【正文】 最后再次感謝指導老師悉心的指導和同學們的熱心幫助。 上海理工大學畢業(yè)設計（論文） 29 謝辭 感謝此次論文的指導老師 —— 顏小辛老師，在他的 細心 指導下，我才能順利地完成論文，在遇到問題時，也能夠得到顏 老師及時地 耐心地 幫助，在此十分感激?。?！ 他的指導和教誨我會永記心中，作為今后工作學習的準則。 通過本次設計我充分理解了狀態(tài)觀測器的原理，并將其應用于直流調(diào)速系統(tǒng)中 ，最終 順利的 完成了報告 。 如圖 33 為：未加負載轉(zhuǎn)矩微分補償?shù)南到y(tǒng) 方框 圖 上海理工大學畢業(yè)設計（論文） 25 圖 33 系統(tǒng) 仿真方框 圖 如圖 34 為：未加負載轉(zhuǎn)矩微分補償時， 轉(zhuǎn)速與電樞電流的波形。 Simulink 是MATLAB 語言中的一個重要組成部分，具有相對獨立的功能和使用方法，它支持線性、非線性、連續(xù)、離散或混合系統(tǒng)，同時 Simulink 提供了友好的圖形用戶界面、豐富的功能模塊，并可結(jié)合 MATLAB 程序于仿真中，其強大的功能、簡便的操作使之非常適用于動態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和分析。系統(tǒng)dI dU d R Id L CedtdnCm Id M l Jdt?? ? ???0dMldt ?20 0 10CC e RN C ALLCARC e C e C e C mL L J L J????????? ? ? ??? ??????????UdLLLRJCeJCmJxxx??????????????????????????????????????????????????????100100000010321???? ?????????????321100xxxY基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設計與研究 20 取三個狀態(tài)變量，如果估計三個狀態(tài)變量，則需要設計一個三維觀測器，考慮到執(zhí)行電機的電樞電流 Id(X3)容易檢測，因此可以利用輸入電壓 Ud 和系統(tǒng)輸出 Y(X3)設計一個二維降階觀測器，由降階觀測器的設計原則，將狀態(tài)矩陣按兩組分塊，其中 ???????? ??001011 JA ?????????012 JCmA ???????? 021 LCeA ???????? LRA22 ??????? 0011B ???????LB 121 ? ?0011 ?C ??112?C 設狀態(tài)反饋矩陣21ggG? 由降階觀測器公式得： 其中觀測器系統(tǒng)矩陣 2111 AGAA ???? 由于為一個 2*2 矩陣，按典型二階系統(tǒng)設計，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2222)( nnss ns ????? ??? ，特征方程為： 02 22 ??? nn ????? ，所設計的觀測器的特征方程為： 0???AI? 即 ? ?? ?11( 11 21 ) ( 1 2) ( 11 21 ) 12 22?? 22ZZA G A B G B U d A G A G A G A YZZ?? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????? ???????x Z G y? ? ?21112 02Ce gCe g Ce gLJCe g L LJL?????? ? ? ??上海理工大學畢業(yè)設計（論文） 21 將兩特征方程比較得出： 考慮到點機系統(tǒng)響應特性和觀測器輸出是響應要快、超調(diào)要 小的要求，取 sra dn /10, ?? ?? ，則： 以上各式帶入數(shù)據(jù)得： 可得狀態(tài)觀測器的結(jié)構(gòu)圖 如圖 28。當然解決的方法可以在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增設轉(zhuǎn)速微分負反饋，以抑制甚至消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，同時可以大大降低動態(tài)速降，具體的設計研究這里不作探討。另外可以明顯地看出，要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)， ASR 應該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （ 27） 其中 Kn 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，τ n 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)，這樣便可以得到轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為： （ 28） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn 和τ n，可以根據(jù)典型Ⅱ系統(tǒng)的參數(shù)關系對其進行計算選擇，我們可以得到： （ 29） （ 210） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)中的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，而在穩(wěn)態(tài)時又可減小轉(zhuǎn)速誤差，所以采用 PI 調(diào)節(jié)器，還可實現(xiàn)無靜差。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié)，因此需要Ⅱ型系統(tǒng)。其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 2( 1 ) 1()11 1( 1 )Iic liI ii IIKs T sWs KTss T s KK?????? ???? （ 24） 忽略高次項， Wcli(s)可降階近似為： 1() 11cliIWs sK? ? （ 25） 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)， 轉(zhuǎn)矩 環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為 Ui*(s)，因此 轉(zhuǎn)矩 環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)中應等效為： *1( ) ( )1() 1d c liiII s W sUs sK???? ? （ 26） 這樣原來雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。在實際閉環(huán)系統(tǒng)中，當轉(zhuǎn)速上升到給定值時， PI 調(diào)節(jié)器的 Uin=0，那么積分過程就停止了。而如果只有 Kpi 的比例放大作用，穩(wěn)態(tài)精度必然要受到影響，但現(xiàn)在還有積分部分。 PI 調(diào)節(jié)器未飽和時，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分，直到輸入 為零，才停止積分。