《控制系统设计》PPT课件.ppt

第4章 控制系统设计,在实际工程控制中，往往需要设计一个系统并选择适当的参数以满足性能指标的要求，或对原有系统增加某些必要的元件或环节(称为控制器或校正装置)，使系统能够全面满足性能指标的要求，此类问题就称为系统校正与综合，或称为系统设计。 系统设计是一个反复试探的过程，需要许多经验的积累。 根据校正装置的特性，可分为超前校正装置、滞后校正装置和超前-滞后校正装置。 根据校正装置与被控对象的不同连接方式，可分为串联校正、反馈（并联）校正、前馈校正和干扰补偿等。,在命令窗口输入命令sisotool，即可进入SISO Design Tool主窗口。,4.1 SISO Design Tool简介,经典控制理论系统设计基本是“分析+画图”的试探方法，既繁琐又可能达不到预期的效果。MATLAB的控制系统工具箱通过简单的编程，可以完成系统的设计，但对于不太熟悉MATLAB的用户有一定的困难。 SISO系统设计工具(SISO Design Tool)是一个图形化的用户界面，很方便地完成单输入单输出系统的设计。,4.1 SISO Design Tool简介,控制系统结构,4.1 SISO Design Tool简介,编辑校正装置,4.1 SISO Design Tool简介,校正图形,4.1 SISO Design Tool简介,分析图形,4.1 SISO Design Tool简介,自动调制,4.1 SISO Design Tool简介,4.1 SISO Design Tool快捷工具栏,【Import】导入系统设计对象模型。 【Export】保存设计完成后的系统对象模型。 【Save Session】保存设计工作环境（包括对系统的各种改动），供后续工作使用。 【Load Session】调入设计工作环境，恢复保存时的状态。,4.1 SISO Design ToolFile菜单,【OpenLoop Nichols】对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。 【Prefilte Bode】对环节F伯德图编辑区进行设置。 上述4种设置均与单击右键的弹出菜单一致，主要内容包括增加/删除零极点、设置给定系统参数限制区域（根据所选择曲线的不同，系统参数限制区域也不同）并在对应的曲线图中给出区域标志、网络的显示选择、坐标范围的给定、曲线名称的修改、曲线坐标的放大与缩小。 【SISO Tool Preference】针对SISO Design Tool所涉及的图形属性进行设置，主要内容包括显示曲线的坐标单位、坐标字体、字号、网络、上升时间定义范围数学模型的表示方式等显示属性。,【Root Locus】对根轨迹曲线编辑区进行设置。 【OpenLoop Bode】对开环伯德图编辑区进行设置。,当窗口中出现前置滤波环节F伯德图编辑区和尼柯尔斯图编辑区后，【Edit】菜单中会出现下面两个选项：,4.1 SISO Design ToolEdit菜单,【Root Locus】显示/取消根轨迹图编辑区。 【OpenLoop Bode】显示/取消伯德图编辑区。 【OpenLoop Nichols】显示/取消尼柯尔斯图编辑区。 【Prefilter Bode】显示/取消环节F（前置滤波器环节）伯德图编辑区。 【System Data】显示环节G和环节H的传递函数。 【Closed-Loop Poles】显示闭环极点列表。 【Design History】显示设计过程历史纪录。,4.1 SISO Design ToolView菜单,【Response to Step Command】在弹出的图形窗口显示阶跃响应曲线。 【Rejection of Step Disurbance】在弹出的图形窗口显示对阶跃扰动的抑制曲线。 【Closed-Loop Bode】在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。 【Compensator Bode】在弹出的图形窗口中显示环节C的伯德图。 【Open-Loop Nyquist】在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。 【Other Loop Responses】选择所希望的各类显示曲线。,4.1 SISO Design ToolAnalysis菜单,4.1 SISO Design ToolTool菜单,【ContinuousDiscrete Conversions】对线性离散控制系统进行设计，主要对离散控制系统的采样时间、连续信号的离散化方法等进行设置。 【Draw Simulink Diagram】构造系统的Simulink仿真结构图。,1、在MATLAB命令窗口输入 sys=tf(60,30,1,9,17,10) sisotool,单击【File】【Import】导入数据,2、SISO Design Tool系统分析,3、SISO Design Tool系统设计,4.1 SISO Design Tool举例,4.2 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。,（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：,4.2 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优化问题，其优化结果是不相同的，使控制系统所具有的动态性能也是不一样的（如快速性、超调量等），其具体应用哪一种目标函数还需在实际应用中适当的加以选择。,4.2 控制系统的优化设计,4.2 控制系统的优化设计,（四）实际应用中的几个问题,优化设计结果的有效性问题 局部最优与全局最优问题 寻优速度问题 “在线”应用问题,MATLAB 基于单纯形法的无限定多变量优化的应用函数 X=fminsearch(函数名，初值,任选项),（五）优化设计的MATLAB实现,步骤1 ：用SIMULINK建立仿真模型 根据目标函数构造模型，并用out图元输出 正确设定仿真参数 取名*.mdl存入工作目录下,4.2 控制系统的优化设计,4.2 控制系统的优化设计,步骤2 ：MATLAB下建立优化的目标函数 取名*optm.m存入工作目录下,步骤3 ：MATLAB下建立优化的主程序 初值为可以任意给 取名 *opt.m存入工作目录下,步骤4 ：仿真运行 MATLAB命令窗下，键入 *opt.m 回车后便得到仿真结果,步骤5 ：时域曲线绘制 运行*.mdl(结果是用优化过的参数),4.2 控制系统的优化设计,例：对象传递函数 采用PI调节器，性能指标函数采用ITSE，即 ，试确定调节器参数kp,ki。 步骤1.建立仿真模型,步骤2 ：MATLAB下建立优化的目标函数 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,); %仿真时间10秒 yylong=length(yy); ss=yy(yylong);,4.2 控制系统的优化设计,4.2 控制系统的优化设计,步骤3 ：MATLAB下优化的主程序 global kp; global ki; global i; i=1; result=fminsearch(*optm,1 1) % 1,1是初值 步骤4 ：仿真运行 在MATLAB命令窗口键入主程序名enter,The end!,