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1、-計算機控制技術(shù) 課程設(shè)計學(xué)院:電 力 學(xué) 院專業(yè): 自 動 化班級: 2021 班: *: 2021指導(dǎo)教師:*俊紅華 北 水 利 水 電 學(xué) 院目 錄一、設(shè)計容1.1 對象模型1.2 設(shè)計目的1.3 設(shè)計要求二、設(shè)計方法及步驟 2.1 設(shè)計方法 2.2 設(shè)計具體步驟2.3 matlab仿真結(jié)果展示三、仿真設(shè)計程序四、心得體會控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計1.1【設(shè)計對象】系統(tǒng)的對象模型為:1.2【設(shè)計目的】A:試確定一個狀態(tài)負(fù)反應(yīng)陣K,使相對于單位陣階躍參考輸入的輸出過渡過程,滿足如下的期望指標(biāo):超調(diào)量<=20%,峰值時間<=0.4s。 B:如果系統(tǒng)的狀態(tài)變量在實際上無法測量,試確定一
2、個狀態(tài)觀測器全維狀態(tài)觀測器,使得通過基于狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反應(yīng),滿足上述期望的性能指標(biāo)。1.3【設(shè)計要求】1. 要求學(xué)生掌握當(dāng)Gcs設(shè)計好后如何將其變換為離散算法GcZ以及如何將GcZ轉(zhuǎn)換在計算機上可完成計算的迭代方程。2. 要求學(xué)生能掌握工業(yè)中常用的根本PID算法。3. 掌握一階向前,向后差分及雙線性變換離散化的具體做法及應(yīng)用場合。4. 熟悉PID兩種根本算法的計算公式:位置算法和增量算法。5. 熟練使用MATLAB軟件,掌握其仿真的方法、步驟及參數(shù)設(shè)置。6. 了解計算機控制系統(tǒng)的組成及相應(yīng)設(shè)備的選用等問題。二【設(shè)計方法及步驟】1、 利用Simulink進(jìn)展仿真,判斷是否滿足期望的性能指標(biāo)。系
3、統(tǒng)仿真方框圖如下:系統(tǒng)仿真結(jié)果如下:有圖可知,系統(tǒng)不滿足期望的性能指標(biāo),需要進(jìn)展配置。1.判斷系統(tǒng)的能控能觀性,確定系統(tǒng)是否能夠通過狀態(tài)反應(yīng)實現(xiàn)極點任意配置。能控性判別,能控性判別矩陣為系統(tǒng)的可控矩陣階數(shù)為3,為滿秩,則系統(tǒng)是能控的。2.由期望的性能指標(biāo)求出閉環(huán)系統(tǒng)的期望極點。第一步:由典型二階系統(tǒng)性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系,確定系統(tǒng)參數(shù),然后確定系統(tǒng)的主導(dǎo)極點和非主導(dǎo)極點。要求確定的主導(dǎo)極點使得閉環(huán)系統(tǒng)至少滿足前述性能指標(biāo)。由系統(tǒng)的性能指標(biāo):超調(diào)量<=20%,峰值時間<=0.4s??梢郧蟪?0.4559 Wn=8.82rad/s。因此可以選取=0.46 Wn=8.9rad/s。
4、可以求得:(s) =第二步:由系統(tǒng)的特征方程可以求出系統(tǒng)的特征根:可以令非主導(dǎo)極點為:確定狀態(tài)反應(yīng)矩陣:受控系統(tǒng)的特征方程為F(s)=;, ,=0;由期望的極點構(gòu)成的特征多項式:=7128.9所以狀態(tài)反應(yīng)矩陣為:K =3.確定輸入放大系數(shù)對應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:= 要求跟蹤階躍信號的誤差=0,有=0=所以L=7128.9對上面的初步結(jié)果,再用對跟蹤速度信號的誤差要求來驗證,即=0.115 所以L滿足要求。畫出對應(yīng)的能控規(guī)型的閉環(huán)系統(tǒng)方塊圖=其中可設(shè)對應(yīng)的規(guī)型狀態(tài)方程為:=+能控規(guī)型的閉環(huán)系統(tǒng)方框圖:系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下:3、配置狀態(tài)觀測器: 由于期望極點為:P=-6.3237+10.4720j,-
