不确定线性系统的容错控制器设计

实验十四_MATLAB的线性控制系统分析与设计说明

实验十四： MATLAB 的线性控制系统分析与设计 一．实验目的 1.熟练掌握线性系统的各种模型描述。 2.熟练掌握模型之间的转换。 二．实验容与步骤 在控制系统分析与设计中，常用状态方程模型来描述一个控制系统，状态方程通常为一阶微分方程 例如，二阶系统 可用状态方程描述如下 其中： MATLAB 的控制系统工具箱(Control System Toolbox)可以提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法。 1.1状态空间描述法 状态空间描述法是使用状态方程模型来描述控制系统，MATLAB 中状态方程模型的建立使用ss 和dss 命令。 语法： G=ss(a,b,c,d) %由a 、b 、c 、d 参数获得状态方程模型 G=dss(a,b,c,d,e) %由a 、b 、c 、d 、e 参数获得状态方程模型 【例1】写出二阶系统u(t)ωy(t)ωdt dy(t)2ζdt y(t) d 2n 2n n 22=+ω+，当ζ=0.707，n ω=1时的状态方程。 zeta=0.707;wn=1; A=[0 1;-wn^2 -2*zeta*wn]; B=[0;wn^2]; C=[1 0]; D=0; G=ss(A,B,C,D) %建立状态方程模型 ???+=+=Du Cx y Bu Ax x &u (t)2n ωy(t)2n ωd t d y(t)n 2ζ2 d t y(t)2d =+ω+u(t)ω0x x 2ζω10x x 2n 21n 2n 21??????+????????????ω--=?? ????&&dt t dy x t y x )()(21==

a = x1 x2 x1 0 1 x2 -1 -1.414 b = u1 x1 0 x2 1 c = x1 x2 y1 1 0 d = u1 y1 0 Continuous-time model. 1.2传递函数描述法 MATLAB中使用tf命令来建立传递函数。 语法： G=tf(num,den) %由传递函数分子分母得出 说明：num为分子向量，num=[b1,b2,…,b m,b m+1]；den为分母向量，den=[a1,a2,…,a n-1,a n]。 【例1续】将二阶系统描述为传递函数的形式。 num=1; den=[1 1.414 1]; G=tf(num,den) %得出传递函数 Transfer function: 1 ----------------- s^2 + 1.414 s + 1

自动控制原理例题详解线性离散控制系统的分析与设计考习题及答案

精心整理 ----------2007-------------------- 一、(22分)求解下列问题： 1. (3分)简述采样定理。 解：当采样频率s ω大于信号最高有效频率h ω的2倍时，能够从采样信号)(*t e 中 完满地恢复原信号)(t e 。（要点：h s ωω2>）。 2．(3分)简述什么是最少拍系统。 解：在典型输入作用下，能以有限拍结束瞬态响应过程，拍数最少，且在采样时刻上无稳态误差的随动系统。 3．(3 4．（x()∞5．(5解：(G 6．(5试用Z 解：二、（ (i X s ) z 图1 1．（5分）试求系统的闭环脉冲传递函数 () () o i X z X z ； 2．（5分）试判断系统稳定的K 值范围。

解：1.101 1 1 1 11 1()(1)(1)11(1)1(1)()1e 11e 1e G G z z Z s s z Z s s z z z z z z z e z -------??=-??+????=--??+?? =-----=---= -1 1 010******* 1e ()()e 1e ()1()1e (1e )(e )(1e )(1e )e e o i K X z KG G z z X z KG G z K z K z K K z K K ------------== -++--=-+--=-+- 2．（5 三、(8 已知(z)1Φ=1．(3分)简述离散系统与连续系统的主要区别。 解：连续系统中，所有信号均为时间的连续函数；离散系统含有时间离散信号。 2．(3分)简述线性定常离散系统的脉冲传递函数的定义。 解：在系统输入端具有采样开关，初始条件为零时，系统输出信号的Z 变换与输入信号的Z 变换之比。 3．(3分)简述判断线性定常离散系统稳定性的充要条件。 解：稳定的充要条件是：所有特征值均分布在Z 平面的单位圆内。 4．(5分)设开环离散系统如图所示，试求开环脉冲传递函数)(z G 。

