广义模态控制实例
- 1. 原系统
- 2. 调节器设计
- 3. 加入调节器后的系统
在广义模态控制一文中,笔者介绍了广义模态控制的思路以及算法。本文将举一个简单的广义模态控制的例子,以加深理解。
1. 原系统
取原开环系统的传递函数为
G
(
s
)
=
2
15
s
2
+
s
G ( {\rm s} ) = \frac{2}{15 {\rm s}^2 + {\rm s} }
G(s)=15s2+s2可见其有一个零极点,处于临界稳定,当外界输入为阶跃信号时,系统将直接变成不稳定系统。因此,不妨直接来看其闭环单位负反馈系统
W
(
s
)
W ( {\rm s} )
W(s):
W
(
s
)
=
G
(
s
)
1
+
G
(
s
)
=
2
15
s
2
+
s
+
2
W ( {\rm s} ) = \frac{G ({\rm s}) }{1 + G( {\rm s}) } = \frac{2}{15 {\rm s}^2 + {\rm s} + 2}
W(s)=1+G(s)G(s)=15s2+s+22其阶跃响应为:
可以看出,原闭环系统是趋于稳定的,但其缺点很明显:振荡过多,超调十分大,调节时间过长,整个系统的谐振性很明显,显然是不能应用于实际的。
2. 调节器设计
原系统为2阶系统,则调节器的最低阶数应当为
ν
=
n
−
1
=
1
\nu = n-1 = 1
ν=n−1=1阶。不妨就设计一阶调节器:
R
(
s
)
=
Q
(
s
)
P
(
s
)
=
q
1
s
+
q
0
s
+
p
0
R({\rm s}) = \frac{Q({\rm s})} {P({\rm s})} = \frac{q_1 {\rm s} + q_0}{{\rm s} + p_0}
R(s)=P(s)Q(s)=s+p0q1s+q0在把调节器传入前馈通路后,得到的系统的闭环传函为
W
c
(
s
)
=
R
(
s
)
G
(
s
)
1
+
R
(
s
)
G
(
s
)
=
q
1
s
+
q
0
s
+
p
0
2
15
s
2
+
s
1
+
q
1
s
+
q
0
s
+
p
0
2
15
s
2
+
s
=
2
(
q
1
s
+
q
0
)
s
(
15
s
+
1
)
(
s
+
p
0
)
+
2
(
q
1
s
+
q
0
)
=
2
(
q
1
s
+
q
0
)
15
s
3
+
(
15
p
0
+
1
)
s
2
+
(
p
0
+
2
q
1
)
s
+
2
q
0
\begin{aligned} W_c({\rm s}) &= \frac{R({\rm s}) G ({\rm s}) }{1 + R({\rm s}) G({\rm s})} \\ &= \frac{ \frac{q_1 {\rm s} + q_0}{{\rm s} + p_0} \frac{2}{15 {\rm s}^2 + {\rm s} } }{1 + \frac{q_1 {\rm s} + q_0}{{\rm s} + p_0} \frac{2}{15 {\rm s}^2 + {\rm s} } } \\ &= \frac{2 \left( q_1 {\rm s} + q_0 \right)}{ {\rm s} ( 15{\rm s} + 1) \left( {\rm s} + p_0 \right) + 2 \left( q_1 {\rm s} + q_0 \right) } \\ &= \frac{2 \left( q_1 {\rm s} + q_0 \right)}{ 15{\rm s}^3 + \left( 15p_0 + 1 \right){\rm s}^2 + \left( p_0 + 2q_1 \right){\rm s} + 2q_0 } \end{aligned}
Wc(s)=1+R(s)G(s)R(s)G(s)=1+s+p0q1s+q015s2+s2s+p0q1s+q015s2+s2=s(15s+1)(s+p0)+2(q1s+q0)2(q1s+q0)=15s3+(15p0+1)s2+(p0+2q1)s+2q02(q1s+q0)设期望得到的系统拥有3个极点:
−
0.1
,
−
0.2
,
−
0.2
-0.1, -0.2, -0.2
−0.1,−0.2,−0.2,则期望系统的特征方程(即传函分母)为:
(
s
+
0.1
)
(
s
+
0.2
)
2
( {\rm s} + 0.1 ) ( {\rm s} + 0.2 )^2
(s+0.1)(s+0.2)2于是,为使调节后的系统达到期望的系统指标,应当使调节后的系统具有所期望的极点分布,即:传递函数的分母应当相同:
15
s
3
+
(
15
p
0
+
1
)
s
2
+
(
p
0
+
2
q
1
)
s
+
2
q
0
=
(
s
+
0.1
)
(
s
+
0.2
)
2
15{\rm s}^3 + \left( 15p_0 + 1 \right){\rm s}^2 + \left( p_0 + 2q_1 \right){\rm s} + 2q_0 = ( {\rm s} + 0.1 ) ( {\rm s} + 0.2 )^2
15s3+(15p0+1)s2+(p0+2q1)s+2q0=(s+0.1)(s+0.2)2对照系数可以直接得到
p
0
=
13
30
,
q
1
=
23
60
,
q
0
=
3
100
,
p_0 = \frac{13}{30}, \quad q_1 = \frac{23}{60}, \quad q_0 = \frac{3}{100},
p0=3013,q1=6023,q0=1003,
R
(
s
)
=
q
1
s
+
q
0
s
+
p
0
=
11.5
s
+
0.9
30
s
+
13
R({\rm s}) = \frac{q_1 {\rm s} + q_0}{{\rm s} + p_0} = \frac{11.5 {\rm s} + 0.9}{30{\rm s} + 13}
R(s)=s+p0q1s+q0=30s+1311.5s+0.9
3. 加入调节器后的系统
加入调节器后的闭环传函为
W
c
(
s
)
=
2
(
q
1
s
+
q
0
)
15
s
3
+
(
15
p
0
+
1
)
s
2
+
(
p
0
+
2
q
1
)
s
+
2
q
0
=
23
s
+
1.8
450
s
3
+
225
s
2
+
36
s
+
1.8
W_c({\rm s}) = \frac{2 \left( q_1 {\rm s} + q_0 \right)}{ 15{\rm s}^3 + \left( 15p_0 + 1 \right){\rm s}^2 + \left( p_0 + 2q_1 \right){\rm s} + 2q_0 } = \frac{ 23{\rm s} +1.8 }{ 450{\rm s}^3 +225{\rm s}^2 + 36{\rm s} + 1.8 }
Wc(s)=15s3+(15p0+1)s2+(p0+2q1)s+2q02(q1s+q0)=450s3+225s2+36s+1.823s+1.8该系统的阶跃响应与原系统的阶跃响应对比图如下:
上图中红线为调节后闭环系统,蓝线为原闭环系统。
可以看出,加入所设计的一阶调节器后,系统的振荡消失,调节时间大大减小,超调几乎为零,响应速度加快,有很好的控制效果,已经可以应用于实际。