控制系统建模与仿真的应用ppt课件.ppt

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1、第十四章控制系统建模与仿真的应用主要内容14.1数字PID控制器的仿真14.2一级倒立摆系统的控制与仿真14.3二级倒立摆系统的控制与仿真14.4双闭环调速系统的设计与仿真14.5过程控制系统的仿真14.1数字PID控制器的仿真连续系统中PID的控制规律为：将连续的微分方程化成离散的差分方程将积分项离散化将微分项离散化离散PID全量输出表达式14.1数字PID控制器的仿真PID增量算式例14.1.1设单位负反馈系统的开环传递函数为：试应用MATLAB设计数字PID控制器。方法一:采用零阶保持器

2、法离散化方法二:采用双线性变换法离散化14.2一级倒立摆系统的控制与仿真系统建模14.2一级倒立摆系统的控制与仿真摆杆绕其重心的转动方程摆杆重心的水平运动方程摆杆重心的垂直运动方程小车水平方向运动方程一级倒立摆系统的动力学模型14.2一级倒立摆系统的控制与仿真对系统进行线性化系统的简化模型精确模型14.2一级倒立摆系统的控制与仿真简化的模型一级摆立摆系统Simulink仿真结构图14.2一级倒立摆系统的控制与仿真Subsystem仿真结构图Subsystem1仿真结构图14.2一级倒立摆系统的控

3、制与仿真PID控制器设计及仿真双闭环PID控制器设计一级倒立摆系统位置伺服控制系统方框图14.2一级倒立摆系统的控制与仿真内环控制器的设计内环采用反馈校正进行控制控制器参数的整定14.2一级倒立摆系统的控制与仿真令内环控制器的传递函数为：内环控制系统的闭环传递函数为：外环控制器的设计外环系统前向通道的传递函数为：14.2一级倒立摆系统的控制与仿真外环系统结构图外环控制器采用PD形式，其传递函数为：14.2一级倒立摆系统的控制与仿真一级倒立摆双闭环控制系统的方框图14.2一级倒立摆系统的控制与仿真

4、系统仿真一级倒立摆双闭环控制系统Simulink仿真结构图例14.2.2对一级倒立摆双闭环控制系统进行仿真。14.2一级倒立摆系统的控制与仿真例14.2.3对一级倒立摆系统进行LQR控制器设计与仿真。LQR控制器设计及仿真一级倒立摆系统的状态空间模型系统的能控性判定系统的能观性判定14.2一级倒立摆系统的控制与仿真LQR控制设计K=-95.4861-22.3475-7.0711-12.5201系统仿真基于状态空间模型的系统Simulink结构图14.2一级倒立摆系统的控制与仿真基于精确模型的系统

5、Simulink结构图14.3二级倒立摆系统的控制与仿真将动坐标系建在摆杆1、摆杆2的质心处，利用拉格朗日方程得出二级倒立摆数学模型。二级倒立摆结构参数表二级倒立摆系统结构示意图系统动能系统建模14.3二级倒立摆系统的控制与仿真14.3二级倒立摆系统的控制与仿真系统总动能为：系统势能14.3二级倒立摆系统的控制与仿真拉格朗日算子14.3二级倒立摆系统的控制与仿真展开等式展开等式14.3二级倒立摆系统的控制与仿真线性化处理取平衡位置时各变量的初值为零，并进行泰勒级数展开得线性化方程为:14.3二级

6、倒立摆系统的控制与仿真状态方程14.3二级倒立摆系统的控制与仿真LQR控制器设计及仿真例14.3.1对二级倒立摆系统进行LQR控制器设计及仿真。1、确定系统的特征值2、判定能控和能观性3、确定反馈控制规律的向量K4、系统仿真二级倒立摆系统LQR控制Simulink仿真结构图F=2.2361106.6465-155.46205.17194.9639-24.5330系统是既能控又能观的。14.3二级倒立摆系统的控制与仿真数字再设计对于连续的控制对象设计数字控制器的方法：应用连续系统理论得到连续的控制

7、规律，然后再将控制规律离散化，用控制器实现；将连续的控制对象离散化，用离散控制理论设计控制器参数。对连续控制系统进行数字再设计，就是根据连续系统及相应的控制规律如何重新设计对应的离散系统及相应的离散控制规律的问题。设线性连续系统为：14.3二级倒立摆系统的控制与仿真连续系统离散化法设采样周期为T，将其离散化得离散系统法将开环系统离散化得14.3二级倒立摆系统的控制与仿真离散系统F(T)的Taylor展开法离散系统状态反馈矩阵F(T)的Taylor展开的一次近似为双线性变换法设计数字控制系统时，在

8、频域中用替换关系得到数字滤波器。在时域中采用双线性变换，即用梯形面积近似计算积分时，有代入闭环系统得14.3二级倒立摆系统的控制与仿真例14.3.2采用14.3.2节受控系统和LQR控制方式，设初始状态为在相同采样周期T下应用数字再设计方法对二级倒立摆系统进行仿真，其中T=0.013秒14.3二级倒立摆系统的控制与仿真T=0.07秒结论14.4双闭环调速系统的设计与仿真系统建模（1）电动机数学模型他励直流电动机的回路电压和转矩平衡的微分方程为：直流电机的动态结构图14.4双闭环调速系统的设计与仿