第九章 魚雷自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法ppt課件

1、第九章 魚雷自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法經(jīng)典控制的主要缺陷：經(jīng)典控制的主要缺陷：經(jīng)典控制方法又稱為經(jīng)典控制方法又稱為“試湊法，運(yùn)用經(jīng)典控制方試湊法，運(yùn)用經(jīng)典控制方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)取決于設(shè)計(jì)者的程度和閱歷。法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)取決于設(shè)計(jì)者的程度和閱歷。經(jīng)典控制方法適用于線性定常系統(tǒng)，不適宜非線性經(jīng)典控制方法適用于線性定常系統(tǒng)，不適宜非線性系統(tǒng)。系統(tǒng)。經(jīng)典控制方法適用于單輸入單輸出。經(jīng)典控制方法適用于單輸入單輸出。9-1 現(xiàn)代控制實(shí)際概述現(xiàn)代控制實(shí)際研討的范圍比較寬，適宜線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。在魚雷上的運(yùn)用主要包括： 極點(diǎn)配置法極點(diǎn)配置法 最優(yōu)控制實(shí)際最優(yōu)控制實(shí)際 自順應(yīng)控制自順應(yīng)控制9-2 用極點(diǎn)配置法設(shè)

2、計(jì)魚雷控制系統(tǒng)在經(jīng)典控制中，控制系統(tǒng)的性能主要由控制系統(tǒng)的特征方程決議，即特征方程的根在復(fù)平面的位置決議，極點(diǎn)配置法的根本思緒是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為負(fù)反響控制統(tǒng)，經(jīng)過(guò)調(diào)理反響增益矩陣，使控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)配置在期望的位置，使控制系統(tǒng)到達(dá)期望的性能。一、根本概念v1.形狀方程XAXbUYCX(1) 式中，A為nn階矩陣，b為n1階矩陣，C為1n階矩陣。bCAU(t)X(t)Y(t)()Xt)()()()()(sCXsYsbUsAXssX1( )()( )( )( )X ssIAbU sY sCX s1( )()( )Y sC sI A bU s將上面形狀方程進(jìn)展零初始條件拉普拉斯變換bAsICsUsYs

3、G1)()()()(2) 可控規(guī)范型可控規(guī)范型XAXbUYCX012101000010nAaaaa當(dāng) 時(shí)，上面的形狀方程對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)稱為可控規(guī)范型型。系統(tǒng)的特征方程為0111)(asasassDnnn將普通形狀方程變換為可控規(guī)范型的方法XAXbUYCX對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的傳送函數(shù)12120110( )nnnnnnnbsbsbG ssasaSISO被控系統(tǒng)可以用形狀形狀方程來(lái)描畫設(shè)Q矩陣為非奇特矩陣 1QP，設(shè) )()(tPXtX那么)()(1tXPtX將此式代入上面的形狀方程得 111P XAP XbUYCP X11XPAP XPbUYCP X11,CPCPbbPAPAXAXbUYCX設(shè) ，那么 此式即可

4、控規(guī)范型。求Q矩陣的方法 nqqqQ211112212121212111nnnnnnnnnnnnnnnnnqbqAqaqAbabqAqaqA baAbabqAqa qAbaAbab3 二、用形狀反響實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)配置Ar(t)Y(t)U(t)(tXbKC-_( )X tv1形狀反響控制系統(tǒng)構(gòu)造圖 圖中的A為可控規(guī)范型v2.形狀反響控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式XAXbUYCXUrKXK1 KPK式中，為可控規(guī)范型下的反響增益矩陣。設(shè)，代入上式的 )()()()()()()()()()(1tXKPtrtXKtrtUtXCtYtUbtXAtX將3式代入1式()XAbK XbrYCXAAbKXAXbrYCX 設(shè)，

5、代入上式得閉環(huán)系統(tǒng)的形狀方程式中1201210121123011223101000001001010000000010000001000010()()()()nnnnnnAAbKkkkaaaaaaaakkkkakakakak 對(duì)應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為111201( )()()()nnnnD ssak sak sak期望的閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為 *1*110( )nnnD ssasa sa由此得nnnkaakaakaakaa1*32*221*110*01*2*231*120*0nnnaakaakaakaakv3求反響增益矩陣 K將式 1234Kkkkk代入 PKK 即可求出反響增益矩陣。 用形狀

6、反響實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)配置的步驟如下：(1)根據(jù)系統(tǒng)的性能目的，確定期望的閉環(huán)控制 系統(tǒng)的特征方程 *0*11*1*)(asasassDnnn (2)原控制系統(tǒng)的特征方程0111)(asasassDnnn(3)求可控規(guī)范型下的反響增益矩陣 1*10*0nnaaaaaaK(4)求QnqqqQ21(5)求反響增益矩陣 KPKK 例9.1 魚雷航向控制系統(tǒng)的形狀方程XAXbUYCX式中， 00101.350.22011.745.38A00.111.88b100C 1yX試確定反響增益矩陣 rUK，使閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程為 363611)(23*0*11*1*sssasasassDnnnn解：n (1)期望的

