,星期三第35页,共124页,编辑于2022年,星期三【例【例【例【例6-76-76-76-7】第36页,共124页,编辑于2022年,星期三第37页,共124页,编辑于2022年,星期三带有观测器的状态反馈控制结构图带有观测器的状态反馈控制结构图第38页,共124页,编辑于2022年,星期三第39页,共124页,编辑于2022年,星期三第40页,共124页,编辑于2022年,星期三如果参考
11、输入信号如果参考输入信号 ,则控制结构,则控制结构 化简为化简为第41页,共124页,编辑于2022年,星期三【例【例【例【例6-86-86-86-8】第42页,共124页,编辑于2022年,星期三第43页,共124页,编辑于2022年,星期三6.3 6.3 过程控制系统的过程控制系统的 PID 控制器设计控制器设计6.3.1 PID 控制器概述控制器概述n连续连续 PID 控制器控制器第44页,共124页,编辑于2022年,星期三连续连续 PID 控制器控制器Laplace 变换形式变换形式第45页,共124页,编辑于2022年,星期三n离散离散 PID 控制器控制器第46页,共124页,编
12、辑于2022年,星期三离散形式的离散形式的 PID 控制器控制器Z 变换得到的离散变换得到的离散 PID 控制器的传递函数控制器的传递函数第47页,共124页,编辑于2022年,星期三nPID 控制器的变形控制器的变形 积分分离式积分分离式 PID 控制器控制器在启动过程中,如果静态误差很大时,可以关闭积在启动过程中,如果静态误差很大时,可以关闭积分部分的作用,稳态误差很小时再开启积分作用,分部分的作用,稳态误差很小时再开启积分作用,消除静态误差消除静态误差第48页,共124页,编辑于2022年,星期三 离散增量式离散增量式 PID 控制器控制器第49页,共124页,编辑于2022年,星期三
13、抗积分饱和抗积分饱和(anti-windup)PID 控制器控制器 第50页,共124页,编辑于2022年,星期三6.3.2 过程系统的一阶延迟模型近似过程系统的一阶延迟模型近似带有时间延迟一阶模型带有时间延迟一阶模型(first-order lag plus delay,FOLPD)一阶延迟模型一阶延迟模型(FOLPD)的数学表示为的数学表示为第51页,共124页,编辑于2022年,星期三n n 由响应曲线识别一阶模型由响应曲线识别一阶模型 阶跃响应近似阶跃响应近似 Nyquist 图近似图近似 编写编写 MATLAB 函数函数 getfolpd(),key=1第52页,共124页,编辑于2
14、022年,星期三n 基于频域响应的近似方法基于频域响应的近似方法调用编写的调用编写的 MATLAB 函数函数 getfolpd(),key=2第53页,共124页,编辑于2022年,星期三n 基于传递函数的辨识方法基于传递函数的辨识方法调用编写的调用编写的 MATLAB 函数函数 getfolpd(),key=3第54页,共124页,编辑于2022年,星期三n 最优降阶方法最优降阶方法调用编写的调用编写的 MATLAB 函数函数 getfolpd(),key=4【例例6-96-9】第55页,共124页,编辑于2022年,星期三6.3.3 Ziegler-Nichols 参数整定方法参数整定方法
15、n Ziegler-Nichols 经验公式经验公式编写编写 MATLAB 函数函数 ziegler()第56页,共124页,编辑于2022年,星期三【例例6-106-10】第57页,共124页,编辑于2022年,星期三第58页,共124页,编辑于2022年,星期三n改进的改进的 Ziegler-Nichols 算法算法第59页,共124页,编辑于2022年,星期三初始点初始点 A 增益增益期望点期望点 A1 增益增益PID 控制器控制器第60页,共124页,编辑于2022年,星期三n n PI 控制器第61页,共124页,编辑于2022年,星期三n n PID 控制器第62页,共124页,编
16、辑于2022年,星期三【例例6-116-11】第63页,共124页,编辑于2022年,星期三第64页,共124页,编辑于2022年,星期三n 改进改进 PID 控制结构与算法控制结构与算法n n微分动作在反馈回路的微分动作在反馈回路的 PID PID 控制器控制器第65页,共124页,编辑于2022年,星期三n n精调的精调的 Ziegler-Nichols Ziegler-Nichols 控制器及算法控制器及算法第66页,共124页,编辑于2022年,星期三第67页,共124页,编辑于2022年,星期三 若若 则保留则保留 Ziegler-Nichols 参参数数,同时为使超调量分别小于同时
17、为使超调量分别小于 10%或或 20%,则,则 若若 ,Ziegler-Nichols 控制控制器的器的 参数精调为参数精调为 若若 ,为使系统的超调量小于为使系统的超调量小于 10%,则,则 PID参数参数调为调为:第68页,共124页,编辑于2022年,星期三【例例6-126-12】用自编的用自编的 MATLAB 函数设计精调的函数设计精调的 Ziegler-Nichols PID 控制器控制器第69页,共124页,编辑于2022年,星期三n n改进的改进的 PID PID 结构结构一种一种 PID 控制器结构及整定算法的控制器模型为控制器结构及整定算法的控制器模型为:第70页,共124页
18、,编辑于2022年,星期三6.3.4 最优最优 PID 整定算法整定算法 最优化指标最优化指标 时间加权的指标时间加权的指标 IAE 和和 ITAE 指标指标第71页,共124页,编辑于2022年,星期三 庄敏霞与庄敏霞与 Atherton 教授提出了基于时间加权指标的最教授提出了基于时间加权指标的最优控制优控制 PID 控制器参数整定经验公式控制器参数整定经验公式适用范围适用范围 ,不适合于大时间延迟系统不适合于大时间延迟系统第72页,共124页,编辑于2022年,星期三 Murrill 提出了使得提出了使得 IAE 准则最小的准则最小的 PID 控制器算法控制器算法第73页,共124页,编
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