5、6.3237-10.4720j,-94.856;又由于希望觀測器的響應(yīng)要快于原系統(tǒng)的響應(yīng),配置狀態(tài)觀測器的極點應(yīng)盡量離原極點距離遠(yuǎn)一些,取的點為大于十倍距離。判斷系統(tǒng)的能觀性 由前可知系統(tǒng)能觀測,可以進(jìn)展配置。求狀態(tài)觀測器增益矩陣:L = 1.0e+005 * 3.2441 -0.0172求狀態(tài)觀測器設(shè)G=根據(jù)狀態(tài)觀測后的表達(dá)式寫出特征式,與配置極點的特征式進(jìn)展比擬,求出G =1.0e+002 *-0.2213 + 0.3665j -0.2213 - 0.3665j -1.4228 T繪制出帶狀態(tài)觀測器的狀態(tài)空間表達(dá)式如下列圖: 由上述圖運行結(jié)果可知,系統(tǒng)的階躍響應(yīng)比原系統(tǒng)有較快的響應(yīng),且滿足
6、所設(shè)定的條件,即所構(gòu)建的狀態(tài)觀測器是完全可行的,滿足題目要求。三仿真設(shè)計程序Num=1;Den=1 12 32 1;Tf(num,den)A,B,C,D=tf2ss(num,den);N=lengthA;Q=ctrbA,BN=rank(Q);If m=n Disp(system state variable can be totally controlled(系統(tǒng)可控) P=-4.1+j7.9,-4.1-j7.9,-90; K=acker(A,B,P)ElseEndS=size(A,1);Z=zeros(1,s)1;N=inv(A,B,C,D)*Z;N*=N(1:s);Nu=N(1+s);Nb
7、ar=Nu+K*N*At=A-B*KBt=B*NbarCt=CDt=Dstep(At,Bt,Ct,Dt);hold on;num=1;den=1 12 32 1;tf(num,den)A,B,C,D=tf2ss(num,den)n=length(A);Qo=obsv(A,C)m=rank(Qo);if m=n disp('system state variable can be totally controlled(系統(tǒng)可觀)') P=-10.5+7.85j -10.5-7.85j -100; K=acker(A,B,P);L=place(A',C',P)
8、9; else ends=size(A,1);Z=zeros(1,s) 1;N=inv(A,B;C,D)*Z'N*=N(1:s);Nu=N(1+s);Nbar=Nu+K*N*;At=A-B*K B*K zeros(size(A) A-L*C;Bt=B*Nbar zeros(size(B);Ct=C zeros(size(C);Dt=D;ss=sys(At,Bt,Ct,Dt);step(ss);hold on;grid;經(jīng)過程序的仿真運行,與所求的系統(tǒng)的運行結(jié)果如下:四心得體會課程設(shè)計是每一個大學(xué)生在大學(xué)生涯中都不可或缺的,它使我們在實踐中了穩(wěn)固了所學(xué)的知識、在實踐中鍛煉自己的動手能力;
9、實習(xí)又是對每一位大學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識的一種拓展手段,它讓我們學(xué)到了很多在課堂上根本就學(xué)不到的知識,不僅開闊了自己的視野,增戰(zhàn)了自己的見識,也為我們以后進(jìn)一步走向社會打下了堅實的根底,是我們走向以后走向工作崗位的奠基石。計算機控制技術(shù)是一門以電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)為根底,以計算機控制技術(shù)為核心,綜合可編程控制技術(shù)、單片機技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),從而實現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)的精細(xì)化、生產(chǎn)設(shè)備的信息化、生產(chǎn)過程的自動化及機電控制系統(tǒng)的最正確化的專門學(xué)科。計算機控制系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,不但國防、航空航天等高精尖學(xué)科必不可少的組成局部尖學(xué)科必不可少的組成局部,而且在現(xiàn)代化的工、農(nóng)、醫(yī)等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。計算機控制作為一門理論與實踐相結(jié)合并且具有極強的實用性的課程,其課程設(shè)計的重要性不言而喻,該次課程設(shè)計就顯得尤為重要。在*俊紅教師的帶
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