控制系统数字仿真与CAD 第3版 教学课件 ppt 作者 张晓华 主编4_控制系统CAD 4、控制系统CAD
93页1、Page1,第四章 控制系统CAD,Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology,Page2,目录,1. 概述,2. 经典控制理论CAD,3. 基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计,4. 现代控制理论CAD,5. 基于时间最优控制的起重机防摆控制技术研究,Page3,1 概述,20世纪50年代,频域法在控制系统分析与设计中得到迅速的发展,而时域法相对处于停滞状态。这一时期,为了得到复杂系统在时域中的解,曾广泛采用模拟计算机仿真的方法; 20世纪60年代,数字计算机开始应用于控制系统的计算机辅助设计,并取得了许多建设性的成果; 20世纪70年代,开始出现了控制系统计算机辅助设计的软件包; 20世纪80年代,美国的Mathwork公司推出了MATLAB软件系统,它具有模块化的计算方法,可视化与智能化的人机交互功能,丰富的矩阵运算,图形绘制,数据处理函数,基于模块化图形组态的动态系统仿真工具SIMULINK等优秀软件,而且Mathwork公司密切注意科技发展的最新成果,及时地与不同领域的知名专家
2、合作,推出了许多控制系统CAD的“工具箱”,被人们誉为“巨人肩上的工具”。,Page4,目录,2.1 控制系统固有特性分析,2.2 控制系统的设计方法,2.经典控制理论CAD,2.3 控制系统的优化设计,Page5,2.1 控制系统固有特性分析,(一)时域分析:,利用时域分析方法,能够了解控制系统的动态性能,这可以通过系统在输入信号作用下的过渡过程来评判。SIMULINK非常适合于做系统的时域分析。可参考书中例5-1。,(二)频域分析:,以频率特性作为数学模型来分析、设计控制系统的方法称为频率特性法。它具有明确的物理意义,计算量较小,一般可采用作图方法或实验方法求出系统或元件的频率特性。可参考书中例5-2。,(三)根轨迹:,根轨迹是求解闭环系统特征根的非常简便的图解方法。由于控制系统的动态性能是由系统闭环零极点共同决定的,而控制系统的稳定性又是由闭环系统极点唯一确定。因此,在分析控制系统动态性能时,确定闭环系统的零极点在S平面上的位置就显得特别重要。可参考书中例5-3。,Page6,2.2 控制系统的设计方法,(一)超前校正:,超前校正会使系统的相角裕量增加,从而提高系统的相对稳定性,
3、致使闭环系统的频带扩宽。当然,系统频带的加宽也会带来一定的噪声信号,这是系统所不希望的。 在频域法中,采用伯德图进行设计是最常见的。其基本思想是:改变原有系统开环频率特性的形状,使其具有希望的低频增益、希望的增益穿越频率和充分的稳定裕量。为方便起见,常常选用如下形式的传递函数的校正装置:,例5-4 说明了超前校正的实现过程。,Page7,2.2 控制系统的设计方法,(二)滞后校正:,由于滞后校正装置给系统加入了滞后的相角,因而将会使得系统的动态稳定性变差。滞后校正可降低系统稳态误差,并使得闭环系统的带宽降低,从而使系统的动态响应速度变慢,这有利于减小外部噪声信号对系统的影响。例5-5 说明了滞后校正的实现过程。,(三)滞后-超前校正:,同时引入超前校正和滞后校正,可同时改善系统的动态性能与稳态性能,二者的优点得以发挥,而缺点又可以相互补偿。因此,在实际工作中,滞后-超前校正常被人们采用。例5-6 说明了滞后-超前校正的实现过程。,Page8,2.2 控制系统的设计方法,(四)反馈校正:,控制系统采用反馈校正,除了能够获得与串联校正相同的效果外,还可以赋予控制系统一些有利于改善系统控制性
4、能的特殊功能。例如,比例负反馈可以减小其所包围环节的惯性,从而扩展系统频带;负反馈可以减小原有系统参数变化对系统性能的影响;负反馈可以消除系统不可变部分中不希望的特性。例5-7 说明了反馈校正的实现过程。,Page9,2.3 控制系统的优化设计,(一)优化设计的几个概念,一般情况下,由于优化设计是相对某些具体设计要求或某一人为规定的优化指标来寻优的,所以优化设计所得结果往往是相对的最优方案。下图为优化设计的流程框图,优化设计包含设计变量、约束条件、目标函数、目标函数值的评定与权函数(罚函数)等几个基本概念。,Page10,2.3 控制系统的优化设计,(二)优化设计原理单纯形法,常见的优化方法有黄金分割法、单纯形法以及随机射线法,其中单纯形法以其概念清晰、实现便利等优良性能广泛为人们所采用。所谓单纯形是指变量空间内最简单的规则形体。单纯形法的寻优原理可以用右图表示:,Page11,2.3 控制系统的优化设计,(三)目标函数的选取,对于下图所示的控制系统,参数的优化设计常用的目标函数有IAE准则、ISE准则、ITAE准则、ITSE准则、ISTAE准则、ISTSE准则。这些目标函数对于同一个
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