自动控制原理例题详解-线性离散控制系统的分析与设计考试题及答案

----------2007-------------------- 一、(22分)求解下列问题： 1. (3分)简述采样定理。 解：当采样频率s ω大于信号最高有效频率h ω的2倍时，能够从采样信号)(* t e 中 完满地恢复原信号)(t e 。（要点：h s ωω2>）。 2．(3分)简述什么是最少拍系统。 解：在典型输入作用下，能以有限拍结束瞬态响应过程，拍数最少，且在采样时刻上无稳态误差的随动系统。 3．(3分)简述线性定常离散系统稳定性的定义及充要条件。 解：若系统在初始扰动的影响下，其输出动态分量随时间推移逐渐衰减并趋于零，则称系统稳定。稳定的充要条件是：所有特征值均分布在Z 平面的单位圆内。 4．（3分）已知X(z)如下，试用终值定理计算x (∞)。 ) 5.0)(1()(2+--= z z z z z X 解： 经过验证(1)X()z z -满足终值定理使用的条件，因此， 211x()lim(1)X()lim 20.5 z z z z z z z →→∞=-==-+。 5．(5分)已知采样周期T =1秒，计算G (z ) = Z [G h (s )G 0(s ) ]。 ) 2)(1(1 e 1)()()(0++-==-s s s s G s G s G Ts h 解：11 1 1211 11(1)(1e )()(1)Z[](1)()s s 11e (1e )e z z z G z z z z z z z --------=--=--=+---++ 6．(5分) 已知系统差分方程、初始状态如下： )k (1)(8)1(6)2(=++-+k c k c k c ，c(0)=c(1)=0。 试用Z 变换法计算输出序列c (k )，k ≥ 0。 解： 22 ()6()8()() ()(1)(68)3(1)2(2)6(4)1 (){2324},0 6 k k z C z C z C z R z z z z z C z z z z z z z c k k -+===-+--+---=-?+≥ 二、（10分）已知计算机控制系统如图1所示，采用数字比例控制() D z K =， 其中K >0。设采样周期T =1s ，368.0e 1=-。

冗余设计与容错设计

冗余设计与容错设计 1.冗余与容错的概念 提高产品可靠性的措施大体上可以分为两类：第一类措施是尽可能避免和减少产品故障发生的避错”技术；第二类措施是当避错难以完全奏效时，通过增加适当的设计余量和替换工作方式等消除产品故障的影响，使产品在其组成部分发生有限的故障时，仍然能够正常工作的“容错”技术。而冗余是实现产品容 错的一种重要手段。

“容错（fault tolerance）”定义：系统或程序在出 现特定的故障情况下，能继续正确运行的能力。“冗余（redundancy）”定义：用多于一种的途径来完成一 个规定功能。“容错”反映了产品或系统在发生故障情 况下的工作能力，而“冗余”是指产品通过多种途径完成规定功能的方法和手段。“容错”强调了技术实施的最终效果，而“冗余”强调完成规定功能所采用的不同方式和途径。严格地说，冗余属于容错设计范畴。 从原理上讲，冗余作为容错设计的重要手段，其实施流 程和原则也同样适用与其他容错设计活动。

2.冗余设计 2.1.目的 冗余设计主要是通过在产品中针对规定任务增加更多的功能通道，以保证在有限数量的通道失效的情况下，产品仍然能够完成规定任务。

2.2 .应用对象 (a) 通过提高质量和基本可靠性等方法不能满足任务可靠性 要求的功能通道或产品组成单元； （b）由于采用新材料、新工艺或用于未知环境条件下，因而其任务可靠性难于准确估计、验证的功能通道或产品组成单元； （c）影响任务成败的可靠性关键项目和薄弱环节； （d）其故障可能造成人员伤亡、财产损失、设施毁坏、环境破坏等严重后果的安全性关键项目； （e）其他在设计中需要采用冗余设计的功能通道或产品组 成单元。

