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1、一、反馈控制系统的基本结构一、反馈控制系统的基本结构做如下变换做如下变换第1页/共76页结构图化成若不考虑传感器动态时，则为常数，可选择 ，上结构图就变成单位负反馈的结构。第2页/共76页定义：R：参考输入W：外扰动输入（常值或随机信号，对飞行器为高斯白噪声或有色噪声）V：噪声输入（随机信号、有色噪声）Y:系统输出第3页/共76页二、控制系统的性能指标描述(1)系统对常值扰动信号所允许的稳态误差，或 对随机扰动信号的滤波能力或误差(2)对多项式参考输入信号，如斜坡和阶跃信号 所允许的稳态跟踪误差(3)系统动态性能对模型参数变化的灵敏度第4页/共76页(4)系统在阶跃参考输入或扰动输入时的动态
2、性能，如上升时间、超调量、调节时间等(5)闭环系统的稳定性重点要研究的是（1）和（3）第5页/共76页三、例子：滚转速度控制系统飞机理想滚转时，则微分方程模型为：其中，为滚转角速度，是副翼偏角，外扰动（外扰动一般等效为滚转力矩，在此方程中，为转动惯量）。第6页/共76页飞机滚转模型为：第7页/共76页开环控制系统为设Hr=1，并且选择比例控制，则第8页/共76页设：R和的稳态值分别为R=a，=b则：的稳态解为定义：从R到的传递函数为开环增益设：则第9页/共76页闭环控制系统第10页/共76页其中为开环传函或称回路传函设：Hr=Hy=1，则回路增益为，第11页/共76页而在W的作用下（设R=0，
3、V=0）而在V的作用下（设R=0，W=0）第12页/共76页用迭加原理，可得设V的稳态值为c稳态解为第13页/共76页第14页/共76页 1.结论 a.若在常值扰动作用下，闭环系统的误差比 开环系统小倍，其中 是s=0时的回路增益 b.若在常值噪声作用下，闭环系统是无法克服的，并且常值噪声几乎对输出的影响与输入 的影响是相当的 第15页/共76页因此：（1）对传感器来说必须增加信噪比 （2）Hy应设计动态环节来抑制噪声第16页/共76页计算实例若设、a=1、b=0.17、开环系统 无扰动时 有扰动时误差 或第17页/共76页闭环系统 无扰动时 有扰动时误差 或故闭环系统比开环系统的抗干扰能力提
4、高了100倍以上。第18页/共76页四、系统增益对参数不确定性的灵敏度1.开环系统：系统增益即开环增益（s=0的值）参数的不确定性可表达为：飞机飞行时由初始状态A变化为,这样开环增益则从变化为 第19页/共76页则考虑开环增益的相对变化误差定义为第20页/共76页且定义为关于参数A从输入R到输出的系统增益的灵敏度函数，开环系统的系统增益灵敏度为：2.闭环系统：系统的增益为第21页/共76页当时，为求则考虑到：（）故：（一个好的系统的灵敏度应足够的小）第22页/共76页从而闭环系统的系统增益的灵敏度的定义为与开环系统相比：在反馈子系统中，系统传函的增益（s=0）对受控对象参数的灵敏度是开环系统的
5、倍。第23页/共76页计算实例：闭环系统表明若变换10%，即则系统增益此时仅取为10而开环系统因此：则第24页/共76页 所以闭环系统的灵敏度仅为开环系统的0.0062倍，能极大地抑制参数的不确定性。第25页/共76页五、抗噪声问题建立误差方程 则仿照灵敏度的定义第26页/共76页定义灵敏度函数补充灵敏度函数则误差方程第27页/共76页若设计D(s)，使，意味着（1）（2）（1）可以做到（2）不可能，如何解决第28页/共76页假定：（1）R和W并不是在所有频率范围内都有很大的 值，即R和W的变化是不一致的，变化的范 围也不同（2）可以设计Hy，使得V经过Hy后在低频段保持有较小的值，即传感器只
