MATLAB在控制系统分析中的应用

现代控制理论课程以微分方程和矩阵为基础,具有严密逻辑演化的特点,其仿真应用非常具有实用价值.文章介绍和分析了MATLAB控制系统相关函数和命令的应用方法,探讨了使用MATLAB处理控制系统能控性、能观性、李雅普诺夫稳定性分析、状态反馈与状态观测器、最优控制问题、线性观测器、频率响应、根轨迹、伯德图、奈魁斯特图等内容的MATLAB函数的运算和仿真实现方法.探讨了如何利用MATLAB开展计算机辅助教学.     

基于无源观测器的机器人笛卡尔空间力/阻抗控制方法研究

许多由机器人完成的任务都需要机器人与外部环境接触。在如抛光、去毛刺和装配作业中都需要执行精确的力控制。由于环境模型的不准确在力控制过程中当机器人与环境脱离接触时可能与周围环境发生激烈碰撞。针对此问题提出了基于无源观测器的力控算法。通过分析系统无源性, 研究了笛卡尔空间力/阻抗控制的稳定条件。发现只有力控制器的输出会破坏系统的无源性,根据系统无源性的分析结果设计了使用无源性观测器的力/阻抗控制器。在MATLAB仿真环境中对力/阻抗控制控制算法和基于无源性观测器的力/阻抗控制进行仿真验证。仿真结果表明基于无源性观测器的力/阻抗控制器在机器人末端工具与环境脱离接触时能够有效降低机械臂移动速度,减小对周围环境的冲击力。     

线性时变系统全阶与降阶状态观测器

本文应用线性定常系统状态观测器的设计思想,给出了线性时变系统全阶与降阶状态观测器的设计。并且,线性定常系统全阶与降阶状态观测器也能由该设计给出。     

不确定时滞Lur’e控制系统的鲁棒H_∞观测器设计

研究一类具有不确定时滞性Lur’e控制系统的状态观测器设计和基于状态观测器的鲁棒控制器设计问题.在系统状态不能直接被测量的情况下,通过构造增广系统,利用Lyapunov稳定性理论,得到了关于Lur’e控制系统存在状态观测器和基于状态观测器的鲁棒控制器的充分条件,并利用MATLAB的LMI工具箱求解状态观测器和控制器参数.最后,通过仿真实例验证了该设计方法的有效性和可行性.     

布尔控制网络关于任意输入的能达性、能观性和能检性

在矩阵半张量积理论框架下，研究布尔控制网络关于任意输入的能达性、能观性和能检性问题。首先研究在任意输入下布尔控制网络的能达性，提出任意输入下的能达性和集能达性定义，并构造检验系统在任意输入下能达（集能达）的能达性矩阵（集能达性矩阵）。其次，应用任意输入下集能达性的研究结果，研究布尔控制网络在任意输入下的能观性和能检性问题，获得这两个问题可解的充分必要条件。最后，给出两个例子验证所得理论结果的有效性。     

基于状态观测器的二级倒立摆的输出研究

针对二级倒立摆系统安装状态观测器实现实时状态反馈,是否会对系统输出造成影响的问题,从力学的角度分析了二级倒立摆的结构及运行过程,然后利用Lagrange方程对该设计进行模型建立,进而通过理论计算求出倒立摆的数学模型。将构建的数学模型通过MATLAB/SIMULINK进行仿真,并与安装状态观测器后的模型仿真输出进行对比,分析系统模型仿真输出的变化。通过仿真得出,加入状态观测器不仅能实现对数据的实时反馈,而且对系统输出没有影响,并且对倒立摆系统的控制起到了很好的辅助作用。     

双容水箱上的几种液位控制实验及被控对象的数学模型

介绍了双容水箱液位控制实验仪的实物系统装置;面向不同的实际背景,设计了几种典型的控制实验,并用机制分析法分别建立了被控对象的数学模型;分析了上述被控对象的能控性和能观性.     

