第6章重點說明

2021-05-14 14:53:59 字數 3608 閱讀 9745

(1)首先應注意掌握狀態反饋的基本結構和基本特性。要清楚地記住通過全狀態反饋可以任意配置閉環系統極點和所應滿足的充要條件,但全狀態反饋可能改變閉環系統的可觀性,並且不能配置系統零點。

(2)掌握單輸入單輸出系統全狀態反饋的極點配置設計方法。極點配置法的基本思想是,由系統效能要求確定閉環系統的期望極點位置,然後依據期望的極點位置確定反饋增益矩陣k。

對於單輸入n階系統可以唯一地確定n個反饋增益。對於低階系統利用特徵方程係數匹配方法進行求解;對於一般系統可以使用ackermann公式求解, ackermann公式是建立在可控標準型基礎上的一種計算反饋陣k的方法,對於高階系統,便於用計算機求解。

在使用極點配置法時應注意工程應用時的一些問題。原理上是可以任意配置極點,使系統有極好的響應,但這必然要求有較大的反饋增益,從而帶來工程上難以實現的困難。

3)狀態觀測器的設計

採用全狀態反饋在實際中是困難的、不必要的,也是不經濟的,通常要利用可測輸出,利用狀態觀測器估計系統狀態。本節應注意掌握如下幾點:

(1)要了解利用狀態觀測器估計系統狀態的基本出發點是建立被觀測系統的狀態方程的數學模型,利用與被觀測系統相同的輸入激勵該數學模型產生相應的狀態作為被觀測系統的狀態,這就是開環觀測的基本思想。由於觀測器是被觀測系統的數學模型,其初始狀態及所受擾動難於與真實系統一致,會帶來很大的誤差,因此,實際可用觀測器只能採用帶修正的閉環觀測的數學模型。

(2)掌握開環觀測器和閉環觀測器的主要區別和特點,注意掌握全階**觀測器、現今值觀測器和降階觀測器等不同型別的離散系統狀態觀測器的區別和設計方法。與連續系統不同,離散系統的全階觀測器分為**與現今值觀測器,要了解兩者的差別,此外,特別應注意降維觀測器的設計和應用,工程上降維觀測器比全階觀測器應用更為普遍.

(3) 觀測器系統中由於各種原因總會產生觀測誤差,因此要清楚了解產生觀測誤差的原因,並合理地選擇觀測增益以減少觀測誤差和加快觀測誤差的收斂速度。

4) 控制律與觀測器組合系統的調節器設計

通過狀態反饋設計獲得了反饋增益,可保證有期望的特性,通過觀測器設葉可獲得反饋所需要的狀態,兩者組合起來構成乙個完全的控制器(或調節器),因此必須研究兩者組合後的主要特徵,注意掌握如下問題:

(1) 掌握全狀態反饋控制律與狀態觀測器組合以後,構成控制系統數學模型的方法。

(2)掌握組合以後構成的控制系統主要特徵,即組合系統的特徵方程是由原狀態反饋控制所形成的閉環系統的特徵方程與狀態觀測器特徵方程的乘積組成,因此形成了調節器設計的分離原理,即控制規律與觀測器可以分開單獨設計,組合後各自的極點不變。但系統加入狀態觀測器後, 組合系統的特性將有變化,受觀測器特性影響。

(3)觀測器與控制規律組合起來,構成控制器, 掌握系統的控制器設計方法,特別是為了減少觀測器動態對系統的影響,要了解和掌握設計時狀態反饋控制律及觀測器極點的選擇原則。

5) 根據教學大綱的要求,下述內容為理解和一般了解的內容,不參與最終的考核,在學時允許的條件下,教師將作簡要介紹,學生也可以根據自己的條件自學。

(1) 多輸入離散系統狀態反饋極點配置設計

理解多輸入離散系統全狀態反饋的極點配置設計方法,了解單輸入系統狀態反饋增益陣可以由閉環特徵值要求唯一確定。而對於多輸入系統,狀態反饋增益陣則不能由閉環系統的特徵值要求位置確定,必須附加其他條件。事實上,對於多輸入多輸出系統,一般不再使用單純的極點配置方法設計,而常用如特徵結構配置、自適應控制、最優控制等現代多變數控制方法設計。

(2) 計算機控制系統最優二次型設計

與極點配置方法不同,最優控制是尋求一種最優控制策略,使某一效能指標最佳,這種效能指標常以對狀態及控制作用的二次型積分表示,通常稱為二次型最優控制。理解離散最優二次型設計方法以及計算機控制系統相對應的取樣系統最優二次型設計的概念及基本的設計思路,理解無限時間離散二次型最優調節器設計方法、取樣系統二次型最優調節器設計方法以及離散最優二次型調節器設計方法。

