控制系统数字仿真与CAD第3版 张晓华5、数字仿真技术的综合应用.ppt

Page1,第五章 数字仿真技术的综合应用,,Email: zxhhit@ Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology,张晓华 教授,Page2,目录,,1. 直流电动机双闭环调速系统设计,2. 数字PID调节器的鲁棒性设计方法,3. 水箱系统液位控制的仿真研究,4. 一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制方案,,Page3,目录,,1.1 双闭环V-M系统的目的,1.2 积分调节器的饱和非线性问题,1.3 ASR与ACR的工程设计问题,1.4 双闭环V-M调速系统的动态分析,1.直流电动机双闭环调速系统设计,Page4,1.1 双闭环V-M系统的目的,,(1) 起动的快速性,(2) 提高系统抗扰性能,,系统结构图,理想电机起动特性,负载抗扰特性,Page5,1.2 积分调节器的饱和非线性问题,,结论：,只要偏差e(t)存在，则输出U就 增加； 当e(t)=0时，U=常数； 控制系统前向通道含有积分环节， 给定作用下，输出一定有超调；,具有积分控制作用的系统结构,Page6,1.3 ASR与ACR的工程设计问题,,对于双闭环V-M调速系统，电流环按典型I型系统设计，转速环按典型II型系统设计,典型I型系统,典型II型系统,跟随性能好,抗扰性能好,Page7,1.3 ASR与ACR的工程设计问题,,电流调节器,转速调节器,系统动态性能：电机起动过程中，电流超调量为4.3%，转速超调量为8.3%,Page8,1.3 ASR与ACR的工程设计问题,,双闭环调速系统动态结构图（仿真）,,Page9,1.4 双闭环V-M调速系统的动态分析,,(1)起动特性分析,ASR从起动到稳速，经历了饱和限幅与线性调节两个状态 ACR从起动到稳速，只经历线性调节状态,ASR输出特性,ACR输出特性,电流特性,Page10,(2)抗扰性能分析,负载突变,电网电压波动,1.4 双闭环V-M调速系统的动态分析,,Page11,1.4 双闭环V-M调速系统的动态分析,,(3)存在问题分析,仿真结果与理论设计具有一定的差距； 系统还未调到最佳状态； 在实际装置上应用，与理论设计的分析相差很大；,Page12,目录,,2.1 数字PID调节器的鲁棒性设计,2.2 “高精度齿轮量仪”位置伺服系统控制器设计,2.数字PID调节器的鲁棒性设计方法,Page13,2.1 数字PID调节器的鲁棒性设计,,问题：,PID调节器实际应用中，参数整定困难；,原则：,1985年，Cs.Banyasz等提出“数字PID调节器的鲁棒性设计方法”，原则为使系统稳定裕度最佳；,设计：,被控对象的数学描述：,其中,Page14,2.1 数字PID调节器的鲁棒性设计,,设计的控制器结构为：,其中,使得G、F项和A、B项完全对消，控制系统结构将大为 简化。

Page15,2.1 数字PID调节器的鲁棒性设计,,1)当对象为开环稳定的最小相位系统,系统闭环传递函数简化为：,结论：对于开环稳定的最小相位系统，伺服系统控制器可 设计成零极点对消的形式，通过控制器参数的适当选择， 可使系统具有最小拍的跟踪特性Page16,2.1 数字PID调节器的鲁棒性设计,,1)当对象为非最小相位系统，不能进行零极点对消；,系统闭环传递函数简化为：,可见，闭环系统的极点分布与 有关；d大小取决于被 控对象的滞后步数，对于伺服系统一般d=1设 选择 k值，使系统闭环传递函数的范数为1，有,Page17,2.1 数字PID调节器的鲁棒性设计,,选择x值，使超前相位角为 ，即有非线性方程,控制器参数设计的迭代法： 1）取迭代方程为： 2）由已知r值及迭代得到x值，计算k值 3）由 可解得 ，由假设条件得到：,至此，完成了伺服系统控制器的设计，也成为经验的鲁棒性设计方法一般可以使系统具有较小的超调量和较短的过渡过程等性能Page18,2.2 “高精度齿轮量仪”位置伺服控制器设计,,简介 “高精度齿轮量仪”电控系统的核心是一双轴联动的位置伺服系统，其中主轴电动机直接驱动被测齿轮这一负载。