双机容错系统方案

双机容错系统方案 1.前言 对现代企业来说，利用计算机系统来提供及时可靠的信息和服务是必不可少的，另一方面，计算机硬件和软件都不可避免地会发生故障，这些故障有可能给企业带来极大的损失，甚至整个服务的终止，网络的瘫痪。可见，对一些行业，如：金融（银行、信用合作社、证券公司）等，系统的容错性和不间断性尤其显得重要。因此，必须采取适当的措施来确保计算机系统的容错性和不间断性,以维护系统的高可用性和高安全性，提高企业形象，争取更多的客户，保证对客户的承诺，减少人工操作错误、达到系统可用性和可靠性为99.999%。 2.双机容错系统简介 根据用户提出的系统高可用性和高安全性的需求，推出基于Cluster集群技术的双机容错解决方案，包括用于对双服务器实时监控的Lifekeeper容错软件和作为数据存储设备的系列磁盘阵列柜。通过软硬件两部分的紧密配合，提供给客户一套具有单点故障容错能力，且性价比优越的用户应用系统运行平台。 3.Cluster集群技术 Cluster集群技术可如下定义：一组相互独立的服务器在网络中表现为单一的系统，并以单一系统的模式加以管理。此单一系统为客户工作站提供高可靠性的服务。 Cluster大多数模式下，集群中所有的计算机拥有一个共同的名称，集群内任一系统上运行的服务可被所有的网络客户所使用。Cluster必须可以协调管理各分离的组件的错误和失败，并可透明的向Cluster中加入组件。 一个Cluster包含多台（至少二台）拥有共享数据储存空间的服务器。任何一台服务器运行一个应用时，应用数据被存储在共享的数据空间内。每台服务器的操作系统和应用程序文件存储在其各自的本地储存空间上。 Cluster内各节点服务器通过一内部局域网相互通讯。当一台节点服务器发生故障时，这台服务器上所运行的应用程序将在另一节点服务器上被自动接管。当一个应用服务发生故障时，应用服务将被重新启动或被另一台服务器接管。当以上任一故障发生时，客户将能很快连接到新的应用服务上。 4.工作拓扑图

自动控制原理课程设计——倒立摆系统控制器设计

一、引言 支点在下，重心在上，恒不稳定的系统或装置的叫倒立摆。倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。 问题的提出 倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自有连接（即无电动机或其他驱动设备）。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。 倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。 倒立摆的控制方法 倒立摆系统的输入来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。作用力u平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。 本次设计中我们采用其中的牛顿－欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型，然后通过开环响应分析对该模型进行分析，并利用学习的古典控制理论和Matlab /Simulink仿真软件对系统进行控制器的设计，主要采用根轨迹法，频域法以及PID（比例-积分-微分）控制器进行模拟控制矫正。

H∞控制器的设计

一、H ∞控制器的设计 （一） H ∞状态反馈控制器设计思路 图2-1 广义系统 针对如上图所示的广义系统，P(s)是一个线性时不变系统，其状态方程可以用下面的式子描述: x Ax B 11 B u 12 z C x 1 D 11 D u 12 2-1 y C 2 x D 21 D u 22 其中：n x R是状态向量， m u R是控制输入， p y R是测量输出，z R r 是被调输出，q R是外部扰动。这里考虑在外部扰动不确定但能量有限的情况 下，设计一个控制器u(s) K (s) y( s) ，使得闭环系统满足： （1）闭环系统内部稳定； （2）从扰动到被调输出的传递函数满足下面的关系： T (s) 1 wz 2-2 满足这样性质的控制器称为系统的一个H 控制器。 通过将系统模型中的系数矩阵分别乘以一个适当的常数，可以使得闭环系统 具有给定的H 性能γ，即使得T wz (s) γ的H 控制问题转化为使得T wz (s) 1的标准H 控制问题。称具有给定H 性能γ的H 控制器为系统P(s) 的γ-次优H 控制器。进一步可以通过对γ的搜索，可以求取使得闭环系统的扰

