《控制系統設計》PPT課件.ppt

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第4章 控制系統設計,在實際工程控制中，往往需要設計一個系統并選擇適當的參數以滿足性能指標的要求，或對原有系統增加某些必要的元件或環(huán)節(jié)(稱為控制器或校正裝置)，使系統能夠全面滿足性能指標的要求，此類問題就稱為系統校正與綜合，或稱為系統設計。 系統設計是一個反復試探的過程，需要許多經驗的積累。 根據校正裝置的特性，可分為超前校正裝置、滯后校正裝置和超前-滯后校正裝置。 根據校正裝置與被控對象的不同連接方式，可分為串聯校正、反饋（并聯）校正、前饋校正和干擾補償等。,在命令窗口輸入命令sisotool，即可進入SISO Design Tool主窗口。,4.1 SISO Design Tool——簡介,經典控制理論系統設計基本是“分析+畫圖”的試探方法，既繁瑣又可能達不到預期的效果。MATLAB的控制系統工具箱通過簡單的編程，可以完成系統的設計，但對于不太熟悉MATLAB的用戶有一定的困難。 SISO系統設計工具(SISO Design Tool)是一個圖形化的用戶界面，很方便地完成單輸入單輸出系統的設計。,4.1 SISO Design Tool——簡介,,,控制系統結構,,4.1 SISO Design Tool——簡介,,編輯校正裝置,4.1 SISO Design Tool——簡介,,校正圖形,4.1 SISO Design Tool——簡介,,分析圖形,4.1 SISO Design Tool——簡介,自動調制,,,4.1 SISO Design Tool——簡介,4.1 SISO Design Tool——快捷工具欄,【Import】—導入系統設計對象模型。 【Export】—保存設計完成后的系統對象模型。 【Save Session】—保存設計工作環(huán)境（包括對系統的各種改動），供后續(xù)工作使用。 【Load Session】—調入設計工作環(huán)境，恢復保存時的狀態(tài)。,4.1 SISO Design Tool——File菜單,【OpenLoop Nichols】—對開環(huán)尼柯爾斯圖編輯區(qū)進行設置。 【Prefilte Bode】——對環(huán)節(jié)F伯德圖編輯區(qū)進行設置。 上述4種設置均與單擊右鍵的彈出菜單一致，主要內容包括增加/刪除零極點、設置給定系統參數限制區(qū)域（根據所選擇曲線的不同，系統參數限制區(qū)域也不同）并在對應的曲線圖中給出區(qū)域標志、網絡的顯示選擇、坐標范圍的給定、曲線名稱的修改、曲線坐標的放大與縮小。 【SISO Tool Preference】—針對SISO Design Tool所涉及的圖形屬性進行設置，主要內容包括顯示曲線的坐標單位、坐標字體、字號、網絡、上升時間定義范圍數學模型的表示方式等顯示屬性。,【Root Locus】—對根軌跡曲線編輯區(qū)進行設置。 【OpenLoop Bode】—對開環(huán)伯德圖編輯區(qū)進行設置。,當窗口中出現前置濾波環(huán)節(jié)F伯德圖編輯區(qū)和尼柯爾斯圖編輯區(qū)后，【Edit】菜單中會出現下面兩個選項：,4.1 SISO Design Tool——Edit菜單,【Root Locus】——顯示/取消根軌跡圖編輯區(qū)。 【OpenLoop Bode】—顯示/取消伯德圖編輯區(qū)。 【OpenLoop Nichols】—顯示/取消尼柯爾斯圖編輯區(qū)。 【Prefilter Bode】—顯示/取消環(huán)節(jié)F（前置濾波器環(huán)節(jié)）伯德圖編輯區(qū)。 【System Data】—顯示環(huán)節(jié)G和環(huán)節(jié)H的傳遞函數。 【Closed-Loop Poles】—顯示閉環(huán)極點列表。 【Design History】—顯示設計過程歷史紀錄。,4.1 SISO Design Tool——View菜單,【Response to Step Command】—在彈出的圖形窗口顯示階躍響應曲線。 【Rejection of Step Disurbance】—在彈出的圖形窗口顯示對階躍擾動的抑制曲線。 【Closed-Loop Bode】—在彈出的圖形窗口中顯示閉環(huán)系統伯德圖。 