【正文】 nitoring applications 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 上海理工大學畢業(yè)設計（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 a。還有， 在本次設計及論文的寫作過程中，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)設計打下了很好的基礎，才使得我的設計順利的完成。而且我相信隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展， 我們一定會將其運用于更廣泛的領域 。 當然， 在設計的過程中 我 也碰到了 諸 多困難，比如在設計開始時模型的選取、 狀態(tài)變量的選定、 狀態(tài)觀測器的理解，以及在選定模型后，如何將狀態(tài)觀測器運用到此系統(tǒng)中，還有后來的建模仿真、參數(shù)的選定、波形的 分析 、得出結論、優(yōu)越性的分析以及改進措施 等等， 在遇到每一個問題時我都努力的思考，及時的查閱資料，與同學探討交流，并聽取 顏老師 的 指導 ，在 自己不懈的努力下，終于克服了 一個個困難。 基于最優(yōu)估算的調速狀態(tài)觀測器的設計與研究 28 第 四 章 小結 本次畢業(yè)設計完成了 基于 最優(yōu)估算調速系統(tǒng)狀態(tài)觀測器的簡 單研究，另外對 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理、結構組成 、電器元件等進行分析，并簡單的進行了建模仿真，從而對該系統(tǒng)有了更深的理解。 圖 34 轉速負載轉矩波形 如圖 35 為：加上負載轉矩微分補償?shù)南到y(tǒng) 方框 圖 基于最優(yōu)估算的調速狀態(tài)觀測器的設計與研究 26 圖 35 系統(tǒng) 仿真方框 圖 如圖 36 為：加上負載轉矩微分補償后的轉速與電樞電流波形。 對觀測的負載轉矩進行微分補償 現(xiàn)在我通過觀測的負載轉矩對其進行微分補償，并通過仿真波形比較微分補償對系統(tǒng)性能的影響。 基于 MATLAB 的控制系統(tǒng)仿真及分析 討論觀測器的性能 上海理工大學畢業(yè)設計（論文 ） 23 配置 觀測器的 極點為： ?? ， ?? 在仿真過程中，我在 4 秒和 8 秒時刻，分別給電機一個幅值為 10 和 20，分別 持續(xù) 秒的擾動電流。由于 MATLAB 具有強 大的數(shù)值計算功能、易學易用和可擴展的特點，已使之明顯優(yōu)于其他工程計算語言，而成為當今應用于多個學科研究和解決工程計算問題的一種標準軟件。 221 2 56 4nLgCen LJgCe???? ? ???? ?1 37 1 0 22ZZ Y UdZZ?? ??? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ?????21 22Ceg nLCeg nLJ??????基于最優(yōu)估算的調速狀態(tài)觀測器的設計與研究 22 圖 28 狀態(tài)觀測器結構圖 第三章 系統(tǒng)仿真及性能分析 MATLAB/Simulink 簡介 MATLAB(矩陣實驗室的簡稱 )是 MathWorks 公司推出的一種使用簡便的工程計算語言，它以矩陣計算為基礎，把計算、可視化、程序設計融合到了一個交互的工作環(huán)境中。 圖 27 直流電機系統(tǒng)結構框圖 如圖 27 是直流電機的結構 圖，其參數(shù)如表一 ： 表一、系統(tǒng)相關參數(shù) 符號 描述 數(shù)值 Un 參考輸入電壓 10V Ks UPE 放大倍數(shù) 38 TL 電樞回路電磁時間常數(shù) Tm 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù) Ts UPE 時間常數(shù) R 電樞電阻 Ce 反電動勢系數(shù) Cm 電動機的轉矩系數(shù) 上海理工大學畢業(yè)設計（論文 ） 19 ? 電壓 — 速度比 L 電感 J 轉動慣量 由結構圖可以列出電機的狀態(tài)方程： 在電機負載擾動變化緩慢的條件下，將電機負載轉矩作常值處理，得： 選取狀態(tài)變量 X1=n,X2=ML,X3=Id, 設系統(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，得能觀測性矩陣： 容易證明， N 的秩為 3，由能觀測性判據(jù)，此系統(tǒng)狀態(tài)完全能觀測。 在本文 中的轉矩調節(jié)器，具體的設計也采用 PI 調節(jié)器，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，而調節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)將根據(jù)系統(tǒng)的實際情況進行設定。