6、在对象变化时有 输出，类似高通滤波器。第29页/共76页（3）设计D，使得在R和W主频范围内很小，也可以使得T在高频范围内的分量很小，这样就可以获得。第30页/共76页六、根据灵敏度函数定义的性能指数1.到目前为止，还是通过系统对简单的阶跃或斜 坡输入信号的瞬态响应来描述系统的动态性能 （如二阶系统）。2.对于实际的输入信号，更为精确的描述是将信 号看成是有一定功率谱密度的随机过程。第31页/共76页3.设u(t)是单变量随机过程。一般而言，随机过程的统计特性（平均值、均方差、相关函数和频谱函数等）也是随时间变化的，这种过程称为非平稳随机过程，但非平稳随机过程的处理方法还没有成熟的方法。目前的
7、应用中，往往限于研究平稳随机过程，即该过程的统计特性不随时间变化，因此功率谱密度只研究平稳随机过程的特性。第32页/共76页4.平稳随机过程u(t)的统计特性平均值定义为平稳随机过程u(t)的平均值或称高斯随机过程第33页/共76页u(t)的均方差定义为U(t)的相关函数在物理意义上，反映了随机过程u(t)在时间坐标轴上的先后相关程度。第34页/共76页（1）若则（2）为偶函数（3）表明若间隔无限增大，u(t)失去了先后相关性（4）为u(t)的特征时间第35页/共76页相关函数的Fourier变换即是相关函数的频谱函数其中：是时间频率，由于，则第36页/共76页相关函数是频谱函数的Fourie
8、逆变换因此 可见频谱曲线与轴范围的面积分就等于u(t)的方差。第37页/共76页而均方差则表征了随机过程的功率或能量的大小。因此频谱函数表征了随机过程的功率按频率的分布。（频率（）内功率的大小），故称为功率谱密度。第38页/共76页 在飞行环境中，一般大气紊流均采用功率谱密度的形式来表示，只是采用空间频率作为自变量，空间频率和时间频率之间的变换如下 （为飞行器的速度）第39页/共76页两种大气紊流模型GJB185-86(1)德莱顿模型，解析函数，适合数学仿真(2)冯卡门模型，适合设计两种模型在高频段略有差异第40页/共76页 为了简化分析，但又不失一般性，可以认为这些信号是由某特定范围内的正弦
9、信号合成的。比如经常描述的参考输入信号，它是一组具有不同频率的正弦信号的和，而各种频率的正弦信号的幅值|R|可由下图描述第41页/共76页从图中可以看出：(1)由正弦信号分量组成的信号，一直到大于 后，幅值才极小可忽略。于是可以这样描 述性能指标：对于任何驱动频率，幅值为的正弦信号,系统误差的幅值应小于。第42页/共76页考虑单位反馈系统，则误差的频率响应为 （1）第43页/共76页其中，s为灵敏度函数 （2）灵敏度函数也正是的乃奎斯特图上的曲线 到（-1，0）点距离的倒数，因此 越大，表示曲线到（-1，0）点的距离越小，曲线越接近（-1，0）点。第44页/共76页根据式（1），频域内的误差指
10、标可表示为 （3）第45页/共76页为了使问题规范化，以及不必每次定义幅值R和误差限度。定义频率的实数方程：则此（3）式可以写为（4）第46页/共76页若，则，带入(4）得到（5）第47页/共76页 这个约束条件可以看作是稳态误差指标的延伸，只不过信号频率由的一点变成了上述性能指数是动态性能指数的延伸而已。第48页/共76页七、鲁棒性指标 除了保证系统有良好的动态性能，还应考虑系统的鲁棒性，即在可预期的不确定性因素的影响下，受控对象的传函发生变化时，针对各个传函所做的设计仍是稳定的。为了描述这种不确定性，需首先定义不确定性。第49页/共76页不确定性：主要是指对象的不确定性。理由：没有任何一个
