狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)分析解析

東南大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)名稱：狀態(tài)觀察器的設(shè)計(jì)院（系）：自動(dòng)化專業(yè)：自動(dòng)化姓名：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：年5月11日評(píng)定成績(jī)：審視教師：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫庥^察器在自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中的作用；理解觀察器的極點(diǎn)設(shè)立；會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)用的狀態(tài)觀察器。二、實(shí)驗(yàn)原理如果控制系統(tǒng)采用極點(diǎn)配備的辦法來(lái)設(shè)計(jì)，就必須要得到系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)，然后才干狀態(tài)反饋進(jìn)行極點(diǎn)配備。然而，大多數(shù)被控系統(tǒng)的狀態(tài)是不能直接得到的，怎么辦？于是提出了運(yùn)用被控系統(tǒng)的輸入量和輸出量重構(gòu)原系統(tǒng)的狀態(tài)，這樣原系統(tǒng)的狀態(tài)就能被等價(jià)取出，從而進(jìn)行狀態(tài)反饋，達(dá)成改善系統(tǒng)的目的。另外，狀態(tài)觀察器能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)被控系統(tǒng)的各個(gè)參量。觀察器的設(shè)計(jì)線路不是唯一的，本實(shí)驗(yàn)采用較實(shí)用的設(shè)計(jì)。給一種被控二階系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)是，設(shè)被控系統(tǒng)狀態(tài)方程構(gòu)造開環(huán)觀察器，為狀態(tài)向量和輸出向量估值由于初態(tài)不同，估值狀態(tài)不能替代被控系統(tǒng)狀態(tài)，為了使兩者初態(tài)跟隨，采用輸出誤差反饋調(diào)節(jié)，即加入，即構(gòu)造閉環(huán)觀察器，閉環(huán)觀察器對(duì)重構(gòu)造的參數(shù)誤差也有收斂作用。也可寫成只要（A-HC）的特性根含有負(fù)實(shí)部，狀態(tài)向量誤差就按指數(shù)規(guī)律衰減，且極點(diǎn)可任意配備，普通地，（A-HC）的收斂速度要比被控系統(tǒng)的響應(yīng)速度要快。工程上，取不大于被控系統(tǒng)最小時(shí)間的3至5倍，若響應(yīng)太快，H就要很大，容易產(chǎn)生噪聲干擾。實(shí)驗(yàn)采用構(gòu)造，即輸出誤差反饋，而不是輸出反饋形式。由圖能夠推導(dǎo)：因此：比較：能夠得到：選擇觀察器極點(diǎn)為，即有：故：特性式=?。海蠼馊?、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：THBDC-1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)THBDC-1虛擬示波器Matlab/Simulink軟件四、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)按規(guī)定設(shè)計(jì)狀態(tài)觀察器：在Matlab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)象的實(shí)時(shí)控制1、將ZhuangTai_model.mdl復(fù)制到E:\MATLAB6p5\work子目錄下，運(yùn)行matlab，打開ZhuangTai_model.mdl注：‘實(shí)際對(duì)象’模塊對(duì)應(yīng)外部的實(shí)際被控對(duì)象，在simulink下它代表計(jì)算機(jī)與外部的接口：DA1對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)面板上的DA1，代表對(duì)象輸出，輸出通過數(shù)據(jù)卡傳送給計(jì)算機(jī)；AD1對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)面板上的AD1，代表控制信號(hào)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)卡將控制信號(hào)送給實(shí)際對(duì)象；2、如圖，在Simulink環(huán)境下搭建帶狀態(tài)觀察器的系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制方框圖3、如圖對(duì)的接線，并判斷每一模塊都是正常的，涉及接好測(cè)試儀器、設(shè)立參數(shù)、初始化各個(gè)設(shè)備和模塊；接成開環(huán)觀察器，雙擊誤差開關(guān)，使開關(guān)接地。觀察對(duì)象輸出Y與觀察器狀態(tài)輸出y的階躍響應(yīng)；（階躍不要超出0.3V）接成閉環(huán)觀察器，雙擊誤差開關(guān)，使開關(guān)接誤差。觀察對(duì)象輸出Y與觀察器狀態(tài)輸出y的階躍響應(yīng)；（階躍不要超出0.3V）4、變化K1、K2或T1、T2，重復(fù)環(huán)節(jié)3，闡明實(shí)驗(yàn)因素變化g1、g2重復(fù)環(huán)節(jié)3，闡明實(shí)驗(yàn)因素五、預(yù)習(xí)與回答：1.如何在觀察器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋？答：根據(jù)分離性原理，在原來(lái)傳遞函數(shù)下單獨(dú)設(shè)計(jì)觀察器，然后把觀察器的狀態(tài)反饋到輸入端。2.請(qǐng)分辨原系統(tǒng)極點(diǎn)、控制系統(tǒng)極點(diǎn)、盼望極點(diǎn)、觀察器極點(diǎn)。答：系統(tǒng)極點(diǎn)：未加入校正環(huán)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母多項(xiàng)式等于0所求得的根?？刂葡到y(tǒng)極點(diǎn)：加入控制器后，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式等于0所求得的根。盼望極點(diǎn)：根據(jù)所給的設(shè)計(jì)指標(biāo)規(guī)定計(jì)算出的極點(diǎn)。觀察器極點(diǎn)：狀態(tài)觀察器特性多項(xiàng)式為0的根。3闡明H陣有什么作用，并計(jì)算觀察器反饋陣。答：對(duì)于不漸近穩(wěn)定的系統(tǒng)t趨近于無(wú)窮時(shí)狀態(tài)誤差不為0，說(shuō)以要用用輸出反饋來(lái)鎮(zhèn)靜，這里的H就是反饋矩陣使?fàn)顟B(tài)誤差為0。由方框圖可得：能夠得到：選擇觀察器極點(diǎn)為，即有：故：特性式=得：H陣，假設(shè)，則有：?。耗軌蚯蟮茫毫?shí)驗(yàn)成果1、接成開環(huán)觀察器(雙擊誤差開關(guān)，使開關(guān)接地)。如圖：1、g1=3.3，g2=3.24，k1=5,k2=2，T1=0.5,T2=0.2閉環(huán)時(shí)2、g1=3.3，g2=3.24，k1=5,k2=2，T1=0.5,T2=0.2開環(huán)時(shí)3、g1=3.3，g2=3.24，k1=10,k2=2，T1=0.5,T2=0.2，閉環(huán)時(shí)4、g1=3.3，g2=3.24，k1=10,k2=2，T1=0.5,T2=0.2，開環(huán)時(shí)七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)這次實(shí)驗(yàn)重要是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)觀察器，取出系統(tǒng)的狀態(tài)方便用于狀態(tài)反饋，并使得原系統(tǒng)和觀察器的輸出誤差為零。學(xué)會(huì)了根據(jù)狀態(tài)觀察器方框圖寫出狀態(tài)方程并擬定觀察器盼望極點(diǎn)