《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 第5章》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 第5章（36頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 第 5章 現(xiàn) 代 控 制 技 術(shù)在 經(jīng) 典 控 制 理 論 中 ， 用 傳 遞 函 數(shù) 模 型 來 設(shè) 計(jì) 和 分 析單 輸 入 單 輸 出 系 統(tǒng) ， 但 傳 遞 函 數(shù) 模 型 只 能 反 映 出 系 統(tǒng) 的輸 出 變 量 與 輸 入 變 量 之 間 的 關(guān) 系 ， 而 不 能 了 解 到 系 統(tǒng) 內(nèi)部 的 變 化 情 況 。在 現(xiàn) 代 理 論 中 ， 用 狀 態(tài) 空 間 模 型 來 設(shè) 計(jì) 和 分 析 多 輸入 多 輸 出 系 統(tǒng) ， 便 于 計(jì) 算 機(jī) 求 解 ， 同 時(shí) 也 為 多 變 量 系 統(tǒng)的 分 析 研 究 提 供 了 有 力 的 工 具 。 國(guó)家
2、精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.1 采 用 狀 態(tài) 空 間 的 輸 出 反 饋 設(shè) 計(jì) 設(shè) 線 性 定 常 系 統(tǒng) 被 控 對(duì) 象 的 連 續(xù) 狀 態(tài) 方 程 為0t t 0(t) (t) (t) (t) (t )(t) (t)x Ax Bu x xy Cx 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)圖 5.1具 有 輸 出 反 饋 的 多 變 量 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 閉 環(huán) 結(jié) 構(gòu) 形 式 圖 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.1.1 連 續(xù) 狀 態(tài) 方 程 的 離 散 化 tt )t(0)tt( 00 d)(e)t(ex(t) Bux AA TkkT TkTAAT Budexex )1( )( )(
3、)()1( kkk )()( )()()1( kk kkk Cxy GuFxx T AAT BdeGeF 0, 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.1.2 最 少 拍 無 紋 波 系 統(tǒng) 的 跟 蹤 條 件 由 系 統(tǒng) 輸 出 方 程 可 知 ， y(t)以 最 少 的 N拍 跟 蹤 參 考 輸 入 r(t)， 必 須滿 足 條 件 0)()( rNCxNy 僅 按 上 式 設(shè) 計(jì) 的 系 統(tǒng) ， 將 是 有 紋 波 系 統(tǒng) ， 為 設(shè) 計(jì) 無 紋 波 系 統(tǒng) ， 還 必須 滿 足 條 件 0)( Nx 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.1.3 輸 出 反 饋 設(shè) 計(jì) 法 的 設(shè) 計(jì) 步 驟 1.將
4、 連 續(xù) 狀 態(tài) 方 程 進(jìn) 行 離 散 化 )()( )()()1( kk kkk Cxy GuFxx 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 2.求 滿 足 跟 蹤 條 件 和 附 加 條 件 的 U(z) 0)()()( NBuNAxNx 10 1 0)()(Nj jN BuGuAF Nj 01N1N 0k k 0Nk k1N 0k k0k k r1 )(P)(P r)(P)(P)(u)(U zzNzk zNzkzkz 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 3.求 取 誤 差 序 列 e(k) 的 Z變 換 E(z)()()()( 0 kkkk Cxryre 10 )1(0 )()( kj jk GuCFre
5、 jk 010 )1( )()( rGPCFIe kj jk jk Nk kNk kk k eeeE z)k(z)k(z)k()z( 100 10 010 )1(10 )()()( Nk kkj jkNk k rGPCFIeE zjzkz 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 4.求 控 制 器 的 脈 沖 傳 遞 函 數(shù) D(z)( )()( zzz EUD 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 舉 例二 階 單 輸 入 單 輸 出 系 統(tǒng) ， 其 狀 態(tài) 方 程 為 )()( )()()( tt ttt Cxy BuAxx 01 01A 01B 10C采 樣 周 期 T=1秒 ， 試 設(shè) 計(jì) 最 少 拍 無