但是需要注意的是雖然使用 PI 調節(jié)器的調速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，結構簡單，工作可靠，設計和調試方便，但是由于轉速必然有超調，而且抗干擾性能的提高也受到限制，所以在 某些不允許轉速超調，或對動態(tài)抗性要求很高的地方，僅僅采用 PI 調節(jié)器就有些無能為力了。在用于對電機轉速進行控制時，可以以保障：① 調速精度，做到靜態(tài)無差；② 機械特性硬，滿足負載要求。因此，大多數(shù)調速系統(tǒng)的轉速環(huán)都按典型Ⅱ系統(tǒng)進行設計。再從動態(tài)性能上看，調速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾性能，典型Ⅱ型系統(tǒng)恰好能滿足這個要求。由 上 圖可以看出，在負載擾動作用點 以后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)。 上海理工大學畢業(yè)設計（論文 ） 17 經(jīng)簡化后，整個轉速調節(jié)環(huán)節(jié)的動態(tài)結構框圖便如圖所示。 在設計轉速調節(jié)器時，可把已設計好的 轉矩 環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的等效傳遞函數(shù)。 所以可以說 PI 調節(jié)器既合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。所以為了保證線形放大作用并保護系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，對運算放大器設置輸出電壓限幅是非常必要的。在過度過程中，電容 C1 由電流恒流充電，實現(xiàn)積分作用，使 Uex 線形地增長，相當于在動態(tài)中把放大系數(shù)逐漸提高，最終滿足穩(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)估算的調速狀態(tài)觀測器的設計與研究 16 態(tài)性能指標所要求的比例放大系數(shù) Kp 的，因此快速性被降低了，換來對穩(wěn)定性的保證。這時，輸出量與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 圖 25 比例積分 (PI)調節(jié)器線路圖 我們可以看出 PI 調節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量。 在這次的設計中轉速調節(jié)器 ASR，轉矩調節(jié)器 ATR 均采用 PI 調節(jié)器，下面就將簡單介紹一下調節(jié)器的設計。這樣做，就把穩(wěn)、準、快和抗干擾之間互相交叉的矛盾上海理工大學畢業(yè)設計（論文 ） 15 問題分成兩步來解決，第一步解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中再進一步滿足其他動態(tài)性能指標。 工程設計方法的基本思路分兩步：第一步，先選擇調節(jié)器的結構以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。 圖 24 TL494 外部連接圖 轉速、 負載轉矩 調節(jié)器的設計 一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。鋸齒波發(fā)生器定時電 容CT=，定時電阻 RT=3kΩ，其晶振頻率內部兩個輸出晶體管集電極（腳 8和腳 11）接＋ 12V 高電平，其發(fā)射極（腳 9 和腳 10）分別驅動 V1 和 V2，從1 .1 3 6 .6fo sc kH ZR t Ct???基于最優(yōu)估算的調速狀態(tài)觀測器的設計與研究 14 而控制 S1 和 S2,S3 和 S4 管輪流導通和關閉。 圖 23 TL494 內部結構圖 制，而內部誤差放大器 EA2 則用來打開和關 斷TL494，用于保護控制。兩個放大器可獨立使用 ,如分別用于反饋穩(wěn)壓和過流保護等，此時腳 3 應接 RC 網(wǎng)絡，提高整個電路的穩(wěn)定性。當調寬電壓變化時， TL494 輸出的脈沖寬度也隨 之改變，從而改變開關管的導通時間 ton，達到調節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目的。這樣可以保護開關電源電路中的三極管。5%的精確度。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。功率輸出管 Q1 和 Q2 受控于或非 門。 下面我來簡單介紹一下其內部構造及工作原理。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應 設置邏輯延時。 4）、低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達 1： 20220 左右。 2）、可使電動機在四象限運行。當正脈沖較寬時，Ton＞ 2T ,則 Uab 的平均值為正，電動機正轉，反之則反轉；如果正、負脈沖相等， Ton=2T 平均輸出電壓為零，則 電動機停止。在一個開關周期內，當 0≤ t＜ Ton 時， Uab=Us