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1、第4章 控制系统设计第1页，共26页，编辑于2022年，星期一 在在实实际际工工程程控控制制中中，往往往往需需要要设设计计一一个个系系统统并并选选择择适适当当的的参参数数以以满满足足性性能能指指标标的的要要求求，或或对对原原有有系系统统增增加加某某些些必必要要的的元元件件或或环环节节(称称为为控控制制器器或或校校正正装装置置)，使使系系统统能能够够全全面面满满足足性性能能指指标标的的要要求，此类问题就称为系统校正与综合，或称为系统设计。求，此类问题就称为系统校正与综合，或称为系统设计。系统设计是一个反复试探的过程，需要许多经验的积累。系统设计是一个反复试探的过程，需要许多经验的积累。根根据据校
2、校正正装装置置的的特特性性，可可分分为为超超前前校校正正装装置置、滞滞后后校校正正装装置置和和超超前前-滞后校正装置。滞后校正装置。根根据据校校正正装装置置与与被被控控对对象象的的不不同同连连接接方方式式，可可分分为为串串联联校校正正、反反馈馈（并联）校正、前馈校正和干扰补偿等。（并联）校正、前馈校正和干扰补偿等。第2页，共26页，编辑于2022年，星期一在命令窗口输入命令在命令窗口输入命令sisotoolsisotool，即可进入，即可进入SISO Design ToolSISO Design Tool主窗口。主窗口。4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design T
3、ool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool简介简介 经典控制理论系统设计基本是经典控制理论系统设计基本是“分析分析+画图画图”的试探方法，既繁的试探方法，既繁琐又可能达不到预期的效果。琐又可能达不到预期的效果。MATLABMATLAB的控制系统工具箱通过简单的控制系统工具箱通过简单的编程，可以完成系统的设计，但对于不太熟悉的编程，可以完成系统的设计，但对于不太熟悉MATLABMATLAB的用户有的用户有一定的困难。一定的困难。SISO SISO系统设计工具系统设计工具(SISO Design Tool)(SISO Design Tool)是一个图形化
4、的用户是一个图形化的用户界面，很方便地完成单输入单输出系统的设计。界面，很方便地完成单输入单输出系统的设计。第3页，共26页，编辑于2022年，星期一4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool简介简介控制系统结构控制系统结构第4页，共26页，编辑于2022年，星期一4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool简介简介第5页，共26页，编辑于2022年，星期一编辑校
5、正装置编辑校正装置4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool简介简介第6页，共26页，编辑于2022年，星期一校正图形校正图形4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool简介简介第7页，共26页，编辑于2022年，星期一分析图形分析图形4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool简介简介第8页，共26页，编辑于2022年，星期一自动调制自动调制4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Des
6、ign Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool简介简介第9页，共26页，编辑于2022年，星期一操作位置指示操作位置指示添加单极点添加单极点添加单零点添加单零点活动帮助指示活动帮助指示添加共轭极点添加共轭极点删除极点或零点删除极点或零点添加共轭零点添加共轭零点图形局部放大图形局部放大垂直坐标放大垂直坐标放大水平坐标放大水平坐标放大复原放大图形复原放大图形4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool快捷工具栏快捷工具栏第10页，共26页，编辑于2022年，星期一【ImportImport】导入系统设计对象模型。
7、导入系统设计对象模型。【ExportExport】保存设计完成后的系统对象模型。保存设计完成后的系统对象模型。【Save SessionSave Session】保存设计工作环境（包保存设计工作环境（包括对系统的各种改动），供后续工作使用。括对系统的各种改动），供后续工作使用。【Load SessionLoad Session】调入设计工作环境，调入设计工作环境，恢复保存时的状态。恢复保存时的状态。4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design ToolFileFileFileFile菜单菜
8、单第11页，共26页，编辑于2022年，星期一【OpenOpenLoop NicholsLoop Nichols】对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。对开环尼柯尔斯图编辑区进行设置。【Prefilte BodePrefilte Bode】对环节对环节F F伯德图编辑区进行设置。伯德图编辑区进行设置。上上述述4 4种种设设置置均均与与单单击击右右键键的的弹弹出出菜菜单单一一致致，主主要要内内容容包包括括增增加加/删删除除零零极极点点、设设置置给给定定系系统统参参数数限限制制区区域域（根根据据所所选选择择曲曲线线的的不不同同，系系统统参参数数限限制制区区域域也也不不同同）并并在在对对应应的的曲曲线线图