6、紋 波 控 制 器 D(z)。 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.2 采 用 狀 態(tài) 空 間 的 極 點(diǎn) 配 置 設(shè) 計(jì) 法 在 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 除 了 使 用 輸 出 反 饋 控 制 外 ， 還較 多 地 使 用 狀 態(tài) 反 饋 控 制 ， 因 為 由 狀 態(tài) 輸 入 就 可 以 完 全 地確 定 系 統(tǒng) 的 未 來 行 為 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 典 型 結(jié) 構(gòu) ： 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)圖 5.4 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) (r(k)=0)中 控 制 器 的 結(jié) 構(gòu) 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.2.1 按 極 點(diǎn) 配 置 設(shè) 計(jì) 控 制 規(guī) 律 )()( kk
7、 Lxu 設(shè) 計(jì) 出 反 饋 控 制 規(guī) 律 L， 以 使 閉環(huán) 系 統(tǒng) 具 有 所 需 要 的 極 點(diǎn) 配 置 。 )()()1( kk xGLFx 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.2.2 按 極 點(diǎn) 配 置 設(shè) 計(jì) 狀 態(tài) 觀 測(cè) 器 設(shè) 計(jì) 狀 態(tài) 觀 測(cè) 器 ， 根 據(jù) 所 量 測(cè) 的 輸 出 y(k)和 u(k)重 構(gòu)全 部 狀 態(tài) 。 因 為 有 些 狀 態(tài) 無 法 量 測(cè) 。常 用 的 狀 態(tài) 觀 測(cè) 器 有 三 種 ： 預(yù) 報(bào) 觀 測(cè) 器 ， 現(xiàn) 時(shí)觀 測(cè) 器 和 降 階 觀 測(cè) 器 。常 用 的 觀 測(cè) 器 方 程 為 )()()()()1( kxykkk xCKGuxFx
8、國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 1.預(yù) 報(bào) 觀 測(cè) 器 設(shè) 計(jì) 觀 測(cè) 器 的 關(guān) 鍵 在 于 如 何 合 理 地 選 擇 觀 測(cè) 器 的 增益 矩 陣 K。 圖 5 6 預(yù) 報(bào) 觀 測(cè) 器 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) KCFI zz)(對(duì) 于 單 輸 入 單 輸 出 系 統(tǒng) ， 通 過 比 較 上 式 兩 邊 Z的 同 次冪 的 系 數(shù) ， 可 求 得 K中 n個(gè) 未 知 數(shù) 。 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 2 現(xiàn) 時(shí) 觀 測(cè) 器 )1(xC)1(yK)1(x)1(x )(Gu)(xF)1(x kkkk kkk狀 態(tài) 重 構(gòu) 誤 差 )1()1()1()()()1()1()1( kkkkkkkk
9、 xCCxKxGuFxxxx )k(xKCFF 0 KCFIz現(xiàn) 時(shí) 觀 測(cè) 器 狀 態(tài) 重 構(gòu) 誤 差 的 特 征 方 程 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 3 降 階 觀 測(cè) 器 所 能 量 測(cè) 到 的 y(k)中 ， 已 直 接 給 出 了 一 部 分 狀 態(tài) 變 量 ， 這 部 分 狀 態(tài)變 量 不 必 通 過 估 計(jì) 獲 得 。 因 此 ， 只 要 估 計(jì) 其 余 的 狀 態(tài) 變 量 就 可 以 了 ， 這種 階 數(shù) 低 于 全 階 的 觀 測(cè) 器 稱 為 降 階 觀 測(cè) 器 。 將 原 狀 態(tài) 向 量 分 成 兩 部 分 )( )()( kkk baxxx )()( )()1( )1(
