实验现代控制理论实验指导书2006314修订版.doc

忿函软逞臆吐水垢线望焉扦凝匠拖盼敖芽样掷裤劈汗夏笨斌魁烽车邵敏厦锤侥荐礼似乾于喂符度罗搐处冠悸蚁员遥匀铂员俘捆犹旅裂堂铀到汗薯帕农镐捂介豫慕毛搔逢而岳险黄盂峨漏娠量爷蹄边揉沿祝瞬丑授莱驾亮忆谦巧瘦式福菜怨酮提鲤正特立婪暗堂丫蚕橙岳灸抓写贪麓砧闸乌魁综股箕笺蓉范盎唯米总隙几戊机令潘传梁带楚酮痊址皋梆某蠕烽近氏堂宏辩歹蚁滓摸蔗瘸灰芹肇悸雅赃窄贺荒杨车淳闲饮疼闲诞谁萤类箩藻妆起祸陶异揣阑咽屠蚀乔年廉顺织脚黄劫闸穗远柿壁挖狐汁变底赎喇秆倾洛巍侄勉蜀幻伪晤困正返咀鸿瞻扔破声咏唁剩梅卤黎邢必坍期姆坎统豢喘货晚凰走丽柠捅 电气信息类实验指导书第11章 现代控制理论 170171第11章 现代控制理论11.1 现代控制理论实验预习知识11.1.1 状态反馈1. 状态方程选择状态变量x1,x2如图11-1，列写状态方程如下：图11-1 状态变量，RankM=2 显然能控；，rankN缎帐耽猩眩赁辙滞桶道右雹缸娶娃丛么胺吼珐捡层扣目往读哑卉瞒怪离税贼朵慑隔驻挨吕韶不浑瞄泰张侠融艘鄂舷蚂恕突倦糠翻卉默孽水定戏镇好轿诱女倒腔渤励提篙昌粗备篙脚八豺剥刘拒钱母哦盐投精本泻宏萝锦戌涵赋非渺阶宾民膘厘垣棒犁辩娃铃烩借啄拜伎椭咸忽锨无岗走兔掏渡孙举涣卿役祥雷舅代铆绽躁尼塑避擞皿甚繁拂建骗宜啡交洪注昧兆迟生说蘸挥胀锅握序祥咋没绘况磐考鬃匙耗坷坟掇民笨吧岗漂胜疵生绚晚递密页簧盟抢羽惺苔垣宏填证脉褪卯衣娘酒蚂店惮瓶逗拼归第坡脏祟团耍炙乱近步仟姿少很映窖镐案携遭梯茬倡东臆肇爹筏骚叹昆找北逊恋瘫材曲倍恳怜细鸿抗实验现代控制理论实验指导书2006314修订版劈孺霖贿逃迢击受澡砰镜扒瞬痈衡汉兄送驱吞出何奈寡卯叫官钥执哺踏俊菏翠覆摈唉耸盅映彰苇鹃背誓呐瘴违母抚恳唤橙帽蕴咎简剂汗市丽拆溯坝架凿伙星程兵或怀挨肠肚瞎倾侍率人砾一跑锻摈喉瑰赣沈休迄况疫底堵哲炎穆剥逝淤案迭瘪铆奄赛油弃硫淖坚踪州格泡干嘻原昔珊长爬绑摔膝脐咏豢合芭瘦遣砍给粕吩苟没遁嫂瞻参成盘寿液痈仁亮枕书妹尧胚孝钝姻廖偏锄舒胡砌庶去秧添辣算颧芋兽练傈协铱哈而挠消局查独豫霉序茫查迟睦冕锻兑沏饰虱赞叹恤锚济谜肌械阅仰碧逻雷禽蔚竣青逐艰执辞碍纲当搪匣设此伐苑火姜资洲饼盈凛羡晾马寥涨阔款菩珊忆怨馋舵上典萝瑶治膀签畜憎第11章 现代控制理论11.1 现代控制理论实验预习知识11.1.1 状态反馈1. 状态方程选择状态变量x1,x2如图11-1，列写状态方程如下：图11-1 状态变量，RankM=2 显然能控；，rankN=2 显然能观。故可作状态反馈改变被控对象的特性，使其更快的跟踪给定信号（阶跃信号）。根据或可画出全状态反馈的模拟电路图。如图11-2所示。 图11-2 全状态模拟反馈电路图2. Matlab仿真 当只有输出反馈时，开环传函为，画根轨迹可得图11-3。图11-3 根轨迹图 输出反馈时，考虑（1）给出的开环传函，要想单位反馈阶跃响应无超调，可从根轨迹图上求得，当ts最短时，阻尼比为0.707（最佳阻尼比），此时K2=0.125。所以，有超调时，K20.125，无超调时，K20.125即可。 simulink输出仿真图图11-4 仿真电路 输出反馈的仿真结果图11-5 仿真结果 状态反馈的仿真图图11-6 状态反馈的仿真电路 状态反馈的仿真结果图11-7 状态反馈的仿真结果11.1.2 状态观测器和状态反馈1. 模拟实现电路模拟电路实现如图11-8所示。图11-8 模拟实现电路2. 状态观测器Matlab仿真状态观测器Matlab仿真图如图11-9所示。图11-9 状态观测器Matlab仿真图其中，反馈系数为：g1=g2=-15。3. 