要求电控系统的控制器具有使系统动态响应快（无震荡）、鲁棒性好，这里采用PID调解器对象数学模型,脉冲传递函数,可见控制对象为：二阶、一步滞后系统，对于最小相位系统，可得 控制器结构为：,Page19,2.2 “高精度齿轮量仪”位置伺服控制器设计,,对于非最小相位系统，控制器结构为：,Page20,2.2 “高精度齿轮量仪”位置伺服控制器设计,,仿真结果：,a) 最小相位系统 b) 非最小相位系统,仿真结果表明：对于模型参数已知的位置伺服系统，所设计的控制器是满足系统要求的，而且具有较好的定位控制性能Page21,目录,,3.1 系统建模,3.2 数字仿真,3.水箱系统液位控制的仿真研究,3.2 结果分析,Page22,3.1 系统建模,,水箱系统的数学模型,水箱系统液位控制原理,Page23,采用Simulink仿真实验，外部干扰在t=100s时由0.01增到0.05，采用PID算法P算法,PI算法,3.2 数字仿真,,Page24,采用P调节规律，液位控制存在稳态偏差，且随干扰量增大而增大；,3.3 结果分析,,采用PI调节规律，消除了稳态偏差；,Page25,目录,,4.1 模糊理论简介,4.2 一阶倒立摆系统的双闭环控制设计,4.一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制方案,4.3 仿真实验,4.4 结论,Page26,4.1 模糊理论简介,,模糊集合与隶属函数 模糊逻辑操作 模糊规则与模糊推理 模糊推理系统 1）知识库 2）推理机制 3）模糊器 4）反模糊器,,模糊推理系统结构图,Page27,1）问题的提出,“维数灾难”或“规则爆炸”问题,4.2 一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制设计,,2）解决方案——双闭环模糊控制系统,,内环：角度控制环节 外环：速度控制环节,单一模糊控制系统结构图,Page28,3）模糊控制器设计,隶属函数的定义,4.2 一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制设计,,内环,外环,Page29,模糊控制规则,4.2 一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制设计,,内环模糊控制规则表,外环模糊控制规则表,Page30,解模糊：将由模糊控制算法得到的模糊控制输出语言值，依据输出量隶属函数和解模糊规则转换成对应的精确化输出量。

重心法,4.2 一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制设计,,内环解模糊运算公式,外环解模糊运算公式,,,Page31,4.3 仿真实验,,MATLAB模糊逻辑工具箱,FIS编辑器图形界面,,Page32,4.3 仿真实验,,MATLAB模糊逻辑工具箱,隶属函数编辑器,,Page33,4.3 仿真实验,,MATLAB模糊逻辑工具箱,模糊规则编辑器,,Page34,4.3 仿真实验,,一阶倒立摆系统数字仿真模型的建立,SIMULINK仿真模型,Page35,4.3 仿真实验,,一阶倒立摆系统数字仿真模型的建立,差分模块子系统的内部结构,采用差分计算代替微分模块： 减少系统仿真时间； 与实物实验的一致性；,Page36,4.3 仿真实验,,一阶倒立摆系统数字仿真模型的建立,仿真实验结果（初始位置为原点，位置给定0.1m）,控制系统的参数、规则等选择不是唯一的，可以通过反复试验和经验知识来寻求满足系统性能要求的具体控制参数,Page37,4.3 仿真实验,,一阶倒立摆系统数字仿真模型的建立,仿真实验结果（修改对象模型参数，验证控制系统鲁棒性）,小车质量：0.6Kg 摆杆质量：0.17Kg 摆杆长度：0.42m,Page38,4.3 仿真实验,,一阶倒立摆系统数字仿真模型的建立,仿真实验结果（修改对象模型参数，验证控制系统鲁棒性）,小车质量：0.6Kg 摆杆质量：0.085Kg 摆杆长度：0.84m,Page39,4.3 仿真实验,,一阶倒立摆系统数字仿真模型的建立,仿真实验结果（修改对象模型参数，验证控制系统鲁棒性）,小车质量：0.6Kg 摆杆质量：0.25Kg 摆杆长度：1.2m,Page40,4.4 结论,,双闭环模糊控制方案能有效控制一阶倒立摆系统的稳定，并且实现小车的有效定位，而且，双闭环结构使得系统的控制规则和执行时间大幅减少，大大降低了系统的设计和实现难度。

仿真试验表明：一阶倒立摆系统的双闭环模糊控制方案具有较 强鲁棒性 本节内容对一类有多个反馈量、非线性、自不稳定的系统的控制问题有一定的参考价值Page41,谢谢！,。