10、kbakkkk uGGxxFF FFxx babbba abaaba 狀 態(tài) 方 程 )()()()1( )()()()1( kkakk kbkkk babaaaa ababbbb xFuGxFx uGxFxFx 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) abaaaa aba bbbF uGxFx uGxF FxCGuFx )k(a)k()1k( )k(b)k( )x()k(y )k( )k( )(xF)(uG)(xF)1(xK )(uG)(xF)(xF)1(x babaaaa ababbbb kkakk kbkkk )k()k()()1k()1k()1k( bbabbbbbb xxKFFxxx )()(
11、kbabbb xKFF 0z abbb KFFI 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) )()( )()()( tty ttt Cx BuAxx 00 10A 10B 01C 采 樣 周 其 為 T=0.1s， 要 求 確 定 K。 (1)設(shè) 計(jì) 預(yù) 報(bào) 觀 測(cè) 器 ， 并 將 觀 測(cè) 器 特 征 方 程 的 兩 個(gè) 極點(diǎn) 配 置 在 z1,2=0.2處 。 (2)設(shè) 計(jì) 現(xiàn) 時(shí) 預(yù) 測(cè) 器 ， 并 將 觀 測(cè) 器 特 征 方 程 的 兩 個(gè) 極點(diǎn) 配 置 在 z1,2=0.2處 。 (3)假 定 x1是 能 夠 量 測(cè) 的 狀 態(tài) ， x2是 需 要 估 計(jì) 的 狀 態(tài) ，設(shè) 計(jì) 降 階 觀 測(cè) 器
12、， 并 將 觀 測(cè) 器 特 征 方 程 的 極 點(diǎn) 配 置 在Z=0.2處 。 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.2.3 按 極 點(diǎn) 配 置 設(shè) 計(jì) 控 制 器 1.控 制 器 的 組 成 按 極 點(diǎn) 配 置 設(shè) 計(jì) 的 控 制 規(guī) 律 和 狀 態(tài) 觀 測(cè) 器 ， 這 兩 部 分 組 成了 狀 態(tài) 反 饋 控 制 器 . )()( )()()()()1( kku kykukk xL kxCKGxFx2.分 離 性 原 理 )()()()1( )()()1( kkk kkk xKCGLFKCxx xGLFxx )( )()1( )1( kkkk xxKCGLFKC GLFxx 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控
13、制技術(shù)KCGLFIGLFI GLGLFI KCGLFIKC GLFI KCGLFKC GLFI zzz zzz)z( KCFIGLFIKCFI GLGLFI zzzz 0 0)()( zz 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 的 2n個(gè) 極 點(diǎn) 由 兩 部 分 組 成 ： 一 部 分 是按 狀 態(tài) 反 饋 控 制 規(guī) 律 設(shè) 計(jì) 所 給 定 的 n個(gè) 控 制 極 點(diǎn) ； 另一 部 分 是 按 狀 態(tài) 觀 測(cè) 器 設(shè) 計(jì) 所 給 定 的 n個(gè) 觀 測(cè) 器 極 點(diǎn) ，這 就 是 “ 分 離 性 原 理 ” 。 根 據(jù) 這 一 原 理 ， 可 以 分 別設(shè) 計(jì) 系 統(tǒng) 的 控 制 規(guī) 律 和
14、 觀 測(cè) 器 ， 從 而 簡(jiǎn) 明 化 了 控 制器 的 設(shè) 計(jì) 。 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 3.狀 態(tài) 反 饋 控 制 器 的 設(shè) 計(jì) 步 驟 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 以 上 討 論 了 采 用 狀 態(tài) 反 饋 控 制 器 的 設(shè) 計(jì) ， 控 制 極 點(diǎn) 是 按閉 環(huán) 系 統(tǒng) 的 性 能 要 求 來 設(shè) 置 的 ， 因 而 控 制 極 點(diǎn) 成 為 整 個(gè) 系 統(tǒng)的 主 導(dǎo) 極 點(diǎn) 。 觀 測(cè) 器 極 點(diǎn) 的 設(shè) 置 應(yīng) 使 狀 態(tài) 重 構(gòu) 具 有 較 快 的 跟蹤 速 度 。 如 果 量 測(cè) 輸 出 中 無 大 的 誤 差 或 噪 聲 ， 則 可 考 慮 觀 測(cè)器 極 點(diǎn) 都 設(shè) 置
