第4章 控制系统设计

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SISODesignTool主窗口。4.1SISODesignTool——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(SISODesignTool)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。4.1SISODesignTool——简介控制系统结构4.1SISODesignTool——简介编辑校正装置4.1SISODesignTool——简介校正图形4.1SISODesignTool——简介分析图形4.1SISODesignTool——简介自动调制4.1SISODesignTool——简介操作位置指示添加单极点添加单零点活动帮助指示添加共轭极点删除极点或零点添加共轭零点图形局部放大垂直坐标放大水平坐标放大复原放大图形4.1SISODesignTool——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。【SaveSession】—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。【LoadSession】—调入设计工作环境，恢复保存时的状态。4.1SISODesignTool——File菜单【OpenLoopNichols】—对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。【PrefilteBode】——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。【SISOToolPreference】—针对SISODesignTool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。【RootLocus】—对根轨迹曲线编辑区进行设置。【OpenLoopBode】—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：4.1SISODesignTool——Edit菜单【RootLocus】——显示/取消根轨迹图编辑区。【OpenLoopBode】—显示/取消伯德图编辑区。【OpenLoopNichols】—显示/取消尼柯尔斯图编辑区。【PrefilterBode】—显示/取消环节F（前置滤波器环节）伯德图编辑区。【SystemData】—显示环节G和环节H的传递函数。【Closed-LoopPoles】—显示闭环极点列表。【DesignHistory】—显示设计过程历史纪录。4.1SISODesignTool——View菜单【ResponsetoStepCommand】—在弹出的图形窗口显示阶跃响应曲线。【RejectionofStepDisurbance】—在弹出的图形窗口显示对阶跃扰动的抑制曲线。【Closed-LoopBode】—在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。【CompensatorBode】—在弹出的图形窗口中显示环节C的伯德图。【Open-LoopNyquist】—在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。【OtherLoopResponses】—选择所希望的各类显示曲线。4.1SISODesignTool——Analysis菜单4.1SISODesignTool——Tool菜单【Continuous／DiscreteConversions】—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。【DrawSimulinkDiagram】—构造系统的Simulink仿真结构图。设单位负反馈系统被控对象的传递函数为326030()91710sGssss应用SISODesignTool设计调节器()cGs，使系统的性能指标为1.0sts，10%p。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、SISODesignTool系统分析3、SISODesignTool系统设计4.1SISODesignTool——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sessG1101)(stdttteJ02)(步骤2：MATLAB下建立优化的目标函数functionss=optm(x)globalkp;globalki;globali;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globalkp;globalki;globali;i=1;result=fminsearch('*optm',[11])%[1,1]是初值步骤4：仿真运行在MATLAB命令窗口键入主程序名enterTheend!