【Compensator Bode】—在彈出的圖形窗口中顯示環(huán)節(jié)C的伯德圖。 【Open-Loop Nyquist】—在彈出的圖形窗口中顯示開環(huán)奈奎斯特圖。 【Other Loop Responses】—選擇所希望的各類顯示曲線。,4.1 SISO Design Tool——Analysis菜單,4.1 SISO Design Tool——Tool菜單,【Continuous／Discrete Conversions】—對線性離散控制系統進行設計，主要對離散控制系統的采樣時間、連續(xù)信號的離散化方法等進行設置。 【Draw Simulink Diagram】—構造系統的Simulink仿真結構圖。,1、在MATLAB命令窗口輸入 sys=tf([60,30],[1,9,17,10]) sisotool,單擊【File】∣【Import】導入數據,2、SISO Design Tool系統分析,3、SISO Design Tool系統設計,4.1 SISO Design Tool——舉例,4.2 控制系統的優(yōu)化設計,（一）優(yōu)化設計的幾個概念,,一般情況下，由于優(yōu)化設計是相對某些具體設計要求或某一人為規(guī)定的優(yōu)化指標來尋優(yōu)的，所以優(yōu)化設計所得結果往往是相對的最優(yōu)方案。下圖為優(yōu)化設計的流程框圖，優(yōu)化設計包含設計變量、約束條件、目標函數、目標函數值的評定與權函數（罰函數）等幾個基本概念。,,（二）優(yōu)化設計原理——單純形法,,,常見的優(yōu)化方法有黃金分割法、單純形法以及隨機射線法，其中單純形法以其概念清晰、實現便利等優(yōu)良性能廣泛為人們所采用。所謂單純形是指變量空間內最簡單的規(guī)則形體。單純形法的尋優(yōu)原理可以用右圖表示：,4.2 控制系統的優(yōu)化設計,（三）目標函數的選取,,對于下圖所示的控制系統，參數的優(yōu)化設計常用的目標函數有IAE準則、ISE準則、ITAE準則、ITSE準則、ISTAE準則、ISTSE準則。這些目標函數對于同一個優(yōu)化問題，其優(yōu)化結果是不相同的，使控制系統所具有的動態(tài)性能也是不一樣的（如快速性、超調量等），其具體應用哪一種目標函數還需在實際應用中適當的加以選擇。,,4.2 控制系統的優(yōu)化設計,4.2 控制系統的優(yōu)化設計,（四）實際應用中的幾個問題,,優(yōu)化設計結果的有效性問題 局部最優(yōu)與全局最優(yōu)問題 尋優(yōu)速度問題 “在線”應用問題,,MATLAB 基于單純形法的無限定多變量優(yōu)化的應用函數 X=fminsearch(‘函數名’，初值,任選項),（五）優(yōu)化設計的MATLAB實現,步驟1 ：用SIMULINK建立仿真模型 根據目標函數構造模型，并用out圖元輸出 正確設定仿真參數 取名*.mdl存入工作目錄下,4.2 控制系統的優(yōu)化設計,4.2 控制系統的優(yōu)化設計,步驟2 ：MATLAB下建立優(yōu)化的目標函數 取名*optm.m存入工作目錄下,步驟3 ：MATLAB下建立優(yōu)化的主程序 初值為可以任意給 取名 *opt.m存入工作目錄下,步驟4 ：仿真運行 MATLAB命令窗下，鍵入 *opt.m 回車后便得到仿真結果,步驟5 ：時域曲線繪制 運行*.mdl(結果是用優(yōu)化過的參數),4.2 控制系統的優(yōu)化設計,例：對象傳遞函數 采用PI調節(jié)器，性能指標函數采用ITSE，即 ，試確定調節(jié)器參數kp,ki。 步驟1.建立仿真模型,步驟2 ：MATLAB下建立優(yōu)化的目標函數 function ss=optm(x) global kp; global ki; global i; kp=x(1); ki=x(2); i=i+1; [tt,xx,yy]=sim(‘*sim’,10,[]); %仿真時間10秒 yylong=length(yy); ss=yy(yylong);,4.2 控制系統的優(yōu)化設計,4.2 控制系統的優(yōu)化設計,步驟3 ：MATLAB下優(yōu)化的主程序 global kp; global ki; global i; i=1; result=fminsearch(*optm,[1 1]) % [1,1]是初值 步驟4 ：仿真運行 在MATLAB命令窗口鍵入主程序名enter,The end!,