第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計,在實際工程控制中，往往需要設(shè)計一個系統(tǒng)并選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)以滿足性能指標(biāo)的要求，或?qū)υ邢到y(tǒng)增加某些必要的元件或環(huán)節(jié)(稱為控制器或校正裝置)，使系統(tǒng)能夠全面滿足性能指標(biāo)的要求，此類問題就稱為系統(tǒng)校正與綜合，或稱為系統(tǒng)設(shè)計。 系統(tǒng)設(shè)計是一個反復(fù)試探的過程，需要許多經(jīng)驗的積累。 根據(jù)校正裝置的特性，可分為超前校正裝置、滯后校正裝置和超前-滯后校正裝置。 根據(jù)校正裝置與被控對象的不同連接方式，可分為串聯(lián)校正、反饋（并聯(lián)）校正、前饋校正和干擾補償?shù)取?在命令窗口輸入命令sisotool，即可進(jìn)入SISO Design Tool主窗口。,4.1 SISO Design Tool簡介,經(jīng)典控制理論系統(tǒng)設(shè)計基本是“分析+畫圖”的試探方法，既繁瑣又可能達(dá)不到預(yù)期的效果。MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱通過簡單的編程，可以完成系統(tǒng)的設(shè)計，但對于不太熟悉MATLAB的用戶有一定的困難。 SISO系統(tǒng)設(shè)計工具(SISO Design Tool)是一個圖形化的用戶界面，很方便地完成單輸入單輸出系統(tǒng)的設(shè)計。,4.1 SISO Design Tool簡介,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),4.1 SISO Design Tool簡介,編輯校正裝置,4.1 SISO Design Tool簡介,校正圖形,4.1 SISO Design Tool簡介,分析圖形,4.1 SISO Design Tool簡介,自動調(diào)制,4.1 SISO Design Tool簡介,4.1 SISO Design Tool快捷工具欄,【Import】導(dǎo)入系統(tǒng)設(shè)計對象模型。 【Export】保存設(shè)計完成后的系統(tǒng)對象模型。 【Save Session】保存設(shè)計工作環(huán)境（包括對系統(tǒng)的各種改動），供后續(xù)工作使用。 【Load Session】調(diào)入設(shè)計工作環(huán)境，恢復(fù)保存時的狀態(tài)。,4.1 SISO Design ToolFile菜單,【OpenLoop Nichols】對開環(huán)尼柯爾斯圖編輯區(qū)進(jìn)行設(shè)置。 【Prefilte Bode】對環(huán)節(jié)F伯德圖編輯區(qū)進(jìn)行設(shè)置。 上述4種設(shè)置均與單擊右鍵的彈出菜單一致，主要內(nèi)容包括增加/刪除零極點、設(shè)置給定系統(tǒng)參數(shù)限制區(qū)域（根據(jù)所選擇曲線的不同，系統(tǒng)參數(shù)限制區(qū)域也不同）并在對應(yīng)的曲線圖中給出區(qū)域標(biāo)志、網(wǎng)絡(luò)的顯示選擇、坐標(biāo)范圍的給定、曲線名稱的修改、曲線坐標(biāo)的放大與縮小。 【SISO Tool Preference】針對SISO Design Tool所涉及的圖形屬性進(jìn)行設(shè)置，主要內(nèi)容包括顯示曲線的坐標(biāo)單位、坐標(biāo)字體、字號、網(wǎng)絡(luò)、上升時間定義范圍數(shù)學(xué)模型的表示方式等顯示屬性。,【Root Locus】對根軌跡曲線編輯區(qū)進(jìn)行設(shè)置。 【OpenLoop Bode】對開環(huán)伯德圖編輯區(qū)進(jìn)行設(shè)置。,當(dāng)窗口中出現(xiàn)前置濾波環(huán)節(jié)F伯德圖編輯區(qū)和尼柯爾斯圖編輯區(qū)后，【Edit】菜單中會出現(xiàn)下面兩個選項：,4.1 SISO Design ToolEdit菜單,【Root Locus】顯示/取消根軌跡圖編輯區(qū)。 【OpenLoop Bode】顯示/取消伯德圖編輯區(qū)。 【OpenLoop Nichols】顯示/取消尼柯爾斯圖編輯區(qū)。 【Prefilter Bode】顯示/取消環(huán)節(jié)F（前置濾波器環(huán)節(jié)）伯德圖編輯區(qū)。 【System Data】顯示環(huán)節(jié)G和環(huán)節(jié)H的傳遞函數(shù)。 【Closed-Loop Poles】顯示閉環(huán)極點列表。 【Design History】顯示設(shè)計過程歷史紀(jì)錄。,4.1 SISO Design ToolView菜單,【Response to Step Command】在彈出的圖形窗口顯示階躍響應(yīng)曲線。 【Rejection of Step Disurbance】在彈出的圖形窗口顯示對階躍擾動的抑制曲線。 【Closed-Loop Bode】在彈出的圖形窗口中顯示閉環(huán)系統(tǒng)伯德圖。 【Compensator Bode】在彈出的圖形窗口中顯示環(huán)節(jié)C的伯德圖。 【Open-Loop Nyquist】在彈出的圖形窗口中顯示開環(huán)奈奎斯特圖。 【Other Loop Responses】選擇所希望的各類顯示曲線。