动抑制度γ最小化的控制器。 对于上面给出的系统，令D21、D22 为零矩阵，C2 为单位阵，那么就形成了一个状态反馈控制系统。 对于这个系统，如果可以设计一个静态反馈控制器u(s) K (s)x(s)，使得系统闭环稳定，并且满足从扰动到被调输出的传递函数为： 1 T wz (s) (C1 D K)[ sI ( A B )] B11 D11 1 2-3 12 12 那么，我们称这样的反馈控制器为系统P(s)的一个状态反馈H 控制律。 定理对于系统P(s)，存在一个状态反馈H 控制器，当且仅当存在一个对称正定矩阵X和W，使得以下矩阵不等式成立： AX B W ( 12 AX B W 12 T ) B 11 (C X 1 D W 12 T ) T B 11 I T D 11 0 2-4 C X 1 D W 12 D 11 I 成立，而且，如果上面的矩阵不等式存在一个可行解W * 、X * ，则有1 K W * (X *) 为系统的状态反馈H 控制矩阵。 对于次优控制问题，通产可以进行一下变换： T wz (s) γγwz ( ) 1 2-5 - 1T s 将原模型中的C、D 、D 替换为 1 11 1 2 1 1 1 C、 D 、 D ，则得到新的状态反 1 11 12 馈次优控制器对应的矩阵不等式： AX B W ( 12 AX B W 12 T ) B 11 -1 (C X 1 D W 12 T ) T B 11 I -1 T D 11 0 2-6 -1 C X 1 D W 12 -1 D 11 I 为了计算方便，在上式的左右两边分别乘以diag { I ,I, I } ，则得到如下式子： AX B W ( 12 AX B W 12 T ) B 11 (C 1 X D W 12 T ) T B 11 I T D 11 0 2-7 C X 1 D W 12 D 11 2 I 求解该不等式即可得到系统状态反馈γ-次优H 控制器求解该不等式，即可得到系统状态反馈γ-次优H 控制器。 这样，γ-次优H 控制器存在的条件下（LMI 可解），通过建立和求解以下

容错性设计

容错性设计 交互设计IXD, 博客blog, 用户体验UE, by 张雅秋. 即便你的产品90％的时间都运行良好。但是如果在用户需要帮助时置之不理，他们是不会忘 记这一点的。——《getting real》 我们有时候不能不面对产品出错的时候。无论设计得多么用心，无论做了多少测试，用户仍然会遇到错误和问题。既然出错不可避免，那么如何进行容错性设计才是关键。 容错性设计就是当错误发生时，人们看到的界面。 就像对付不该发生的错误一样，容错性设计的关键在于“做好防御”。产品设计者们必须不断寻找可能造成用户困惑和不满的出错点。好的防御性设计决定用户体验的好坏。 举个例子： 有没有人注意过进入银行ATM机可以有多少种刷卡方式。答案是八种！而正确进入方式只有 一种方式。 如何从设计上避免用户出错，限制是一种非常必要的方式。 限制用户某些交互操作

SIM卡如果做成一个倒角避免了长方形带来多种插入方式的错误。 三项插座和相应插孔的匹配避免了用户使用两项或其他插座错误的可能。 置灰是界面上限制某些操作的好方式。 Flickr的照片上传wizard，防止用户跳过第一步直接进入后面操作，采用置灰的方式。一方面告诉用户这可以进行当前操作，另一方面预示后面还有哪样的操作。 其次，减少认知困惑也很重要。 减少用户认知混淆

根据已订阅和未订阅的不同，订阅button和退订进行视觉上明显的区分，避免错误操作。合理利用系统反馈 如果错误不可避免的发生了，合理恰当的提示可以减少用户的挫败感。 1、提前提示某些操作可能引起错误。 在输入密码需要区分大小写时，caps lock键打开下作出提示以免出错。 2、防止用户错误，操作后提示确认。 在用户点击发送后提示没有输入主题信息，防止用户直接发送无主题邮件。