下面我們來設計轉(zhuǎn)速、 負載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器。對于調(diào)速系統(tǒng)來說，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。腳 2 和腳 15 相連，并與公共輸出端腳 3 相連通，因腳3 電位固定， 所以， TL494 驅(qū)動脈沖寬度主要由腳 1（ PWM 調(diào)整控制端）來控制；腳 16 是系統(tǒng)保護輸入端，系統(tǒng)的過流、過壓、欠壓、過溫等故障以及穩(wěn)壓或穩(wěn)流切換時關斷信號都是通過腳 16 來控制。脈沖調(diào)寬電壓可由腳 3 直接送入的電壓來控制 ,也可分別從兩個誤差放大器的輸入端送入 ,通過比較、放大 ,經(jīng)隔離二極管輸出到 PWM 比較器的正相輸入端。 TL494 主要引腳的功能為： 腳 1 和腳 2 分別為誤差比較放大器的同相輸入端和反相輸入端； 腳 15 和腳 16 分別為控制比較放大器的反相輸入端和同相輸入端； 腳 3 為控制比較放大器和誤差比較放大器的公共輸出端，輸出時表現(xiàn) 為或輸出控制特性，也就是說在兩個放大器中，輸出幅度大者起作用；當腳 3 的電平變高時， TL494 送出的驅(qū)動脈沖寬度變窄，當腳 3 電平變低時 ,驅(qū)動脈沖寬度變寬； Rt Ct? ?上海理工大學畢業(yè)設計（論文） 13 腳 4 為死區(qū)電平控制端，從腳 4 加入死區(qū)控制電壓可對驅(qū)動脈沖的最大寬度進行控制，使其不超過 180176。當雙穩(wěn)觸發(fā)器 的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。 PWM 控制 器 如何產(chǎn)生上一節(jié)中講到的 Ug Ug Ug Ug4 呢？本文采用 TL494 這塊集成芯片來產(chǎn)生這四個驅(qū)動電壓。 3)、電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 圖 22 橋式可逆 PWM 變換器 電動機的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。 2）減弱勵磁磁通 ? 。其原理圖如圖 13。 圖 12 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，負載轉(zhuǎn)矩作為一個外加擾動量而存在。對新系統(tǒng)（ 13），重新按照以上方法構(gòu)造狀態(tài)觀測器，即可實現(xiàn)對系統(tǒng)（ 11） 的 狀態(tài)觀測。只要選擇 1G ，使11 1 21()A GA? 的所有特征值具有負實部，則式 (114)就是系統(tǒng) (19)的降階觀測器。如果要得到 系統(tǒng)的 n 個狀態(tài)，只需要用一個低階的觀測器估計其余的狀態(tài)變量就可以了，而且系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器的最小維數(shù)是(nm)。 5）、通常部選用兩個不同值的極點，因其階躍響應是過阻尼，響應較慢，是不希望的。 3）、嚴格地講，系統(tǒng)得參數(shù)隨著運行情況不同，是變化的。這一方面能保證觀測器系統(tǒng)是穩(wěn)定的同時 也使觀測器的響應比原系統(tǒng)要快 的多，? ?()x A G C x Bu G y? ? ? ? ? ?基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設計與研究 6 使觀測器系統(tǒng)的動態(tài)性能 改善。 觀測器的極點配置 系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器存在的充分必要條件是：系統(tǒng)能觀測或者系統(tǒng)雖不能觀測但其不能觀測的子系統(tǒng)的特征值具有負實部。在觀測器中，由于輸入信號產(chǎn)生的零點被觀測器的極點對消，因此，使觀測器的狀態(tài)輸出與系統(tǒng)的狀態(tài)值保持一致。 4）、 觀測器的動態(tài)性能由觀測器的系統(tǒng)矩陣 F 決定。這時，才有 ?xx? ，因此，必須觀測器與系統(tǒng)的 C 相同，即對 C 的精度要求較高。 基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測器的設計與研究 4 圖 13 全階觀測器的實現(xiàn) 因此，觀測器的設計轉(zhuǎn)化為觀測器矩陣 L 和 F 的設計?？梢?，在輸出變量不完全可觀測時，可以利用某個可觀測的輸出變量構(gòu)造狀態(tài)觀測器，能夠達到對系統(tǒng) (11)的狀態(tài)觀測器，觀測誤差漸近趨近于零，這種算法就稱之為 最優(yōu)估算法。但是，由于不可避免的存在著各式各樣的 噪聲，模型以及初始 條件不可能做到與實際系統(tǒng)完全相同。根據(jù)被控系統(tǒng)的類型，為了獲得狀態(tài)變量采用兩種類型的觀測器：對于確定性系統(tǒng)采用狀態(tài)觀測器得到狀態(tài)變量的信號，對于隨機性系統(tǒng)采用狀態(tài)估計器得到狀態(tài)變量的估計值。例如，系統(tǒng)中的某些狀態(tài)基于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性或者是狀態(tài)變量本身無物理意義，而無法測得；有些狀態(tài)變量雖然可以測量得到，但應用的傳感器價格很貴；有些狀態(tài)信號很微弱，在測量點易混進噪聲，使得這些狀態(tài)實際上難以應用。 30 原文 27 謝辭 22 MATLAB/SIMULINK 簡介 18 第 三 章 系統(tǒng)各部分介紹及設計內(nèi)容 12 轉(zhuǎn)速、負載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的設計 但是對 負載轉(zhuǎn)矩的測量是十分困難的， 由此我們可以利用 負載轉(zhuǎn)矩觀測器估值，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的測量，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩變化的擾動補 償。在工程實踐中，當狀態(tài)變量不能直接檢測時，通常構(gòu)造系統(tǒng)的漸近狀態(tài)觀測器來重構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)以實現(xiàn)狀態(tài)反饋。我們經(jīng)?？吹綍?，狀態(tài)觀測器的設計都是默認系統(tǒng)的輸出完全可測。 而對于現(xiàn)有的電動機，安裝測速發(fā)電機不僅麻煩而且不經(jīng)濟。 1 狀態(tài)觀測器 7 直流調(diào)速 系統(tǒng)中 狀態(tài)觀測器的應用 14 降階狀態(tài)觀測器的設計 22 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真及分析 上述情況表明，得不 到實際能應用的系統(tǒng)狀態(tài)變量，而運用狀態(tài)反 饋 又必須有可應用的狀態(tài)變量，怎么辦呢？能否通過系統(tǒng)的