,4.1 SISO Design ToolAnalysis菜單,4.1 SISO Design ToolTool菜單,【ContinuousDiscrete Conversions】對線性離散控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，主要對離散控制系統(tǒng)的采樣時間、連續(xù)信號的離散化方法等進(jìn)行設(shè)置。 【Draw Simulink Diagram】構(gòu)造系統(tǒng)的Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖。,1、在MATLAB命令窗口輸入 sys=tf(60,30,1,9,17,10) sisotool,單擊【File】【Import】導(dǎo)入數(shù)據(jù),2、SISO Design Tool系統(tǒng)分析,3、SISO Design Tool系統(tǒng)設(shè)計,4.1 SISO Design Tool舉例,4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,（一）優(yōu)化設(shè)計的幾個概念,一般情況下，由于優(yōu)化設(shè)計是相對某些具體設(shè)計要求或某一人為規(guī)定的優(yōu)化指標(biāo)來尋優(yōu)的，所以優(yōu)化設(shè)計所得結(jié)果往往是相對的最優(yōu)方案。下圖為優(yōu)化設(shè)計的流程框圖，優(yōu)化設(shè)計包含設(shè)計變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)值的評定與權(quán)函數(shù)（罰函數(shù)）等幾個基本概念。,（二）優(yōu)化設(shè)計原理單純形法,常見的優(yōu)化方法有黃金分割法、單純形法以及隨機射線法，其中單純形法以其概念清晰、實現(xiàn)便利等優(yōu)良性能廣泛為人們所采用。所謂單純形是指變量空間內(nèi)最簡單的規(guī)則形體。單純形法的尋優(yōu)原理可以用右圖表示：,4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,（三）目標(biāo)函數(shù)的選取,對于下圖所示的控制系統(tǒng)，參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計常用的目標(biāo)函數(shù)有IAE準(zhǔn)則、ISE準(zhǔn)則、ITAE準(zhǔn)則、ITSE準(zhǔn)則、ISTAE準(zhǔn)則、ISTSE準(zhǔn)則。這些目標(biāo)函數(shù)對于同一個優(yōu)化問題，其優(yōu)化結(jié)果是不相同的，使控制系統(tǒng)所具有的動態(tài)性能也是不一樣的（如快速性、超調(diào)量等），其具體應(yīng)用哪一種目標(biāo)函數(shù)還需在實際應(yīng)用中適當(dāng)?shù)募右赃x擇。,4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,（四）實際應(yīng)用中的幾個問題,優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的有效性問題 局部最優(yōu)與全局最優(yōu)問題 尋優(yōu)速度問題 “在線”應(yīng)用問題,MATLAB 基于單純形法的無限定多變量優(yōu)化的應(yīng)用函數(shù) X=fminsearch(函數(shù)名，初值,任選項),（五）優(yōu)化設(shè)計的MATLAB實現(xiàn),步驟1 ：用SIMULINK建立仿真模型 根據(jù)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造模型，并用out圖元輸出 正確設(shè)定仿真參數(shù) 取名*.mdl存入工作目錄下,4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,步驟2 ：MATLAB下建立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù) 取名*optm.m存入工作目錄下,步驟3 ：MATLAB下建立優(yōu)化的主程序 初值為可以任意給 取名 *opt.m存入工作目錄下,步驟4 ：仿真運行 MATLAB命令窗下，鍵入 *opt.m 回車后便得到仿真結(jié)果,步驟5 ：時域曲線繪制 運行*.mdl(結(jié)果是用優(yōu)化過的參數(shù)),4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,例：對象傳遞函數(shù) 采用PI調(diào)節(jié)器，性能指標(biāo)函數(shù)采用ITSE，即 ，試確定調(diào)節(jié)器參數(shù)kp,ki。 步驟1.建立仿真模型,步驟2 ：MATLAB下建立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù) function ss=optm(x) global kp; global ki; global i; kp=x(1); ki=x(2); i=i+1; tt,xx,yy=sim(*sim,10,); %仿真時間10秒 yylong=length(yy); ss=yy(yylong);,4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,4.2 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,步驟3 ：MATLAB下優(yōu)化的主程序 global kp; global ki; global i; i=1; result=fminsearch(*optm,1 1) % 1,1是初值 步驟4 ：仿真運行 在MATLAB命令窗口鍵入主程序名enter,The end!,