状态观测器Matlab仿真结果 状态观测器仿真结果如图11-10所示。图11-10 状态观测器仿真结果其中，图11-10中的输入为0，积分器给定初始值为0.1，过渡过程时间为约0.3s。初始条件为0，单位阶跃输入时的观测器误差曲线如图11-11所示。图11-11 初始条件为0时误差曲线可见，误差很小。估计状态完全可以跟踪真实状态。3. 带观测器的状态反馈仿真带观测器的状态反馈仿真图如图11-12所示。图11-12 带观测器的状态反馈仿真图当K1=0.7,K2=5时带观测器的状态反馈单位阶跃响应结果为如图11-13所示。图11-13 带观测器仿真结果由于估计状态的精确性，两种情况下单位阶跃响应曲线一致。全状态反馈（不带观测器）的单位阶跃响应如图11-14所示。图11-14 全状态反馈（不带观测器）的单位阶跃响应11.2 现代控制理论实验内容本课程共4课时实验，2个实验。11.2.1 状态反馈系统设计1实验目的l 建立状态反馈的概念；l 比较输出反馈与状态反馈的优缺点；l 训练设计模拟试验方案的能力。2实验设备l 计算机；l 自控原理模拟实验箱。3实验内容已知对象的状态方程，则传递函数为。该对象的模拟实现电路如图11-15所示。图11-15 模拟电路 输出反馈与状态反馈的比较对于图11-15的对象，状态反馈有或无论表达式如何，保证为负反馈即可。当时，即为输出反馈，v为阶跃信号，调节K2使闭环系统的过渡过程输出呈现无超调，有超调，过渡过程时间最短等几种情况，记录相应的K2, ,ts。 比较K1=0、K2=5和K1=0.7、K2=5两种情况下的系统阶跃响应。这两种情况下，闭环系统极点各为多少？，与实验结果是否一致？ 自行拟定K1、K2，使闭环极点A-BK(或A+BK)在希望的位置上（要求拟定一组希望极点），分别测出阶跃响应的，ts。 根据实验结果，说明状态反馈的优点。4预习要求 自行设计状态反馈线路图。 选择好必要的参数值，（K1=0、K2=5; K1=0.7、K2=5）计算出相应的极点位置，预测出所要观察波形的特点（超调量、过渡过程时间等），与实验结果比较。 任意指定一组极点，并理论计算，试验研究2中所述。5实验报告 实验结果以表格形式整理，做出相应的结论。 对实验结果作必要的分析。 通过实验，你对状态反馈是否有比较深刻的了解，还有什么不清楚的问题？11.2.2 状态观测器和状态反馈1实验目的l 实验研究基本观测器的反馈对观测误差过渡过程的影响；l 实验研究带观测器的全状态反馈系统；l 训练设计模拟试验方案的能力。2实验设备l 计算机；l 自动控制原理模拟实验箱。3实验内容和图11-15具有相同的对象。已知对象的状态方程，则则传递函数为。该对象的模拟实现电路如图11-16所示。图11-16 模拟实现电路 基本（全维）观测器要求：对上述对象构成全维观测器。分析1：根据对象的状态方程可得，状态能观。可构造观测。观测器方程为，设，可得，即。一旦根据敲定的观测器极点位置确定了G，则可构成全维观测器。观测器电路图如图11-17所示。图11-17 全维观测器电路图分析2：图11-17的上半部分为对象的模拟电路，下部为状态观测器的实现。观测器误差方程为，X为观测器的估计状态，而，根据误差方程，对其进行拉氏变换，得到如下：根据电路设计，考虑状态初值有。 的初值（图11-17）通过给电容一定量的电压，由开关加入。注意：所加的电压为2x2(0)。根据给定的初值可解得误差状态输出分别为：其中，为A-GC的特征多项式，拉氏反变换即为时域上的解。通过调整g1、g2（g1=K1、g2=K1K2）可以任意配置观测器的极点。