【正文】 我還要感謝我們的學(xué)院和學(xué)校，是她們給了我這次實踐機(jī)會，使我對大學(xué)四年所學(xué)的知識有了一個很好的綜合，并給我留下了美好的回憶。 圖 36 轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形 通過圖 34 與圖 36 的比較，我們可以看出：在未加微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)時，當(dāng)上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 出現(xiàn)一個突然的負(fù)載擾動，由于只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對負(fù)載擾動有抑制作用，將引起轉(zhuǎn)速大幅度下降，電樞電流大幅度上升；采用微分補(bǔ)償環(huán)節(jié)后，由于對負(fù)載擾動進(jìn)行了微分補(bǔ)償，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降較小，電樞電流上升幅度也減小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn) 性好。在 MATLAB 中可實現(xiàn)工程計算、算法研究、建模和仿真、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序開發(fā)等功 能。另外轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅值應(yīng)按調(diào)速系統(tǒng)允許最1() nA S R n nsW s K s? ? ??nNn e mKRK CT????n nhT? ? ?( 1 )2 emnnh C TK h R T?????基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計與研究 18 大電流來調(diào)整，以確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。 圖 26 速度環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 所以轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)應(yīng)該校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)比較好，這首先是基于穩(wěn)態(tài)無靜差的要求。在實際應(yīng)用中，如果輸入電壓 Uin 一直存在，電容 C1 就不 斷充電，不斷進(jìn)行積分，直到輸出電壓 Uex 達(dá)到運(yùn)算放大器的限幅值 Uexm時為止，該過程稱作運(yùn)算放大器飽和。 用 PI 調(diào)節(jié)器作為調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正裝置，當(dāng)采用模擬控制時，可用運(yùn)算放大器來實現(xiàn) PI 調(diào)節(jié)器，其線路圖如圖 25 所示，其中 Uin 和 Uex 分別表示調(diào)節(jié)器輸入和輸出電壓的絕對值，圖中所示的極性表明它們是反相的， Rbal 為運(yùn)算放大器同相輸入端的平衡電阻，一般取反相輸入端各電路電阻的并聯(lián) 值，那么按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，我們便可以得到 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： (23) 式 中 KpiPI 調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)， Kpi=R1/R0, τ PI 調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，τ =R0C1 令τ 1= Kpiτ，τ 1 為微分項中的超前時間常數(shù)，即得 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 其外部鏈接圖如圖 24。 振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波送到 PWM 比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓送到PWM 比較器的同相輸入端，通過 PWM 比較器進(jìn)行比較，輸出一定寬度的脈沖波。 TL494 是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如 下： （ 22） 輸出脈沖的寬度是通過電容 CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進(jìn)行比較來實現(xiàn)。 基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計與研究 12 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： 2 1To n T To n To nU d U s U s U sT T T? ??? ? ? ????? 雙極式控制可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點(diǎn)： 1）、電流一定連續(xù)。 圖 21 電動機(jī)實物圖 直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為： ?Ce RIUn ??? （ 21） 式中 n轉(zhuǎn)速（ r/min） ； U電樞電壓 （ V） ； I電樞電流 (A)； R電樞回路總電阻 ； 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 ?勵磁磁通 （ Wb）； Ce由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的點(diǎn)動勢常數(shù)。 但是， 直流測速發(fā)電機(jī)存在造價高、碳刷需經(jīng)常維護(hù)、不易在現(xiàn)有系統(tǒng)上加裝等問題；光電碼盤也有造價高、需與電機(jī)軸彈性連接等問題。 ? ?11111 1222221 221220xxBAA uxAAxy I xx???? ? ? ????????? ? ? ???? ? ?? ? ? ??? ??? ????? ??? ?上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 將式 (19)改寫為： 1 11 1 12 2 1 11 1 12 1x A x A x B u A x A y B u? ? ? ? ? ? (110) 2 21 1 22 2x y A x A y B u? ? ? ? (111) 22 2 21y y A y B u A x? ? ? ? (112) 則有 (113) 這個 (nm)階子系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器為： 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1? ?( ) ( )x A G A x A y B u G y? ? ? ? ? 1 1 1 2 1 1 1 2 1 2 1 2 2 1?( ) ( ) ( )A G A x B G B u A G A y G y? ? ? ? ? ? ? (114) 其中， 1G 為 ()n m m?? 