永磁电磁混合型磁浮球的改进滑模控制方法

针对未知扰动引起永磁电磁混合悬浮系统控制性能下降问题,提出一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制方法.首先,分析并搭建了永磁电磁混合悬浮型磁浮球控制实验台和系统理论模型;其次,引入了扩张状态观测器对系统扰动进行估计与控制补偿,采用积分滑模面和改进指数趋近律设计了改进滑模控制方法,削弱了滑模控制输出抖振,改善了磁浮球的动、静态性能,并分析了有无扩张状态观测器对扰动估计与补偿时的系统的稳定性和误差收敛大致范围;最后,通过半实物联合仿真技术对所提基于扩张状态观测器的改进滑模控制方法、改进滑模控制方法、传统滑模控制方法和比例-积分-微分控制方法进行对比实验.理论分析和实验结果表明：所提基于扩张状态观测器的改进滑模控制方法具有更强的稳定性和抗扰性,对外部磁场摄动具有更强的鲁棒性,在给定信号范围变化及突变时也具有更强的适应性.所提控制方法进一步提高了永磁电磁混合悬浮系统的控制性能,对于永磁电磁混合悬浮型磁浮球这一类非线性系统的控制也具有较好的参考价值.     

改进的动态乘数--加速数模型的一些重要性质

应用控制理论对一个新的宏观经济系统 :改进的动态乘数———加速数模型的性质进行讨论。这些性质主要是指系统的能控性 ,能观性和稳定性。本文中所得结论是对文[1 ]所得结论的推广。     

Buck变换器混杂动态系统的能控性和能达性

尝试在Buck变换器的能控性和能达性研究中引入混杂动态系统和切换线性系统的概念．首先建立Buck变换器的切换线性系统模型;然后根据该模型的特点,给出系统矩阵定常、输入矩阵切换的切换线性系统的能控性和能达性定义和定理,并严格证明了Buck变换器的能控性和能达性;最后讨论了能控性和能达性与输出能控性的关系,指出能控性、能达性和输出能控性是一致的,同时对Buck变换器的能控性进行实验验证,结果表明,在负载阶跃变化的情况下,变换器的输出完全可以控制并且稳定在设计值,这和Buck变换器作为切换线性系统模型的能控性分析结果是一致的．本文的研究方法也可用于其他功率变换器的能控性和能达性的研究．     

Flow-Shop系统能控能观性的判定及运行分析

柔性制造系统的能控性与能观性是指通过控制工件的开工时间,达到有效控制系统的运行过程的目的。该文针对一类特殊的柔性制造系统－Ｆｌｏｗ－Ｓｈｏｐ系统,讨论了其能控能观性的问题。通过分析Ｆｌｏｗ－Ｓｈｏｐ系统具有特殊性,给出了判定该系统控性的一个充要条件和能观性的一个充分条件,并对能控系统的运行特性进行了讨论,给出了能控系统稳定运行的一个充分条件。该文的结果为Ｆｌｏｗ－Ｓｈｏｐ系统运行的有效控制提供了理     

基于奇异摄动理论的机器人关节控制研究

针对机器人柔性关节存在位置控制精度低的问题,在考虑关节内部非线性摩擦和外界扰动等因素的情况下,建立柔性关节动力学模型,提出基于奇异摄动理论的干扰观测器滑模控制方法,利用该控制方法对关节控制系统进行Lyapunov稳定性分析和MATLAB仿真。结果表明,基于奇异摄动理论的干扰观测器滑模控制方法能够减小关节内部非线性摩擦和外界扰动对柔性关节位置和速度控制精度的影响;与传统的PD控制方法和未采用干扰观测器的控制方法相比,该控制方法能够缩短关节控制系统调节时间,且超调量低,能有效抑制关节振动和提高系统的控制精度。     