7、閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程n 即 363611)(23*ssssD*21011,36,36aaa(2)原控制系統(tǒng)的特征方程3201( )01.350.22(1.35)(5.38) 0.22 11.745011.745.386.734.67sD ssIAss sssssss即2106.73,4.67,0aaa (3)求可控規(guī)范型下的反響增益矩陣*001113631.744.27nnKaaaaaa87. 303. 188. 188. 111. 0073. 688. 111. 0038. 574.11022. 035. 1010022baAbq01.0087.31221baAbabAq(4)求Q nqq

8、qQ21,88. 111. 003 bq(5)求矩陣69. 059. 2008. 026. 1004. 061. 025. 01QP(6)求反響增益矩陣K88. 137. 629. 9PKK二、形狀觀測(cè)器漸進(jìn)形狀觀測(cè)器 形狀觀測(cè)器分全維形狀觀測(cè)器和降維形狀觀測(cè)器，在工程實(shí)踐中降維形狀觀測(cè)器用得比較多，普通都是設(shè)計(jì)降維觀測(cè)器。 設(shè)計(jì)形狀觀測(cè)器的緣由： 在控制系統(tǒng)中，一些形狀變量容易丈量出來(lái)，例如溫度、壓力、流量等。有些形狀變量可以直接丈量出來(lái)，比較準(zhǔn)確。而有些形狀變量不容易丈量出來(lái)，需求設(shè)計(jì)形狀觀測(cè)估計(jì)出來(lái)。例如魚雷的兩個(gè)動(dòng)力角參數(shù) 觀測(cè)器，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器。/ v1.降維形狀觀測(cè)器數(shù)學(xué)模型

9、 XAXBUYCX式中， 可觀測(cè)， 陣為行滿秩矩陣，即 。,A CCranCm假設(shè) 式中 為不可觀測(cè)矩陣。 CPR R112PQqq12121200mn mICqCqCIPQqqIRqRqR 將XPtX1)(代入4式并思索到5式，得 111P XAP XBUYCP X112120mXPAP XPBUYCQXC qqXCqCqXIX0mXAXBUYIX將 劃分為可以直接輸出 的個(gè)形狀 可觀測(cè)的形狀，不能直接輸出的 個(gè)形狀 不能觀測(cè)的形狀，即Xm1Xnm2X12XXX6 對(duì) 矩陣也作相應(yīng)的分塊得,A B111111222212221120mXBXAAUBXAAXXYIXX 將其展開得1111122

10、1221122221XA XA XBUXA XA XB UYX剩下需求估計(jì)的形狀變量22122221111221XA YA XB UYXA YA XBU2222112221211( )Y tXA XA YBUAA YBXU7 設(shè) 121211,( )UW tYAA YYBUUB代入上式得2222122XA XUWA X8 降維觀測(cè)器的構(gòu)造圖如圖9.3所示，由圖可知形狀觀測(cè)器的方程為222212222122XA XLWLA XUALAXLWU9A22W(t)(2tX)(2tXKA12-_LA22A12-_-2X2X2X122( )( )W tA X t( )U t圖9.3 漸進(jìn)形狀觀測(cè)器由于輸出

11、 可知，輸出中含有 ，用 作為形狀觀測(cè)器的輸入，在實(shí)踐系統(tǒng)中容易引起干擾，應(yīng)該設(shè)法消去，因此定義新的形狀變量111WYA YBUYY2ZXLY即2XZLY10將10式代入9式得2212211121()()()()ZALAZLYALA YBLB u由于 ，1XY2XZLY120mm nYXIYXLIZZLYX 11212( )YX tP XqqqYq ZLYZLY原系統(tǒng)形狀觀測(cè)器方程為11212YXP XQXqqqYqZLYZLYZ2X-u2212ALA21BLB2q2111ALA1qXL1XYZ圖9.4 n-m維形狀觀測(cè)器構(gòu)造圖例9.2 魚雷航向控制系統(tǒng)的形狀方程XAXbUYCX式中，0010

12、01.350.22,0.11 ,100011.745.381.88AbC1yXrU設(shè)計(jì) 的2維形狀觀測(cè)器，使 1,y *2( )1845D sssn解:n分析： ，因此100C 010001R100010001P相應(yīng)的分塊為 110A 1201A 2100A 221.350.2211.745.38A 10B 20.111.88B根據(jù)形狀觀測(cè)器方程2212211121()()()()ZALAZLYALA YBLB u22122()()ZALAZLYB u系統(tǒng)的特征方程為2212()0sIALA2221(6.73)(1.3511.724.67)0sl sll*2( )18450Dsss可解得221(6.73181.3511.724.6745lll122.1411.27ll 三、形狀觀測(cè)器與原系統(tǒng)的銜接n用形狀反響實(shí)現(xiàn)零極點(diǎn)配置時(shí)，假設(shè)有些變量不能直接丈量，可構(gòu)造一個(gè)觀測(cè)器來(lái)估計(jì)這些形狀變量。Z2X-2212ALA21BLB2q2111ALA1qXL