(3) 模糊邏輯控制器設計

了解模糊集合、模糊關係及模糊推理等模糊數學的基本知識,了解模糊控制器的基本結構、模糊控制規則的主要形式、模糊控制器主要種類及模糊控制器主要設計方法。

(4) 神經網路控制器設計

了解神經網路主要型別及學習演算法,了解神經網路控制器的主要結構,了解基於神經網路的系統辨識和基於神經網路的自動控制等不同型別和形式的神經網路控制方法。

(5) 專家控制器設計

了解基於領域專家知識、經驗和推理的專家控制系統的結構和基本原理,了解專家控制的分類及設計方法。

(6) 組合智慧型控制器設計

了解將專家系統技術、神經網路技術及模糊控制技術等方法相結合而形成的組合智慧型控制系統基本原理和設計方法,重點了解神經模糊系統基本原理及學習演算法,掌握神經模糊控制系統設計原理及方法。

2 重點與難點問題說明

1) 關於隱含振盪的進一步說明

如教材6.2.4節所述,乙個環節在一定取樣週期時離散,發生零極點對消使原連續環節的某些振盪模態,由於取樣作用失去可觀性,在取樣輸出中沒有反映這些模態的行為,但在取樣間隔中卻有反映,形成取樣間的隱含振盪。

如果改變取樣週期,消除零極點對消就可解決這種現象。除了這種情況外,另外一種情況是,如果被控過程有阻尼很差的零點,該零點被所選控制器極點對消,此時閉環系統的輸出將會出現隱含振盪.例如,若被控過程為:

,若取控制器,被控過程的振盪零點(z+1)被對消.此時閉環傳遞函式為

系統響應如圖6-1所示,從中可見,由於閉環極點位於z=0,單位階躍響應乙個取樣週期結束,之後各取樣值不變(取樣週期t=1s),但**表明,取樣間隔內連續響應振盪。如果取控制器為,與被控過程不產生零極點對消,此時閉環傳遞函式為:

系統響應如圖6-2所示,從中可見,由於閉環雙極點位於z=0,單位階躍響應兩個取樣週期結束,之後各取樣值不變,且取樣間隔內連續響應無振盪。

圖6-1 有零極點對消圖6-2 無零極點對消

2) 在狀態反饋極點配置設計時常常可以選取期望極點位於z平面原點,從而使系統調節時間最短。 如例6-8所示系統,若期望極點為,即式(6-6)中,由此可得反饋增益,可見系統反饋增益僅與取樣週期有關,且取樣週期越小增益越大,系統響應越快,眾所周知,此時要求系統控制能量增大,因此受系統能量限制,取樣週期不能過小,必須要考慮控制幅值的限制。

3)採用狀態反饋(或加入有觀測器)所形成的系統可以實現所要求的期望動態響應,但並不能保證控制輸入的靜態比例關係,為了實現所要求的靜態比例關係,一種簡單方法是在狀態反饋(或加入有觀測器)所形成的系統之外串接乙個常數增益,並依據給定的穩態值要求和終值定理求得。

例如例6-13所示由狀態反饋控制律及降維觀測器組成的系統,簡化如圖6-3(a)所示。若以r(t)為輸入,c(t)為輸出,則閉環傳遞函式為:

其穩態值為

系統**如圖6-4所示,其單位響應的穩態值為0.305值。為使單位階躍響應的穩態值為1,可以在輸入端引入常數增益,如圖6-3(b)所示,此時單位階躍響應**曲線如圖6-5所示。

教材6.5節圖6-15(a)的階躍響應值即為加入上述增益所得。

ab)圖6-3例6-13系統結構圖

圖6-4 輸入端未加入增益圖6-5 輸入端加入增益

時**曲線時**曲線

4)本教材在6.5節討論調節器設計,它只解決了系統消除擾動以及驅動系統從初始狀態回零的動態響應問題,不能滿足指令輸入與系統輸出的穩態及動態要求。所以,還必須解決控制系統設計的另乙個問題-伺服跟蹤問題,它要求解決系統狀態或輸出如何跟蹤輸入訊號問題。

目前解決這個問題採用方法是,首先利用極點配置法解決調節器設計,然後適當引入系統增益及零點解決伺服器設計。

此外,在利用狀態反饋設計時如何保證系統要求的無靜差或如何消除外干擾的影響也是需要考慮的問題。

第3章重點說明

第3章計算機控制系統分析 學習重點說明 1本章學習要求與重點 本章重點介紹計算機控制系統的分析方法。依據自動控制原理,對乙個動態系統特性的分析方法包括系統的穩定性 動態特性和穩態精度等方面的分析,其中動態特性分析又包括時間響應 頻率特性和系統零極點分析,而穩態精度分析一般使用穩態誤差分析方法。對於乙...

第6章小結

定積分在幾何方面的應用小結 一 求平面圖形的面積 1 畫圖,找出所求圖形 2 適當地選取積分變數,例如,並確定其變化區間,設為 3 任取區間微元,得到面積元素 近似的部分量的表示式 4 以作為被積表示式,在上作定積分,則可得到所求面積 分類討論 一 直角座標情形 1 畫圖,找出所求圖形 2 適當地選...

總結 第6章

第6章微機儲存器系統 本章重點介紹兩部分內容,一是儲存器的內部結構 效能指標和如何選用儲存器組成高效的儲存系統 二是微型計算機常用的大規模積體電路隨機儲存器和唯讀儲存器以及與cpu的連線等。學習本章後要達到能設計指定容量的儲存系統。6 1 分析教材內容 6.1.1 分析重點 難點問題 1.儲存器的基...