状态观测器的设计分析解析

东南大学实验报告课程名称：自动控制原理实验名称：状态观察器的设计院（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：年5月11日评定成绩：审视教师：一、实验目的理解观察器在自动控制设计中的作用；理解观察器的极点设立；会设计实用的状态观察器。二、实验原理如果控制系统采用极点配备的办法来设计，就必须要得到系统的各个状态，然后才干状态反馈进行极点配备。然而，大多数被控系统的状态是不能直接得到的，怎么办？于是提出了运用被控系统的输入量和输出量重构原系统的状态，这样原系统的状态就能被等价取出，从而进行状态反馈，达成改善系统的目的。另外，状态观察器能够用来监测被控系统的各个参量。观察器的设计线路不是唯一的，本实验采用较实用的设计。给一种被控二阶系统，其开环传递函数是，设被控系统状态方程构造开环观察器，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，即构造闭环观察器，闭环观察器对重构造的参数误差也有收敛作用。也可写成只要（A-HC）的特性根含有负实部，状态向量误差就按指数规律衰减，且极点可任意配备，普通地，（A-HC）的收敛速度要比被控系统的响应速度要快。工程上，取不大于被控系统最小时间的3至5倍，若响应太快，H就要很大，容易产生噪声干扰。实验采用构造，即输出误差反馈，而不是输出反馈形式。由图能够推导：因此：比较：能够得到：选择观察器极点为，即有：故：特性式=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、实验环节按规定设计状态观察器：在Matlab环境下实现对象的实时控制1、将ZhuangTai_model.mdl复制到E:\MATLAB6p5\work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的接口：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；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察器的系统实时控制方框图3、如图对的接线，并判断每一模块都是正常的，涉及接好测试仪器、设立参数、初始化各个设备和模块；接成开环观察器，双击误差开关，使开关接地。观察对象输出Y与观察器状态输出y的阶跃响应；（阶跃不要超出0.3V）接成闭环观察器，双击误差开关，使开关接误差。观察对象输出Y与观察器状态输出y的阶跃响应；（阶跃不要超出0.3V）4、变化K1、K2或T1、T2，重复环节3，阐明实验因素变化g1、g2重复环节3，阐明实验因素五、预习与回答：1.如何在观察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察器，然后把观察器的状态反馈到输入端。2.请分辨原系统极点、控制系统极点、盼望极点、观察器极点。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。盼望极点：根据所给的设计指标规定计算出的极点。观察器极点：状态观察器特性多项式为0的根。3阐明H阵有什么作用，并计算观察器反馈阵。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镇静，这里的H就是反馈矩阵使状态误差为0。由方框图可得：能够得到：选择观察器极点为，即有：故：特性式=得：H阵，假设，则有：取：能够求得：六、实验成果1、接成开环观察器(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、实验总结这次实验重要是设计系统的状态观察器，取出系统的状态方便用于状态反馈，并使得原系统和观察器的输出误差为零。学会了根据状态观察器方框图写出状态方程并拟定观察器盼望极点