【正文】 lications that rely or bene?t from state estimation. These include antilock brakes (ABS), electronic stability program (ESP), rollover protection, collision avoidance,intelligent cruise control, active body control (ABC). Some of these application require special sensors to achieve the necessary performance or fault 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 tolerance. This leads to the fact that di?erent car models will have a di?erent set of onboard sensors, and di?erent requirements for state estimation. For example, lowend cars may only have an ABS system and the associated basic wheel and steering sensors, while highend cars with ESP and ABC may have additional sensors. This paper presents a parison of performances and characteristics of these observers. The criterion for parison is based on the observer tracking errors, both at steady state and during transients, and the robustness of the performance with respect to the uncertainties of plant. To further enhance the performance of NESO in the presence of unknown initial conditions, several nonlinear gain functions are introduced. The simulations conducted assisted in gaining insight of observer behavior in both openloop and closed–loop scenarios. The experimental results are also provided to give realism. The anization of the paper is as follows. Section II gives an introduction to existing observer design techniques. In Section III, simulation results of three observers in both openloop and closedloop forms are presented. A parison of several nonlinear gains for NESO is also performed. The experimental results are presented in Section IV and concluding remarks are given in S。還有， 在本次設(shè)計(jì)及論文的寫(xiě)作過(guò)程中，同組成員們也為我提供了不 少的幫助，在此也一并向他們表示感謝。 另外，我還要感謝以前給我授課的老師們，正是他們所講的課程給我這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了很好的基礎(chǔ)，才使得我的設(shè)計(jì)順利的完成。而且我相信隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展， 我們一定會(huì)將其運(yùn)用于更廣泛的領(lǐng)域 。 當(dāng)然， 在設(shè)計(jì)的過(guò)程中 我 也碰到了 諸 多困難，比如在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)模型的選取、 狀態(tài)變量的選定、 狀態(tài)觀測(cè)器的理解，以及在選定模型后，如何將狀態(tài)觀測(cè)器運(yùn)用到此系統(tǒng)中，還有 后來(lái)的建模仿真、參數(shù)的選定、波形的分析 、得出結(jié)論、優(yōu)越性的分析以及改進(jìn)措施 等等， 在遇到每一個(gè)問(wèn)題時(shí)我都努力的思考，及時(shí)的查閱資料，與同學(xué)探討交流，并聽(tīng)取 顏老師 的 指導(dǎo) ，在 自己不懈的努力下，終于克服了 一個(gè)個(gè)困難。 基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與研究 28 第 四 章 小結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了 基于 最優(yōu)估算調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器的簡(jiǎn) 單研究，另外對(duì) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成 、電器元件等進(jìn)行分析，并簡(jiǎn)單的進(jìn)行了建模仿真，從而對(duì)該系統(tǒng)有了更深的理解。 圖 34 轉(zhuǎn)速負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形 如圖 35 為：加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩微分補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng) 方框 圖 基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與研究 26 圖 35 系統(tǒng) 仿真方框 圖 如圖 36 為：加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩微分補(bǔ)償后的轉(zhuǎn)速與電樞電流波形。 對(duì)觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行微分補(bǔ)償 現(xiàn)在我通過(guò)觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)其進(jìn)行微分補(bǔ)償，并通過(guò)仿真波形比較微分補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真及分析 討論 觀測(cè)器的性能 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 配置 觀測(cè)器的極點(diǎn)為： ?? ， ?? 在仿真過(guò)程中，我在 4 秒和 8 秒時(shí)刻，分別給電機(jī)一個(gè)幅值為 10 和 20，分別 持續(xù) 秒的擾動(dòng)電流。由于 MATLAB 具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能、易學(xué)易用和可擴(kuò)展的特點(diǎn)，已使之明顯優(yōu)于其他工程計(jì)算語(yǔ)言，而成為當(dāng)今應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科研究和解決工程計(jì)算問(wèn)題的一種標(biāo)準(zhǔn)軟件。 221 2 56 4nLgCen LJgCe???? ? ???? ?1 37 1 0 22ZZ Y UdZZ?? ??? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ?????21 22Ceg nLCeg nLJ??????基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與研究 22 圖 28 狀態(tài)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖 第三章 系統(tǒng)仿真及性能分析 MATLAB/Simulink 簡(jiǎn)介 MATLAB(矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱(chēng) )是 MathWorks 公司推出的一種使用簡(jiǎn)便的工程計(jì)算語(yǔ)言，它以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化、程序設(shè)計(jì)融合到了一個(gè)交互的工作環(huán)境中。 