智能控制理論及應(yīng)用 課件 第2章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)引論

ZhejiangSci-TechUniversity1主要內(nèi)容2.1引言：以水箱控制為例2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.3模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第2章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)進(jìn)水口、一個(gè)出水口，其中進(jìn)水口通過閥門VA調(diào)節(jié)進(jìn)水量，出水口管道的大小固定不可調(diào)節(jié)。圖2-1水箱對象示意圖控制要求為：設(shè)定值上升時(shí)間超調(diào)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(shè)計(jì)/022.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.被控對象建模2.分析（1）時(shí)域分析呈現(xiàn)一階系統(tǒng)的典型特征，無超調(diào)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(shí)間太慢，大概為500s。第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.分析（2）開環(huán)零極點(diǎn)分析由于有唯一的負(fù)極點(diǎn)，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。同時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度跟極點(diǎn)幅值大小有關(guān)，極點(diǎn)幅值越大，響應(yīng)速度越快。第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.設(shè)計(jì)（1）根軌跡法設(shè)計(jì)圖2-5反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根軌跡圖顯示的是當(dāng)增益從零變?yōu)闊o窮大時(shí)閉環(huán)極點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。結(jié)合性能指標(biāo)要求，可知系統(tǒng)應(yīng)滿足如下條件：第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.設(shè)計(jì)（1）根軌跡法設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.設(shè)計(jì)（1）根軌跡法設(shè)計(jì)使用[Kp,poles]=rlocfind(G_tank)命令找到滿足性能指標(biāo)的閉環(huán)極點(diǎn)的位置和對應(yīng)的Kp值。運(yùn)行rlocfind命令后，會看到一條提示，要求在根軌跡圖上選擇一個(gè)點(diǎn)。按照要求當(dāng)我們在圖2-7中選中紅色“+”號所在位置后，可得到如下結(jié)果：Kp=57.4077；poles=-0.3236。第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.設(shè)計(jì)（1）根軌跡法設(shè)計(jì)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(yīng)曲線。此時(shí)，上升時(shí)間、超調(diào)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(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）PID控制器設(shè)計(jì)PID在MATLAB中可以通過調(diào)用函數(shù)pid(Kp,Ki,Kd)實(shí)現(xiàn)首先加入比例作用第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）PID控制器設(shè)計(jì)隨著Kp增大，控制系統(tǒng)滿足了設(shè)定的性能要求。對于其他復(fù)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(jìn)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(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）基于頻域法的設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）基于頻域法的設(shè)計(jì)（伯德圖）第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）基于頻域法的設(shè)計(jì)（伯德圖）第2章2.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.3模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)/032.3水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第2章2.3模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模糊控制是一種無需對被控對象進(jìn)行建模，完全基于專家經(jīng)驗(yàn)的智能控制方法，它將專家經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的規(guī)則，讓計(jì)算機(jī)代替專家智能地完成控制任務(wù)。讓我們來操控閥門VA當(dāng)h<H，開大閥門VA來增加進(jìn)水量使當(dāng)前液位上升，并且液位低得越多，閥門VA開得越大；當(dāng)h>H，關(guān)小進(jìn)水口閥門VA來減少進(jìn)水量以使當(dāng)前液位下降，并且液位高得越多，閥門VA關(guān)得越??；當(dāng)h=H，則可以保持當(dāng)前閥門VA的開度不變。2.3水箱液位模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)代表入口閥