状态观测器的设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上东南大学实 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： 一、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

2、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，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 ，设被控系统状态方程 构造开环观测器， 为状态向量和输出向量估值由于初态不同，估值状态不能替代被控系统状态，为了使两者初态跟随，采用输出误差反馈调节，即加入，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。也可写成 只要（A-HC）的特征根具有负实部，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

3、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。实验采用结构，即输出误差反馈，而不是输出反馈形式。由图可以推导： 所以： 比较：可以得到：选择观测器极点为，即有：故：特征式 =取：，求解三、实验设备：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下它代表计算机与外部

4、的接口：l 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；l 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K1、K2或T1、T2，重复步骤

5、3，说明实验原因改变g1、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。3说明H阵有什么作用，并计算观测器反馈阵。答：对于不渐近稳定的系统t趋近于无穷时状态误差不为0，说以要用用输出反馈来

6、镇定，这里的H就是反馈矩阵使状态误差为0。由方框图可得 ： 可以得到：选择观测器极点为，即有：故：特征式 =得：H阵，假设，则有：取：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3、g1=3.3，g2=3.24，k1=10, k2=2，T1=0.5,T2=0.2，闭环时4、g1=3.3，g2=3.24，k1=10, k2=2，T1=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