《控制系統(tǒng)設計》PPT課件.ppt

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第4章 控制系統(tǒng)設計,在實際工程控制中，往往需要設計一個系統(tǒng)并選擇適當的參數以滿足性能指標的要求，或對原有系統(tǒng)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(tǒng)能夠全面滿足性能指標的要求，此類問題就稱為系統(tǒng)校正與綜合，或稱為系統(tǒng)設計。 系統(tǒng)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(lián)校正、反饋（并聯(lián)）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(tǒng)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(tǒng)工具箱通過簡單的編程，可以完成系統(tǒng)的設計，但對于不太熟悉MATLAB的用戶有一定的困難。 SISO系統(tǒng)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(tǒng)的設計。,4.1 SISO Design Tool——簡介,,,控制系統(tǒng)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(tǒng)設計對象模型。 【Export】—保存設計完成后的系統(tǒng)對象模型。 【Save Session】—保存設計工作環(huán)境（包括對系統(tǒng)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(tǒng)參數限制區(qū)域（根據所選擇曲線的不同，系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)進行設計，主要對離散控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)分析,3、SISO Design Tool系統(tǒng)設計,4.1 SISO Design Tool——舉例,4.2 控制系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)化設計,4.2 控制系統(tǒng)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(xiàn),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(tǒng)的優(yōu)化設計,4.2 控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)化設計,4.2 控制系統(tǒng)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!,