状态观测器的设计分析解析

《状态观测器的设计分析解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《状态观测器的设计分析解析（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、东南大学实验报告课程名称：自动控制原理实验名称：状态观测器的设计院（系）：自动化专 业： 自动化姓 名：学 号:实验室：实验组别：同组人员：实验时间：2012年5月11日评定成绩：审阅教师：实验目的(1) 理解观测器在自动控制设计中的作用；(2) 理解观测器的极点设置；(3) 会设计实用的状态观测器。二、实验原理如果控制系统采用极点配置的方法来设计，就必须要得到系统的各个状态，然后才能状 态反馈进行极点配置。然而，大多数被控系统的状态是不能直接得到的，怎么办？于是提出 了利用被控系统的输入量和输出量重构原系统的状态，这样原系统的状态就能被等价取出, 从而进行状态反馈，达到改善系统的目的。另外，

2、状态观测器可以用来监测被控系统的各个 参量。观测器的设计线路不是唯一的，本实验采用较实用的设计。 给一个被控二阶系统，其开环传递函数是K，K 二 KK(Ts + 1)(Ts +1)1 21 2设被控系统状态方程X=AX+Bu构造开环观测器，工、二为状态向量和输出向量估值X-AX+BuY=CX由于初态不同，估值丫状态不能替代被控系统状态x，为了使两者初态跟随，采用输出误 差反馈调节，即加入H(Y-Y),即构造闭环观测器，闭环观测器对重构造的参数误差也有 收敛作用。X=AX+Bti+H(Y-Y)亠.Y=(?X也可写成X=(A-HC1)X+Bn+Hr宀.八.Y=(?X只要(A-HC)的特征根具有负实

3、部，状态向量误差就按指数规律衰减，且极点可任意配置, 一般地，(A-HC)的收敛速度要比被控系统的响应速度要快。工程上，取小于被控系统最 小时间的3至5倍，若响应太快，H就要很大，容易产生噪声干扰。6. A.A实验采用工=4兀+血1+曰丁门结构，即输出误差反馈，而不是输出反馈形式。由图可以推导:u + (Y-y)g17s + lx2=u + (Y-y)g2所以:比较:X=Ax+Bu+H(Y-Y)Y=Cx可以得到：A =T1gK0K1_1i_.,B=T,C= 0 1, H =T1丰g111g Kg-T10cc2 2TL 2 J- 21九2即有：（s +九 1）（S +九2）选择观测器极点为为J故

4、：特征式det(SI - A + HC) = (s + 九)(s + 九)1 2九二 3-5 二 20, K 二 5, K 二 2,T = 0.5,T = 0.2, t1212ming求解1g1- 2实验设备:取:THBDC-1实验平台THBDC-1虚拟示波器Matlab/Simulink 软件四、实验步骤按要求设计状态观测器：（一）在Matlab环境下实现对象的实时控制1、将 ZhuangTai_model.mdl 复制到 E:MATLAB6p5work 子目录下，运行 matlab，打开 ZhuangTai_model.mdl注：实际对象模块对应外部的实际被控对象，在simulink下它代

5、表计算机与外部的 接口： DA1对应实验面板上的DA1，代表对象输出，输出通过数据卡传送给计算机; AD1对应实验面板上的AD1，代表控制信号，计算机通过数据卡将控制信号 送给实际对象；2、如图，在Simulink环境下搭建带状态观测器的系统实时控制方框图3、如图正确接线，并判断每一模块都是正常的，包括接好测试仪器、设置参数、初始化各 个设备和模块；接成开环观测器，双击误差开关，使开关接地。观测对象输出Y与观测器状态输出y 的阶跃响应；（阶跃不要超过0.3V）接成闭环观测器，双击误差开关，使开关接误差。观测对象输出Y与观测器状态输出y 的阶跃响应；（阶跃不要超过0.3V）4、改变KI、K2或T

6、l、T2，重复步骤3,说明实验原因改变gl、g2重复步骤3,说明实验原因五、预习与回答：1.如何在观测器的基础上设计状态反馈？答：根据分离性原理，在原来传递函数下单独设计观测器，然后把观测器的状态反馈 到输入端。2请区分原系统极点、控制系统极点、期望极点、观测器极点。答：系统极点：未加入校正环节时，系统传递函数分母多项式等于0所求得的根。控制 系统极点：加入控制器后，系统的传递函数的分母多项式等于0所求得的根。期望极点：根 据所给的设计指标要求计算出的极点。观测器极点：状态观测器特征多项式为0的根。g3说明H阵有什么作用，并计算观测器反馈阵1 g1- 2答：对于不渐近稳定的系统t趋近于无穷时状

7、态误差不为0,说以要用用输出反馈来镇 定，这里的H就是反馈矩阵使状态误差为0。AAA由方框图可得：u+g1( y _y吟 T x1+x1AAAX1+ g2(y _ y)K2 = T X2 + X可以得到：A =_ 1T1KT22KT , C=o101, H =gKT1gKc c2 2T2g1g2选择观测器极点为为1，九即有：（s +九）（s +九）2 1 2故：特征式det(SI _ A + HC) = (s + 九)(s + 九)- 2得: H阵g1g2，假设n,则有:九2TTg =亡1 KK1 22九TT _T _Tg =1+2 TK1 2一 g 2T2 一 1取：九= _ = 20, K

8、 = 5, K = 2, T = 0.5, T = 0.2 t1212min可以求得:六、实验结果1、接成开环观测器（双击误差开关，使开关接地）。如图:1、g1=3.3, g2=3.24, k1=5, k2=2, T1=0.5,T2=0.2 闭环时2、g1=3.3, g2=3.24, k1=5, k2=2, T1=0.5,T2=0.2 开环时Scopel-Ini x|呂釦叵lime offset: Q，! x|吕釦可y 區莓呵日卞-Scopellime offset: d3、g1=3.3, g2=3.24, k1=10, k2=2, T1=0.5,T2=0.2，闭环时4、gl=3.3, g2=3.24, kl=10, k2=2, Tl=0.5,T2=0.2,开环时七、实验总结这次试验主要是设计系统的状态观测器，取出系统的状态以便用于状态反馈，并使得原 系统和观测器的输出误差为零。学会了根据状态观测器方框图写出状态方程并确定观测器期 望极点，计算出H矩阵。当设计观测器的时候，观测器的极点要远于原系统的极点，让观 测器的响应比原系统的响应快一些就可以，一般取原系统极点的35倍。观测器是用控制的方法来解决控制问题,并且在系统模型不准的时候，观测器也能收敛。