matlab自动控制状态反馈 设计PID控制回路、保证控制效果

1、内容简介


36-可以交流、咨询、答疑

2、内容说明

控制理论报告

  1. 系统描述

已知系统的传递函数为

 ,以T=0.25s对系统采样,要求:

1)设计PID控制回路,能够实现闭环系统

 

,稳态误差在斜坡输入情况下为0。

  1. 理论分析

2.1 极点求解

已知闭环系统的性能要求为

 ,

,则系统的2个闭环极点为

 ,已知系统的稳态误差在斜坡输入情况下为0,则说明系统极点为

 。在本系统中,添加PID控制,同时由于本控制系统要求能够有4个极点,故需要添加一个积分项。系统的方框图如下 :

对于PID控制器,传递函数为

,整个系统的传递函数为:

 

即整个系统的传递函数为:

,在本文中,

,则整个系统的传递函数为:

根据已知的控制回路,绘制出在阶跃输入的情况下的系统响应。

为了使系统能够满足要求,故需要设置反馈,并配置极点,常用的有状态反馈和输出反馈。如果 SISO 线性定常系统完全能控,则可通过适当的状态反馈和输出反馈,将闭环系统极点配置到任意期望的位置。

2.2反馈方式

2.2.1 状态反馈

线性定常系统方程为:

假定有n 个传感器,使全部状态变量均可以用于反馈。

其中,K 

  反馈增益矩阵;V 为r 维输入向量。

则有

2.2.2输出反馈

采用

,H 为

 常数矩阵

得到:

两者比较:状态反馈效果较好;

                   输出反馈实现较方便。

MATLAB 提供的函数acker( )是用Ackermann 公式求解状态反馈阵K。该函数的调用格

式为K=acker(A,B,P)

其中A 和B 分别为系统矩阵和输入矩阵。P 是期望极点构成的向量。

MATLAB 提供的函数place( )也可求出状态反馈阵K。该函数的调用格式为K=place(A,B,P)

函数place( )还适用于多变量系统极点配置,但不适用含有多重期望极点的问题。函数acker( )不适用于多变量系统极点配置问题,但适用于含有多重期望极点问题

  1. 仿真分析

3.1 状态反馈

已知了传递函数为

,把传递函数转换为状态空间表达式,得到

在求反馈矩阵钱,需要判断系统是否可控、可观,其中

rank[B AB A2B A3B ]=

系统满秩,所以系统能控。

,系统具有能观性。

通过matlab计算反馈矩阵,得到

,系统的传递函数表达式为

,则系统满足要求。系统的阶跃响应如图所示。

在实际的系统中,系统通常会产生不确定的随机干扰信号,一个系统如果不能控制干扰信号,将会产生严重的误差,现在我们对设计的系统进行加入干扰信号以后的仿真。加入随机信号后,图形有一定的波动。

3.1 状态反馈

通过matlab计算反馈矩阵,得到

,系统的传递函数表达式为

,则系统满足要求。系统的阶跃响应如图所示。

加入随机信号后,图形出现波动,但影响不大。

4 采样周期影响

在实际中,信号不是连续,是离散的,根据不同的情况采用不同的采样周期,在本文中将研究采用周期对状态反馈的闭环系统的输出影响。

其中零阶保持器传递函数为

本文分析在采样周期为0.05s、0.15s、0.25s、0.35s、0.45s情况下的系统响应,结果如图所示。可以看出,采样周期的不同直接导致了结果的差异,不同的采样周期会导致不同的结果,采样周期越短,结果相对精确,但对系统的处理数据能力越强,花费时间相对较多。根据香农定理,系统的采样周期一般在研究的最大频率2倍以上。

设计总结

通过本论文我们可以得出,通过PID调节和状态/输出反馈可以进行极点配置,使其满足实际中对系统的要求。利用状态反馈或输出反馈使闭环系统的极点位于所希望的极点位置。用状态反馈实现闭环极点配置的充要条件是被控系统可控。状态反馈不改变系统的零点,只改变系统极点。引入状态反馈后,系统可控性不变,但可观测性不能保证。用输出反馈实现闭环极点配置的充要条件是被控系统可观测。输出反馈不改变系统的零点。引入输出反馈后,系统可观测性不变,但可控性不能保证。特性比对:

1. 静态反馈不增加系统动态特性。

2. 状态和输出反馈均可保持闭环系统的能控性。

3. 输出反馈保持闭环系统的能观性,但状态反馈不能。

4. 利用系统的信息多,所能达到的性能好。

通过matlab能够高效、快速的进行控制系统设计。在实际中,由于干扰信号不可避免,在simulink中加入随机信号进行模拟,与没有干扰信号额输出相对,曲线变化不大,相对稳定,系统稳定性较好。同时研究了采样周期对系统输出的影响,结果表明不同的采样周期会导致不同的结果,采样周期越短,结果相对精确,但对系统的处理数据能力越强,花费时间相对较多。

3、仿真分析

4、参考论文

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