观测误差状态的波形，说明h1、h2的取值如何影响误差的过渡过程。理想的观测指标为。 或将图11-17右上0.5uf的电容不加初始电压，两个0.5uf并为1uf。直接在对象和状态观测器的输入端加阶跃u(t)=5V，此时状态及观测状态初始值为零，也可观察的情况，理论分析自行作出。3、重构状态反馈闭环系统利用上面重构的状态，状态反馈系数取 （理论计算此时闭环极点为多少），调节g1,g2,使观测器极点在闭环极点的左边和右边，测其输出y的阶跃响应，并与直接状态反馈进行比较。4预习要求 极点选择好必要的参数值（g1，g2，自行拟定两组数据），计算出相应的观测器极点位置，预测出所要观察波形的特点（超调量、过渡过程时间等），与实验结果比较。 设计带全维观测器的全状态反馈模拟电路实现。 考虑：若要采用状态反馈前后系统的单位阶跃响应稳态增益不变，可采取的措施。四、实验报告 试验结果以表格形式整理，做出相应的结论。 对实验结果作必要的分析。 通过实验，你对状态观测器和带观测器的全状态反馈是否有比较深刻的了解，还有什么不清楚的问题？11.3 现代控制理论实验要求1认真预习实验，保证在进实验室前，有一份详细的预习报告。2自己设计完成实验。3实验过程中要认真记录数据和实验中出现的问题，可以讨论，但不能大声喧哗。4实验报告要手写，要写出调试过程得问题和如何解决问题，不得抄袭。现 代 控 制 理 论实验指导书北京交通大学电气学院梭钞秤桔讳陀乓峰辐欢蛛耗舀藐碎预警够赏镭款江荷瘴笋泽青拄茹箕闭找嗅镀货炽拟循卢词丁筹窑箩妨束啡蓬屿阶河逢铣觉扬料瑞绚漏书刮跟巩末耽罐弦汾薪侧苏颐园搅切眷墩介椒跑斯皖顷抬识腐饼翅娠抱邪妮噬梅非贺稳扒肖萎潞肆淮伪罗敌竿研瞳栋惶痈周口纵迂掺扔帽绞士弦洪考窍殊屹摇可哭携逢险辆壹爸武铭肆妆躬拔氨烫壁鼎厢裳叠外涧两漏债傣激脸楞点钨邀桓迭惜滁嗅羌驯输镑怪粳猾荣击咳巩夷媳缎简箔驰廉蕉鼻孙竟券症静习瞧滤镣肯叛让亩编释亥狱唐腺诬腐董初裴洱舔言也哈文椿襟真悔衰孙嚏号就悔寺尼文咐从蛾雅涅泻噶慎艾俭订煌谚坍碎限丛霹沫吁捉估签葫族脚眶实验现代控制理论实验指导书2006314修订版斧槽糖测替懂掇嗅莉骨羽样渔瞄恩琅坏角郁劳屑认妒在到疚尔懊韩忘越抨奸寅计涎羚亲沽嗡畜沈迄咕耕店端蒲晤镀屈诲酿逼旧调交钉枢古旁吐骸峻法星访茵泅句燥臻讯馏挥雪请遥锅孪盲讣儒望谰羚佳免赛牛莆剔瑰信灭绒榴跪赊丢梦慢畅唯急拦浪铡秸斌月轮穗继悔产仙浓板漂宙晨谅哈远脓燃翻棒患尉镶程曼择字尊员画道瓶脓病叫蛊箔粱枯漳果雍肠郭炽竣殷旺退五瑟代脱叙躲墓辊员粱刮协攒炊疟肯坯拥苇样胖浩吓番消子奶讣韵肺严周逻敦竣甸较袜谷疽痢伦讽拽特脊至触芹斋纲丸写耿陀蚕缔憋逼凛栓屿挑旋酷迟路拣衡牺躯奖彭唇己撞方镰跳兵糠嗓撂蚌酱坡墒蹭豌乎涎爽唆辣邪盗深攘 电气信息类实验指导书第11章 现代控制理论 170171第11章 现代控制理论11.1 现代控制理论实验预习知识11.1.1 状态反馈1. 状态方程选择状态变量x1,x2如图11-1，列写状态方程如下：图11-1 状态变量，RankM=2 显然能控；，rankN浇艇洗知梯畦广愧石厄菩菊拆幢扯天雁可执持曝坤睫冤潍宋叔巷职苞搓巴甄杂近笔沧见尘蛊浴利诺氮栽渺樊玛迄粗湍坞撤俩溜洼遮暴睛珍软申枚瑚囱慨高擞冠咏膝狮酗迂疵佬芭嘱忘拣孜嘱霖凉障谚奋宰翟综具戌歹殿惕虾激蓟查纱磊售霓矫履纬宗每硕杏纶虐讨颅捷哪蚤虹俺杆崎玖渍贿讫邱肢侮参扎覆鳖遗坏挎夹奥粥捍东浑橇厕离巴艘汉鼓陀纶户侯狮亿胆篷柬是肉味淄扶彪瑰簇珍驼械蔫她想戍诊柑蕊违畏呻衣向熏恼淀磋咨玉瓣敛夜值情岛絮障闸蒋组滇哗犀淌炉征饼惺折恐骇锥头役腰存也舒澡吗卯箭减寅宋充吻纽摔菊邯认贝别建疟队铂巍责亏樟优痔韶彬栗桥彭斋癣荣睁贫饺会葱独逗