基于多项式法低阶控制器设计

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本文阐述了一个名为“多项式法”的独特控制方法以及它在运动控制领域的应用。作为一种面向闭环响应的设计方法,多项式法在低阶控制器的设计上具有普遍性和有效性。  多项式法是经典控制和现代控制以外的另一种控制方法。从19世纪末劳斯稳定判据的提出开始,特征多项式的系数开始被关联到系统稳定性设计上。在过去的几十年里,越来越多的研究者开始注意到多项式法的优点。它拥有很明确的设计目标。并且,所有控制参数有着明确的物理含义。因而,在控制器设计过程中,它可以在多个设计指标中,很方便的得到一个好的平衡。  通过过往的研究,多项式法的理论基础逐渐形成。但是,和发展很成熟的经典控制和现代控制相比,多项式法的理论研究还处在初级阶段。为了拓展它的应用,本文作者认为理论方面的进一步阐明和推进是很重要的。  具体来说,在本文中,为了首先得到特征比标准赋值表[2.5,2,2…],作者给出了详细的推导过程。接下来,对全极点系统稳定性和鲁棒性的讨论,证实了低阶特征比对系统响应有着更强烈的影响。在多项式法中,为了解决零极点交互问题,作者提出了一个叫做“渐近波特图”的方法来实现时间常数调整。为了展示多项式法在实际控制器设计中的应用,作者选择了“双惯性系统振动控制”这个很有代表性的实例。在接下来的章节中,作者提出了两种单输入单输出控制(PID,谐振比控制)和两种多输入多输出控制(惯性比控制,基于状态空间控制),并通过多项式法给出设计。所有的控制设计都通过了仿真和实验结果的验证。  实验结果表明,对于有着高惯性比的双惯性系统,因为零极点相消,单输入单输出控制系统很难在稳定性,鲁棒性和响应速度中得到一个好的平衡。IP控制结构只能对惯性比在5/16以内的系统,提供足够的阻尼作用。尽管m-IPD和“谐振比控制”结构始终可以提供足够的阻尼,然而,因为微分正反馈回路的存在,当系统惯性比高的时候,两种结构都缺少足够的鲁棒性。和单输入单输出系统相比,在拥有额外反馈信号的情况下,多输入多输出系统在控制效果上,有明显的改善。即便当系统惯性比高达0.8的时候,“惯性比控制”结构仍然可以有效的抑制谐振。在“基于状态空间控制”结构中,假使所有的中间状态均可测量,则系统瞬态响应就可以被精确控制。同时,由于零极点交互的存在,为了得到平滑的瞬态响应,响应速度的进一步调整也是必要的。
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