第九章 魚雷自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)代設計方法ppt課件

1、第九章 魚雷自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)代設計方法經(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，運用經(jīng)典控制方試湊法，運用經(jīng)典控制方法設計控制系統(tǒng)取決于設計者的程度和閱歷。法設計控制系統(tǒng)取決于設計者的程度和閱歷。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)代控制實際概述現(xiàn)代控制實際研討的范圍比較寬，適宜線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。在魚雷上的運用主要包括： 極點配置法極點配置法 最優(yōu)控制實際最優(yōu)控制實際 自順應控制自順應控制9-2 用極點配置法設

2、計魚雷控制系統(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平面的位置決議，極點配置法的根本思緒是將系統(tǒng)設計為負反響控制統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)理反響增益矩陣，使控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點配置在期望的位置，使控制系統(tǒng)到達期望的性能。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 時，上面的形狀方程對應的系統(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對應系統(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描畫設Q矩陣為非奇特矩陣 1QP，設 )()(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 ，那么 此式即可

4、控規(guī)范型。求Q矩陣的方法 nqqqQ211112212121212111nnnnnnnnnnnnnnnnnqbqAqaqAbabqAqaqA baAbabqAqa qAbaAbab3 二、用形狀反響實現(xiàn)零極點配置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)學表達式XAXbUYCXUrKXK1 KPK式中，為可控規(guī)范型下的反響增益矩陣。設，代入上式的 )()()()()()()()()()(1tXKPtrtXKtrtUtXCtYtUbtXAtX將3式代入1式()XAbK XbrYCXAAbKXAXbrYCX 設，

5、代入上式得閉環(huán)系統(tǒng)的形狀方程式中1201210121123011223101000001001010000000010000001000010()()()()nnnnnnAAbKkkkaaaaaaaakkkkakakakak 對應的閉環(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、反響實現(xiàn)極點配置的步驟如下：(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、形狀觀測器漸進形狀觀測器 形狀觀測器分全維形狀觀測器和降維形狀觀測器，在工程實踐中降維形狀觀測器用得比較多，普通都是設計降維觀測器。 設計形狀觀測器的緣由： 在控制系統(tǒng)中，一些形狀變量容易丈量出來，例如溫度、壓力、流量等。有些形狀變量可以直接丈量出來，比較準確。而有些形狀變量不容易丈量出來，需求設計形狀觀測估計出來。例如魚雷的兩個動力角參數(shù) 觀測器，電機的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器。/ v1.降維形狀觀測器數(shù)學模型

9、 XAXBUYCX式中， 可觀測， 陣為行滿秩矩陣，即 。,A CCranCm假設 式中 為不可觀測矩陣。 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 的個形狀 可觀測的形狀，不能直接輸出的 個形狀 不能觀測的形狀，即Xm1Xnm2X12XXX6 對 矩陣也作相應的分塊得,A B111111222212221120mXBXAAUBXAAXXYIXX 將其展開得1111122

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

11、 可知，輸出中含有 ，用 作為形狀觀測器的輸入，在實踐系統(tǒng)中容易引起干擾，應該設法消去，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)形狀觀測器方程為11212YXP XQXqqqYqZLYZLYZ2X-u2212ALA21BLB2q2111ALA1qXL1XYZ圖9.4 n-m維形狀觀測器構(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設計 的2維形狀觀測器，使 1,y *2( )1845D sssn解:n分析： ，因此100C 010001R100010001P相應的分塊為 110A 1201A 2100A 221.350.2211.745.38A 10B 20.111.88B根據(jù)形狀觀測器方程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、形狀觀測器與原系統(tǒng)的銜接n用形狀反響實現(xiàn)零極點配置時，假設有些變量不能直接丈量，可構(gòu)造一個觀測器來估計這些形狀變量。Z2X-2212ALA21BLB2q2111ALA1qXL