11、物理系统可以用准确的数学模型代表。由于这一原因，我们 必须了解建模误差对控制系统性能的 影响。第50页/共76页1.对象的不确定性 不确定对象的建模的基本方法是用一个集合来代表对象模型，这个集合可以是结构化的或者非结构化的。结构化：系统中存在有限个不确定参数第51页/共76页非结构化：系统在每个频率下其频率响应位于复 平面的一个集合内 一般来说，非结构化更为重要，因为它可以导出简单而实用的设计理论。第52页/共76页具体来说，考虑这样的不确定问题，即其中：是标称对象的传递函数的频率响应 是由于参数的不确定性或摄动造成的实际对象模型 是一固定的、稳定的传递函数 是一可变的、稳定的传递函数，且 第
12、53页/共76页其中：，称为的范数。也代 表了在Bode图上的峰值，也写为 ，称为的上确界或 者最小上界。进一步假定在构成中没有消掉的任何不稳定的极点，即和有相同的不稳定极点。这样的摄动称为可容许的。第54页/共76页由及得与则：的模型的含义是是偏离1的标准化的 对象摄动，或不确定性只能引起偏离1的标 准化的对象摄动。从而：因，则第55页/共76页 可见给出了不确定的范围。这个不等式在复平面描绘了一个圆，在每一个频率，都位于以1为圆心，以为半径的圆内。这种不确定性也称为圆不确定性（或乘积圆状不确定性），是一种非结构性摄动的集合。第56页/共76页 一般情况下，是的增函数，不确定性随频率的增加而
13、增加。的主要目的是为了考虑相位不确定性，同时也可作为摄动幅值的尺度因子，在（0，1）内变化。第57页/共76页例题：寻找设标准对象，实际传函通过将代到集合中并使用延迟因子作为乘积摄动的表征这样对 带入各式后得第58页/共76页在Bode幅频特性上，就可以找到幅频特性的上确界，满足（1）是稳定的 （2）在内，是最小上确界 （显然只要，即具有最 大的幅值），所以可由 时确定，第59页/共76页 乘积摄动模型，并不适合所有情况，作为圆的不确定性集合，有时是一种太粗糙的近似，在这种情况下，依据乘积不确定性模型设计的控制器相对原有的不确定性模型（非圆）有可能太保守。第60页/共76页其它一些不确定性模型
14、的形式，在采用每一种模型时都要对和作适当的假设。第61页/共76页八、鲁棒稳定性1.引入范数后的性能指标表达 动态性能指标，显然对于而言，要满足 则上述动态性能指标可写为第62页/共76页2.鲁棒稳定性鲁棒概念可做如下描述：假定对象传递函数属于一个集合M，考察反馈系统的某些特性，如内稳定，给定一个控制器，如果集合M中的每一个对象都能保持这种特性并成立，则称该控制器对此特性是鲁棒的。第63页/共76页因此鲁棒有三个因素：（1）控制器（2）对象集合（3）考察的特性对设计来说有两个重要特性要考察 （1）稳定性，也称鲁棒稳定性 （2）动态性能，也称鲁棒性能第64页/共76页鲁棒稳定性定义：一个控制器D
15、，如果对集合中的每一个对象都能保证内稳定性，那它就是鲁棒稳定的。定理一：反馈子系统是内稳定的，当且仅当没有闭环极点第65页/共76页定理二：D能保证鲁棒稳定性的充分必要条件是第66页/共76页3.鲁棒性能定义：存在一个控制器，使集合M中的每一个对 象都满足内稳定和一种特定的性能。一种特定的性能，一般采用动态性能描述。称标称性能（即），而该性能存在的前提是反馈系统应是内稳定的。第67页/共76页若对象G摄动到，则灵敏度函数摄动到 必须是容许的，即，第68页/共76页显然上述鲁棒条件为和将函数记为第69页/共76页定理三：鲁棒性能的充分必要条件是图解上述定理第70页/共76页做出b（s）作为输入，a（s）作为输出的传函，此时令R=0则即设是一对象的，则有第71页/共76页回路最大增益为第72页/共76页若要求对所有的都有由于，则由得出第73页/共76页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第74页/共76页第75页/共76页感谢您的观看！第76页/共76页