一种永磁同步电机自适应观察器的仿真研究

在模型参考自适应控制理论的基础上，介绍了一种永磁同步电机自适应转速观测器，通过MATLAB语言中的Simulink／Power System Block模块建立了控制系统的仿真模型，对选用的转速观测器的动态性能、稳定性等问题进行了仿真研究。     

基于神经网络的多四旋翼保性能编队控制

针对多四旋翼编队飞行过程中存在的参数和外界扰动不确定性导致编队系统不稳定问题,设计了一种多四旋翼分布式神经自适应动态面协同编队控制方法。采用学习维数低、实时性强的最小参数学习神经网络观测器,实现对四旋翼位置回路和角度回路未知非线性干扰的快速平滑学习与补偿。利用预设性能控制方法将原先受约束的同步误差经转换函数变换为不受约束的误差,解决协同编队中的位置一致性控制问题,确保各四旋翼位置跟踪同步误差能够按照预设的收敛速度、超调量及稳态误差收敛至期望的区域。仿真实验表明,所提多四旋翼协同抗干扰编队方法在较大扰动环境下仍能达到良好的控制效果。     

泵节能调速控制系统的研究

通过对泵节能调速控制系统的原理分析,建立数学模型,利用奈魁斯特稳定判据分析其稳定性,判断系统的能观性和能控性,利用极点配置改善系统的性能,通过simulink进行仿真,比较系统的性能.利用PLC编程、Wincc flexible与触摸屏结合对系统进行组态,实现友好的人机界面控制.结果表明:泵节能调速控制系统稳定性良好,具有能观性和能控性,极点配置提高了系统的性能.通过实验验证了泵节能调速控制系统能够得到精确的控制,从而实现泵节能调速控制,满足工业生产要求,降低能源的消耗.     

状态观测器对系统状态的控制

观测器在控制理论中非常重要.当状态不能观测时,应设计状态观测器来估计状态.理论分析和数值仿真证实了用所设计的观测器来估计状态的有效性.     

轮毂电机驱动电动汽车横摆稳定性控制

为了提高轮毂电机驱动电动汽车行驶稳定性,设计了基于直接横摆力矩控制的车辆稳定性控制系统;针对滑模控制存在固有抖振的问题,建立基于模糊滑模控制理论的稳定性控制器;针对车辆质心侧偏角难以测量,建立了结构简单、计算快速的非线性滑模观测器;考虑到转矩分配的实际约束条件和分配器的响应速度,建立了等比例转矩分配器,分配各车轮上的驱动/制动扭矩。最后基于MATLAB/Simulink与Carsim联合仿真平台进行了仿真分析,结果表明该控制器能很好改善车辆的操纵稳定性,并且控制输出更加平顺。     

异步电动机系统负载转矩观测器的设计及仿真

针对在异步电动机调速系统中,负载转矩通常是变化和不易测量的特点,设计了负载转矩观测器来观测负载转矩,并利用负载转矩观测值对非线性状态反馈解耦控制律进行在线调整,从而保证了异步电动机控制系统的非线性解耦.最后利用计算机仿真工具MATLAB对负载转矩观测器进行了仿真分析,结果证实是有效的.     

永磁同步电动机系统的能控性与能观性分析

永磁同步电动机系统是一类仿射非线性系统．该文应用非线性控制系统的几何理论对它的能控性与能观性进行分析,证明了永磁同步电动机系统在一定范围内是局部弱能控的、强可接近的和局部弱能观的．     

永磁无刷直流电机智能直接转矩控制方法研究

为简化永磁无刷直流电机控制系统的结构,同时又具有较快的转矩响应速度,提出一种基于神经网络模糊推理的无刷直流电机直接转矩控制方案,利用神经网络定子磁链观测器取代传统的定子磁链观测器,通过模糊控制算法设计逆变器开关状态选择器.应用MATLAB软件对系统两种不同控制方法的仿真实验结果比较表明,控制方法转矩、转速、磁链响应快、脉动小,稳定跟踪性能和动态响应优良,具有一定的理论研究及工程应用价值.