9、图中中给给出出区域标志、网络的显示选择、坐标范围的给定、曲线名称的修改、曲线坐标的放大与缩小。区域标志、网络的显示选择、坐标范围的给定、曲线名称的修改、曲线坐标的放大与缩小。【SISO SISO Tool Tool PreferencePreference】针针对对SISO SISO Design Design ToolTool所所涉涉及及的的图图形形属属性性进进行行设设置置，主主要要内内容容包包括括显显示示曲曲线线的的坐坐标标单单位位、坐坐标标字字体体、字字号号、网网络络、上上升升时时间间定定义义范范围围数数学学模模型型的的表表示示方方式等显示属性。式等显示属性。【Root LocusRoo
10、t Locus】对根轨迹曲线编辑区进行设置。对根轨迹曲线编辑区进行设置。【OpenOpenLoop BodeLoop Bode】对开环伯德图编辑区进行设置。对开环伯德图编辑区进行设置。当当窗窗口口中中出出现现前前置置滤滤波波环环节节F F伯伯德德图图编编辑辑区区和和尼尼柯柯尔尔斯斯图编辑区后，【图编辑区后，【EditEdit】菜单中会出现下面两个选项：】菜单中会出现下面两个选项：4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design ToolEditEdit菜单菜单第12页，共26页，编辑于2022年，星期一【Root LocusRoot Locus】显示显示/取消根轨迹图编辑
11、区。取消根轨迹图编辑区。【OpenOpenLoop BodeLoop Bode】显示显示/取消伯德图编辑区。取消伯德图编辑区。【OpenOpenLoop NicholsLoop Nichols】显示显示/取消尼柯尔斯图编辑区。取消尼柯尔斯图编辑区。【Prefilter Prefilter BodeBode】显显示示/取取消消环环节节F F（前前置置滤滤波波器器环环节节）伯伯德德图编辑区。图编辑区。【System DataSystem Data】显示环节显示环节G G和环节和环节H H的传递函数。的传递函数。【Closed-Loop PolesClosed-Loop Poles】显示闭环极点列表
12、。显示闭环极点列表。【Design HistoryDesign History】显示设计过程历史纪录。显示设计过程历史纪录。4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design ToolViewViewViewView菜单菜单第13页，共26页，编辑于2022年，星期一【Response to Step CommandResponse to Step Command】在弹出的图形窗口显示阶跃响应曲线。在弹出的图形窗口显示阶跃响应曲线。【Rejection Rejection of of Step
13、Step DisurbanceDisurbance】在在弹弹出出的的图图形形窗窗口口显显示示对对阶阶跃跃扰扰动动的的抑抑制制曲曲线。线。【Closed-Loop BodeClosed-Loop Bode】在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。在弹出的图形窗口中显示闭环系统伯德图。【Compensator BodeCompensator Bode】在弹出的图形窗口中显示环节在弹出的图形窗口中显示环节C C的伯德图。的伯德图。【Open-Loop NyquistOpen-Loop Nyquist】在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。在弹出的图形窗口中显示开环奈奎斯特图。【Other Loop R
14、esponsesOther Loop Responses】选择所希望的各类显示曲线。选择所希望的各类显示曲线。4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design ToolAnalysisAnalysis菜单菜单第14页，共26页，编辑于2022年，星期一4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design ToolToolTool菜单菜单【ContinuousContinuousDiscrete D
15、iscrete ConversionsConversions】对对线线性性离离散散控控制制系系统统进进行行设设计计，主主要要对对离离散控制系统的采样时间、连续信号的离散化方法等进行设置。散控制系统的采样时间、连续信号的离散化方法等进行设置。【Draw Simulink DiagramDraw Simulink Diagram】构造系统的构造系统的SimulinkSimulink仿真结构图。仿真结构图。第15页，共26页，编辑于2022年，星期一1 1、在、在MATLABMATLAB命令窗口输入命令窗口输入sys=tf(60,30,1,9,17,10)sys=tf(60,30,1,9,17,10
16、)sisotoolsisotool单击单击【FileFile】【ImportImport】导入数据导入数据2 2、SISO Design ToolSISO Design Tool系统分析系统分析3 3、SISO Design ToolSISO Design Tool系统设计系统设计4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool4.1 SISO Design Tool举例举例第16页，共26页，编辑于2022年，星期一4.2 4.2 控制系统的优化设计控制系统的优化设计（一）优化设计的几个概念（一）优化设计的几个概念 一般
