智能控制理论及应用 课件 第2章 控制系统设计引论

ZhejiangSci-TechUniversity1主要内容2.1引言：以水箱控制为例2.2传统控制系统设计2.3模糊控制系统设计第2章控制系统设计引论2.1引言：以水箱液位控制为例/01案例：水箱液位对象该水箱有一个进水口、一个出水口，其中进水口通过阀门VA调节进水量，出水口管道的大小固定不可调节。图2-1水箱对象示意图控制要求为：设定值上升时间超调量稳态误差第2章2.1引言：以水箱液位控制为例2.2传统控制系统设计/022.2传统控制系统设计1.被控对象建模2.分析（1）时域分析呈现一阶系统的典型特征，无超调和震荡；通过选择合适的控制量，液位基本稳定在20cm；但上升时间太慢，大概为500s。第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计2.分析（2）开环零极点分析由于有唯一的负极点，所以系统稳定。同时，系统响应速度跟极点幅值大小有关，极点幅值越大，响应速度越快。第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计2.分析（3）频域分析该伯德图同样展示出了典型一阶对象的特性。bode(G_tank)第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计3.设计（1）根轨迹法设计图2-5反馈控制系统结构框图根轨迹图显示的是当增益从零变为无穷大时闭环极点的运动轨迹。结合性能指标要求，可知系统应满足如下条件：第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计3.设计（1）根轨迹法设计绘制根轨迹图：图2-6根轨迹图第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计3.设计（1）根轨迹法设计使用[Kp,poles]=rlocfind(G_tank)命令找到满足性能指标的闭环极点的位置和对应的Kp值。运行rlocfind命令后，会看到一条提示，要求在根轨迹图上选择一个点。按照要求当我们在图2-7中选中红色“+”号所在位置后，可得到如下结果：Kp=57.4077；poles=-0.3236。第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计3.设计（1）根轨迹法设计之后，将得到的Kp值代入闭环传函，观察闭环系统的响应曲线。此时，上升时间、超调量、稳态误差均满足要求。第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计（2）PID控制器设计PID在MATLAB中可以通过调用函数pid(Kp,Ki,Kd)实现首先加入比例作用第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计（2）PID控制器设计随着Kp增大，控制系统满足了设定的性能要求。对于其他复杂系统，或者性能要求比较高的场合，可能需要加入积分进一步减小稳态误差，或加入微分作用提高动态过程的稳定性。第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计（3）基于频域法的设计（伯德图）首先绘制水箱对象的伯德图bode(G_tank)第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计（3）基于频域法的设计（伯德图）第2章2.2传统控制系统设计2.2传统控制系统设计（3）基于频域法的设计（伯德图）第2章2.2传统控制系统设计2.3模糊控制系统设计/032.3水箱液位模糊控制系统设计第2章2.3模糊控制系统设计模糊控制是一种无需对被控对象进行建模，完全基于专家经验的智能控制方法，它将专家经验转换为计算机可以执行的规则，让计算机代替专家智能地完成控制任务。让我们来操控阀门VA当h<H，开大阀门VA来增加进水量使当前液位上升，并且液位低得越多，阀门VA开得越大；当h>H，关小进水口阀门VA来减少进水量以使当前液位下降，并且液位高得越多，阀门VA关得越小；当h=H，则可以保持当前阀门VA的开度不变。2.3水箱液位模糊控制系统设计代表入口阀