智能控制理論及應用 課件 第2章 控制系統(tǒng)設計引論

ZhejiangSci-TechUniversity1主要內容2.1引言：以水箱控制為例2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.3模糊控制系統(tǒng)設計第2章控制系統(tǒng)設計引論2.1引言：以水箱液位控制為例/01案例：水箱液位對象該水箱有一個進水口、一個出水口，其中進水口通過閥門VA調節(jié)進水量，出水口管道的大小固定不可調節(jié)。圖2-1水箱對象示意圖控制要求為：設定值上升時間超調量穩(wěn)態(tài)誤差第2章2.1引言：以水箱液位控制為例2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計/022.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計1.被控對象建模2.分析（1）時域分析呈現(xiàn)一階系統(tǒng)的典型特征，無超調和震蕩；通過選擇合適的控制量，液位基本穩(wěn)定在20cm；但上升時間太慢，大概為500s。第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.分析（2）開環(huán)零極點分析由于有唯一的負極點，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。同時，系統(tǒng)響應速度跟極點幅值大小有關，極點幅值越大，響應速度越快。第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.分析（3）頻域分析該伯德圖同樣展示出了典型一階對象的特性。bode(G_tank)第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計3.設計（1）根軌跡法設計圖2-5反饋控制系統(tǒng)結構框圖根軌跡圖顯示的是當增益從零變?yōu)闊o窮大時閉環(huán)極點的運動軌跡。結合性能指標要求，可知系統(tǒng)應滿足如下條件：第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計3.設計（1）根軌跡法設計繪制根軌跡圖：圖2-6根軌跡圖第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計3.設計（1）根軌跡法設計使用[Kp,poles]=rlocfind(G_tank)命令找到滿足性能指標的閉環(huán)極點的位置和對應的Kp值。運行rlocfind命令后，會看到一條提示，要求在根軌跡圖上選擇一個點。按照要求當我們在圖2-7中選中紅色“+”號所在位置后，可得到如下結果：Kp=57.4077；poles=-0.3236。第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計3.設計（1）根軌跡法設計之后，將得到的Kp值代入閉環(huán)傳函，觀察閉環(huán)系統(tǒng)的響應曲線。此時，上升時間、超調量、穩(wěn)態(tài)誤差均滿足要求。第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計（2）PID控制器設計PID在MATLAB中可以通過調用函數(shù)pid(Kp,Ki,Kd)實現(xiàn)首先加入比例作用第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計（2）PID控制器設計隨著Kp增大，控制系統(tǒng)滿足了設定的性能要求。對于其他復雜系統(tǒng)，或者性能要求比較高的場合，可能需要加入積分進一步減小穩(wěn)態(tài)誤差，或加入微分作用提高動態(tài)過程的穩(wěn)定性。第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計（3）基于頻域法的設計（伯德圖）首先繪制水箱對象的伯德圖bode(G_tank)第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計（3）基于頻域法的設計（伯德圖）第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計（3）基于頻域法的設計（伯德圖）第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計2.3模糊控制系統(tǒng)設計/032.3水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計第2章2.3模糊控制系統(tǒng)設計模糊控制是一種無需對被控對象進行建模，完全基于專家經(jīng)驗的智能控制方法，它將專家經(jīng)驗轉換為計算機可以執(zhí)行的規(guī)則，讓計算機代替專家智能地完成控制任務。讓我們來操控閥門VA當h<H，開大閥門VA來增加進水量使當前液位上升，并且液位低得越多，閥門VA開得越大；當h>H，關小進水口閥門VA來減少進水量以使當前液位下降，并且液位高得越多，閥門VA關得越?。划攈=H，則可以保持當前閥門VA的開度不變。2.3水箱液位模糊控制系統(tǒng)設計代表入口閥