15、在 Z平 面 的 原 點(diǎn) 。 如 果 量 測(cè) 輸 出 中 含 有 較 大 的 誤差 或 噪 聲 ， 則 可 考 慮 按 觀 測(cè) 器 極 點(diǎn) 所 對(duì) 應(yīng) 的 衰 減 速 度 比 控 制極 點(diǎn) 對(duì) 應(yīng) 的 衰 減 速 度 快 約 4或 5倍 的 要 求 來 設(shè) 置 。 觀 測(cè) 器 的 類型 選 擇 應(yīng) 考 慮 以 下 兩 點(diǎn) ： (1)如 果 控 制 器 的 計(jì) 算 延 時(shí) 與 采 樣 周 期 處 于 同 一 數(shù) 量 級(jí) ，則 可 考 慮 選 用 預(yù) 報(bào) 觀 測(cè) 器 ， 否 則 可 用 現(xiàn) 時(shí) 觀 測(cè) 器 ； (2)如 果 量 測(cè) 輸 出 比 較 準(zhǔn) 確 ， 而 且 它 是 系 統(tǒng) 的 一 個(gè) 狀
16、 態(tài) ，則 可 考 慮 用 降 階 觀 測(cè) 器 ， 否 則 用 全 階 觀 測(cè) 器 。 4.觀 測(cè) 器 及 觀 測(cè) 器 類 型 選 擇 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.2.4 跟 蹤 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 按極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)的PI控制器 帶PI控制規(guī)律的跟蹤系統(tǒng) 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)帶PI控制和輸入順饋的跟蹤系統(tǒng) 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)帶觀測(cè)器及PI和順饋控制的跟蹤系統(tǒng) 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.3 采 用 狀 態(tài) 空 間 的 最 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 法 采 用 LQG最 優(yōu) 控 制 器 的 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) 如 下 圖 所 示 。 )0)( kr 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.3.1 LQ
17、最 優(yōu) 控 制 器 設(shè) 計(jì) NT TTT uQuxQxxQx 0 210 )()()()()()( dtttttNTNTJ )t()k( Lxu 1.問 題 的 描 述 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 2 二 次 型 性 能 指 標(biāo) 函 數(shù) 的 離 散 化 10 21210 )()()()(2)()()()( Nk TTTT uQuuQxxQxxQx kkkkkkNNJ其 中 T AttA QQ T0 11 dtee Bdt)de(e0 0112 T t AtA QQ T TQBQBQ T t At AT T 20 0102 dt)de()de( 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 3 最 優(yōu) 控 制 規(guī)
18、 律 計(jì) 算 )()()( kkk xLu TTT QFSGGSGQL 1212 )1()1()( kkk )()( )()()()1()()( 12121 2kk kkkkkk LQQLQ LQLGLFSGLFS TT TT 0)( QS N 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.3.2 狀 態(tài) 最 優(yōu) 估 計(jì) 器 設(shè) 計(jì)1.連 續(xù) 被 控 對(duì) 象 的 狀 態(tài) 方 程 的 離 散 化2.Kalman濾 波 公 式 的 推 導(dǎo)3.Kalman濾 波 增 益 矩 陣 的 計(jì) 算 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.3.3 LQG最 優(yōu) 控 制 器 設(shè) 計(jì) )()()( )()()()1( kwkCxky kvkGukFxkx d )1( kkx )1( kxF )1( kGu+ )1()()()1()( kkkkkkk xCyKxx )()()( kkk xLu 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 5.3.4 跟 蹤 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 國(guó)家精品課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 本 章 課 程 結(jié) 束 ， 謝 謝 ！
微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 第5章