矩陣。 4）、有幾個觀測器極點(diǎn)要設(shè)置時，對于單極點(diǎn)可遠(yuǎn)離原系統(tǒng)極點(diǎn) 5~10 倍遠(yuǎn)。 通過上述討論可知，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的重構(gòu)，關(guān)鍵在于 G 矩陣的存在和適當(dāng)?shù)倪x擇。 2）、 根據(jù) F、 C， 用式 (17)計算出 G。 觀測器的設(shè)計準(zhǔn)則如下 ： 1）、 由于采用反饋控制，對原系統(tǒng)矩陣 A 和 B 的精度要求降低，但對矩陣 C 仍需有較高的精度。 然而， y 和 y? 是可以測量得到的，為克服上述缺點(diǎn)，我們可以將系統(tǒng)輸出和觀測器輸出的偏差 yy ?? 作為 矯正， 就能使偏差項穩(wěn)定，這樣就構(gòu)成了閉環(huán)觀測器。可以 根據(jù)系統(tǒng)的輸入量、輸出量和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)重構(gòu)， 實現(xiàn)狀態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)稱為狀態(tài)觀測器。 11 PWM 控制器 10 橋式可逆 PWM 變換器 10 直流電動機(jī) 8 第二章 系統(tǒng)各部分介紹及設(shè)計內(nèi)容 5 由此，我們可以利用狀態(tài)觀測器分別對轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行狀態(tài) 重構(gòu)，并且用重構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)反饋，從而使調(diào)速系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、更具 抗擾性。上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） I 基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計及研究 摘要 狀態(tài)反饋是現(xiàn)代控制理論中一種非常重要的控制規(guī)律。 關(guān)鍵詞：狀態(tài)觀測器，狀態(tài)反饋， 最優(yōu)估算 基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設(shè)計與研究 II BASED ON THE OPTIMAL ESTIMATION SPEED CONTROL SYSTEM STATE OBSERVER DESIGN AND RESEARCH ABSTRACT State feedback is a kind of very important control law in the modern control theory. In the engineering practice, when the state variables can not be measured directly, they are usually constructed by the asymptotic state observer of the system to realize the state feedback. In the past literatures, when designing the state observers, authors always took it for granted that the output variables could be measured pletely. However, in the engineering practices, limited by the physical or economic conditions, the output variables of some control systems could not be measured pletely. We take the DC converter system for an example, the loadtorsion is seemed as an additional disturbance. But it difficult for us to measure it, thus we can get use of the state observer to reconstruct the loadtorsion. For the existing DC motor, it is hard and less economic for us to equip speedmeasuring machine. Thus we need to design a state observer to estimate speed and the load torsion, and the estimation will be used as the plant of the state feedback, and doing this can make the system more economic and be more antidisturbance. KEYWORDS: state observers, state feedback , optimal estimation 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） III 目 錄 中文摘要 ABSTRACT 第一章 狀態(tài)觀測器及其應(yīng)用 1 全階觀測器的設(shè)計準(zhǔn)則 3 4 5 進(jìn)一步的討論 觀測器的設(shè)計思想是采用被控系統(tǒng)的輸入和輸出來估計出系統(tǒng)的狀態(tài)，從而使?fàn)顟B(tài)反饋得以實現(xiàn)。 即 ： ? ? ?()x A x B u G y y? ? ? ?? ?()A x B u G C x x? ? ? ? ?()A G C x B u G y? ? ? ? (13) 其中 G 為 n*m 矩陣 由 式 (2— 9)和式 (2— 11)，可得 偏差方程 ： ? ?( ) ( )x x A G C x x? ? ? ? ? (14) ? ??x Ax Buy Cx???上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 定義狀態(tài)估計誤差 xxe ??? ，可得誤差方程為： ()e A GC e? ? ? (15) 顯然，當(dāng)（ AGC）為穩(wěn)定矩陣時（即：其所有特值具有負(fù)實部），狀態(tài)估計誤差漸近于零，即： lim ( ) 0t et?? ?。其原因是通過 G 的反饋控制要在 yy ?? =0 時才不起作用。 全階觀測器的系統(tǒng)分析 由系統(tǒng)傳遞函數(shù) 可得出系統(tǒng)的狀態(tài)為： 1( ) ( ) ( )x s C sI A B u s??? ，對于圖 13 所示的觀測器，同樣可得到下式： 1()( ) ( )()ysG s C s I A Bus ?? ? ?上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 11? ( ) [ ] ( ) [ ] ( )x s sI F B u s sI F G y s??? ? ? ? 11[ ] ( ) [ ] ( )sI F B u s sI F G Cx s??? ? ? ? 1( ) [ ] ( )x s C sI A B u s??? 因此， 1 1 1? ( ) [ ] ( ) [ ] [ ] ( )x s sI