17、情况下，由于优化设计是相对某些具体设计要求或某一人为规一般情况下，由于优化设计是相对某些具体设计要求或某一人为规定的优化指标来寻优的，所以优化设计所得结果往往是相对的最优方案。定的优化指标来寻优的，所以优化设计所得结果往往是相对的最优方案。下图为优化设计的流程框图，优化设计包含设计变量、约束条件、目标下图为优化设计的流程框图，优化设计包含设计变量、约束条件、目标函数、目标函数值的评定与权函数（罚函数）等几个基本概念。函数、目标函数值的评定与权函数（罚函数）等几个基本概念。第17页，共26页，编辑于2022年，星期一（二）优化设计原理（二）优化设计原理单纯形法单纯形法 常见的优化方法有黄金分割法
18、、常见的优化方法有黄金分割法、单纯形法以及随机射线法，其中单纯单纯形法以及随机射线法，其中单纯形法以其概念清晰、实现便利等优良形法以其概念清晰、实现便利等优良性能广泛为人们所采用。所谓单纯形性能广泛为人们所采用。所谓单纯形是指变量空间内最简单的规则形体。是指变量空间内最简单的规则形体。单纯形法的寻优原理可以用右图表示：单纯形法的寻优原理可以用右图表示：4.2 4.2 控制系统的优化设计控制系统的优化设计第18页，共26页，编辑于2022年，星期一（三）目标函数的选取（三）目标函数的选取 对于下图所示的控制系统，参数的优化设计常用的目标函数有对于下图所示的控制系统，参数的优化设计常用的目标函数有
19、IAEIAE准则、准则、ISEISE准则、准则、ITAEITAE准则、准则、ITSEITSE准则、准则、ISTAEISTAE准则、准则、ISTSEISTSE准则。这些目标函数对于同一个优化问题，其准则。这些目标函数对于同一个优化问题，其优化结果是不相同的，使控制系统所具有的动态性能也是不一样的（如快速性、超调量优化结果是不相同的，使控制系统所具有的动态性能也是不一样的（如快速性、超调量等），其具体应用哪一种目标函数还需在实际应用中适当的加以选择。等），其具体应用哪一种目标函数还需在实际应用中适当的加以选择。4.2 控制系统的优化设计第19页，共26页，编辑于2022年，星期一4.2 控制系统的
20、优化设计（四）实际应用中的几个问题（四）实际应用中的几个问题 优化设计结果的有效性问题优化设计结果的有效性问题局部最优与全局最优问题局部最优与全局最优问题寻优速度问题寻优速度问题“在线在线”应用问题应用问题第20页，共26页，编辑于2022年，星期一MATLAB MATLAB 基于单纯形法的无限定多变量优化的应用函数基于单纯形法的无限定多变量优化的应用函数 X=fminsearchX=fminsearch(函数名函数名，初值，初值,任选项任选项)（五）优化设计的（五）优化设计的MATLABMATLAB实现实现步骤1：用用SIMULINKSIMULINK建立仿真模型建立仿真模型 根据目标函数构造
21、模型，并用根据目标函数构造模型，并用outout图元输出图元输出正确设定仿真参数正确设定仿真参数取名取名*.mdl*.mdl存入工作目录下存入工作目录下 4.2 4.2 控制系统的优化设计控制系统的优化设计第21页，共26页，编辑于2022年，星期一4.2 4.2 控制系统的优化设计控制系统的优化设计步骤2：MATLABMATLAB下建立优化的下建立优化的目标函数目标函数 取名*optm.m存入工作目录下 步骤3：MATLABMATLAB下建立优化的下建立优化的主程序主程序 初值为可以任意给 取名*opt.m存入工作目录下 步骤4：仿真运行仿真运行MATLAB命令窗下，键入*opt.m*opt
22、.m 回车后便得到仿真结果 步骤5：时域曲线绘制时域曲线绘制 运行*.mdl(结果是用优化过的参数)第22页，共26页，编辑于2022年，星期一4.2 4.2 控制系统的优化设计控制系统的优化设计 例：对象传递函数采用PI调节器，性能指标函数采用ITSE，即，试确定调节器参数kp,ki。步骤1.建立仿真模型第23页，共26页，编辑于2022年，星期一步骤2：MATLABMATLAB下建立优化的下建立优化的目标函数目标函数function ss=optm(x)function ss=optm(x)global kp;global kp;global ki;global ki;global i;g
23、lobal i;kp=x(1);kp=x(1);ki=x(2);ki=x(2);i=i+1;i=i+1;tt,xx,yy=sim(tt,xx,yy=sim(*sim*sim,10,);,10,);%仿真时间10秒yylong=length(yy);yylong=length(yy);ss=yy(yylong);ss=yy(yylong);4.2 控制系统的优化设计第24页，共26页，编辑于2022年，星期一4.2 控制系统的优化设计步骤3：MATLABMATLAB下优化的主程序下优化的主程序global kp;global kp;global ki;global ki;global i;global i;i=1;i=1;result=fminsearch(*optm,1 1)result=fminsearch(*optm,1 1)%1,1%1,1是初值是初值步骤4：仿真运行仿真运行在MATLAB命令窗口键入主程序名enter第25页，共26页，编辑于2022年，星期一The end!第26页，共26页，编辑于2022年，星期一