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现代控制理论入门3:参数跟踪

现代控制理论入门3:参数跟踪

作者: 飞多多 | 来源:发表于2020-07-02 18:54 被阅读0次

前面的文章解决了收敛的问题。但是还没有解决我们的控制问题,因为很多时候我们不是要系统的状态收敛到零点,而是收敛到我们的指定值上去。

PART I

实际上,我们利用基础指数函数能直接做到的只是让一个变量向零点收敛,不能向其他点收敛。为了向目标点收敛,我们需要通过参数替换,使新替换的参数通过向零点收敛来达到目的。
假设系统的状态变量是x,目标值是c,最简单的想法就是,我们定义状态变量与目标值之间的差作为新的变量y,通过令y趋向于0,来实现控制目标,即令:
y=x-c \tag{1}
那么,我们有
x=y+c \tag{2}
将(2)带入系统的状态方程\dot{x}=Ax+Bu中,有:
\dot{y}=A(y+c)+Bu \tag{3}
我们现在来构造控制变量u,令u=Ky+Mc,带入(3)中,有:
\dot{y}=A(y+c)+B(Ky+Mc)=(A+BK)y+(A+BM)c \tag{4}
这个种形式的微分方程的解可以参见我的博客:DMP(Dynamic Movement Primitives)算法简介中的(2)式。但这里采用一种简便的方式,我们通过选取合适的参数,使(A+BM)项直接为0,这样就(4)式就变成了最简单的微风方程形式,我们知道(A+BK)就成为了指数中时间的系数,令其小于0,y就能随时间收敛到零。即:选取参数,令:
\begin{matrix}A+BK<0 \\ A+BM=0 \end{matrix} \tag{5}
选定参数后,我们再将参数带回(3)式,并将y重新替换成x,就可以求得闭环控制时的状态方程了。

PART II

下面我们来基于状态方程
\dot{x}=3x+2u \tag{6}
来说明整个过程。
首先,假设我们的控制目标值是常数c,令y=x-c, 则x=y+c, \dot{x}=\dot{y}, ,带入上式,我们有
\dot{y}=3(y+c)+2u
u=Ky+Mc,带入式子,得到
\dot{y}=3(y+c)+2(Ky+Mc)=(3+2K)y+(3+2M)c \tag{7}
假设我们选择的配置极点为-1,则K=-2,M=-1.5,将K,M带入可得
u=-2y-1.5c=-2(x-c)-1.5c=-2x+0.5c \tag{8}
基于式(6)(8),simulink的仿真图如下:

constant_trace.png
其中黄线是目标值,蓝线是系统变量,我们可以看到,系统变量能很好的跟踪目标值。需要说明的是,我们的c是一个常数,因此体现在信号中,它是一个阶跃的。对于不同的参数跟踪,我们可以用不同的阶跃值来表示。
以上。

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