圖 27 直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 27 是直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖， 其參數(shù)如表一 ： 表一、系統(tǒng)相關(guān)參數(shù) 符號(hào) 描述 數(shù)值 Un 參考輸入電壓 10V Ks UPE 放大倍數(shù) 38 TL 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) Tm 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) Ts UPE 時(shí)間常數(shù) R 電樞電阻 Ce 反電動(dòng)勢(shì)系數(shù) Cm 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 ? 電壓 — 速度比 L 電感 J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由結(jié)構(gòu)圖可以列出電機(jī)的狀態(tài)方程： 在電機(jī)負(fù)載擾動(dòng)變化緩慢的條件下，將電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作常值處理，得： 選取狀態(tài)變量 X1=n,X2=ML,X3=Id, 設(shè)系統(tǒng)的輸出為 Y=Id=X3,則系統(tǒng)的狀態(tài)方程組和輸出方程的矩陣形式為： 由系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出狀態(tài)方程，得能觀測(cè)性矩陣： 容易證明， N 的秩為 3，由能觀測(cè)性判據(jù)，此系統(tǒng)狀態(tài)完全能觀測(cè)。 在本文 中的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，具體的設(shè)計(jì)也采用 PI 調(diào)節(jié)器，加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)將根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。但是需要注意的是雖然使用 PI 調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，設(shè)計(jì)和調(diào)試方便，但是由于轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)，而且抗干擾性能的提高也受到限制，所以在某些 不允許轉(zhuǎn)速超調(diào)，或?qū)?dòng)態(tài)抗性要求很高的地方，僅僅采用 PI 調(diào)節(jié)器就有些無(wú)能為力了。在用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制時(shí)，可以以保障：① 調(diào)速精度，做到靜態(tài)無(wú)差；② 機(jī)械特性硬，滿(mǎn)足負(fù)載要求。因此，大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)都按典型Ⅱ系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。再?gòu)膭?dòng)態(tài)性能上看，調(diào)速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾性能，典型Ⅱ型系統(tǒng)恰好能滿(mǎn)足這個(gè)要求。由 上 圖可以看出，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)以后 已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)。 上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 經(jīng)簡(jiǎn)化后，整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便如圖所示。 在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的 轉(zhuǎn)矩 環(huán)看作 是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的等效傳遞函數(shù)。 所以可以說(shuō) PI 調(diào)節(jié)器既合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。所以為了保證線(xiàn)形放大作用并保護(hù)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)運(yùn)算放大器設(shè)置輸出電壓限幅是非常必要的。在過(guò)度過(guò)程中，電容 C1 由電流恒流充電，實(shí)現(xiàn)積分作用，使 Uex 線(xiàn)形地增長(zhǎng)，相當(dāng)于在動(dòng)態(tài)中把放大系數(shù)逐漸提高，最終滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)精度的要求。但是 Kpi 是小于穩(wěn)p i 11( 1 )() KsW pi ss????基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與研究 16 態(tài)性能指標(biāo)所要求的比例放大系數(shù) Kp 的，因此快速性被降低了，換來(lái)對(duì)穩(wěn)定性的保證。這時(shí)，輸出量與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 圖 25 比例積分 (PI)調(diào)節(jié)器線(xiàn)路圖 我們可以看出 PI 調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量。 在這次的 設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 ATR 均采用 PI 調(diào)節(jié)器，下面就將簡(jiǎn)單介紹一下調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾上海理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 問(wèn)題分成兩步來(lái)解決，第一步解決主要矛盾，即動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進(jìn)一步滿(mǎn)足其他動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路分兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿(mǎn)足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。 圖 24 TL494 外部連接圖 轉(zhuǎn)速、 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)性能。鋸齒波發(fā)生器定時(shí)電 容CT=，定時(shí)電阻 RT=3kΩ，其晶振頻率內(nèi)部?jī)蓚€(gè)輸出晶體管集電極（腳 8和腳 11）接＋ 12V 高電平，其發(fā)射極（腳 9 和腳 10）分別驅(qū)動(dòng) V1 和 V2，從1. 1 36 .6fos c kH ZR t Ct???基于最優(yōu)估算的調(diào)速狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與研究 14 而控制 S1 和 S2,S3 和 S4 管輪流導(dǎo)通和關(guān)閉。 圖 23 TL494 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 制，而內(nèi)部誤差放大器 EA2 則用來(lái)打開(kāi)和關(guān) 斷TL494，用于保護(hù)控制。兩個(gè)放大器可獨(dú)立使用 ,如分別用于反饋穩(wěn)壓和過(guò)流保護(hù)等，此時(shí)腳 3 應(yīng)接 RC 網(wǎng)絡(luò)，提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí)， TL494 輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 ton，達(dá)到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目的。這樣可以保護(hù)開(kāi)關(guān)電源電路中的三極管。5%的精確度。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。功率輸出管 Q1 和 Q2 受控于或非門(mén)。 下面我來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下其內(nèi)部構(gòu)造及工作原理。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過(guò)程中， 4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 4）、低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1： 20210 左右。 2）、可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，Ton＞ 2T ,則 Uab 的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，