线性控制系统的设计与校正

实验十四线性控制系统的设计与校正 实验目的 二阶系统方框图如图所示 要求串联校正后系统的调节时间不超过0.1s，超调量不超过5%。实验原理 由系统框图，得 GH(s)=2000 2 G(s)=C(s) R(s) =? 2000 s2+50s+2000ωn2=2000 ωn=20√5 ζωn=25 ζ= √5 4 ≈0.559 OP%=12% T s= 4.0 25 =0.16s 模拟电路图为： 若要串联校正后系统的调节时间不超过0.1s，超调量不超过5%。

ζ≤0.7 ζω n ≥ 4.0 0.1 =40 ω n ≥57.1串联校正环节为 G c(s)=0.02s+1 Ts+1 串联校正后系统为 GH(s)= 40 s(0.02s+1) × 0.02s+1 Ts+1 = 40 s(Ts+1)ωn2= 40 2ζωn= 1 T 解得： T= 1 1.96×40 =0.012755 引入串联校正后的系统框图为 系统框图可简化为 系统阶跃响应不存在稳态误差。串联校正环节模拟电路图为：

R2=R4=xkΩ R1=R2+R4=2xkΩ C=1μF，R3=12kΩ 12x+12x+x2 =20 R1=32kΩ，R2=R4=16kΩ 引入串联校正后的系统模拟电路图为： 总结： 该方法的策略是通过添加一个与原系统极点位置相同零点和一个新的极点重新配置系统开环极点的位置，并未增加系统阶数，也未改变开环bode增益。 虽然，串联的校正环节零点在极点前面，但是，该校正与传统的相位超前校正还是有所差异的。 从出发点上讲，该方法并未严格设定目标增益穿越频率，仍按照开环极点配置的方式来考虑系统校正环节的参数，因此，无需考虑最大相位超前频率，只需考虑新的开环非零极点位置。 实验步骤 1、按照系统模拟电路图搭建原系统的模型 2、运放电压为±15V，输入正负方波的幅值为0.5V，频率为1Hz，测量输入 和输出波形，观察输出对输入的跟踪情况，以及系统的阶跃响应。 3、按照系统模拟电路图搭建控制器的模型，串联到原系统中。 4、同样的输入下测量输出波形，并与校正前的系统比较，看是否满足题目 要求，是否与仿真结果相同。 5、如果与仿真结果有差异，分析差异产生的原因，并作出调整。

容错控制简介

1.2容错技术简介 容错控制及其系统组成 容错控制的发展及研究现状 1.2.1容错控制的概念和任务 容错概念最初来源于计算机系统设计领域，是指系统内部环节发生局部故障或失效情况下，计算机系统仍能继续正常运行的一种特性。后来人们逐渐把容错的概念引入到控制系统，这样人们虽然无法保证控制系统每个环节的绝对可靠，但是构成容错控制系统后，可以使系统中的各个故障因素对控制性能的影响被显著削弱，从而间接地提高了控制系统的可靠性。特别是控制系统的重要部件的可靠度未知时，容错技术更是在系统设计阶段保证系统可靠性的必要手段。 容错控制的指导思想是在基于一个控制系统迟早会发生故障的前提下，在设计控制系统初期时就将可能发生的故障对系统的稳定性及静态和动态性能影响考虑在内。最简单的情况，如果传感器或执行器发生故障，在故障后不改变控制律的情况下，如何来维持系统的稳定性就是控制器设计过程中值得注意的问题。在容错控制技术中，这种问题属于完整性控制的范畴。 在某种程度上，容错控制系统是指具有内部冗余（硬件冗余、解析冗余、功能冗余和参数冗余等）能力的控制系统，即在某些部件（执行器、传感器或元部件）发生故障的情况下，闭环系统仍然能保持稳定，并在原定性能指标或性能指标有所降低但可接受的条件下，安全地完成控制任务，并具有较理想的特性。动态系统的容错控制是伴随着基于解析冗余的故障诊断技术的发展而发展起来的。 1.2.2容错控制的现状研究 容错控制系统的基本结构为：传感器、故障检测与诊断子系统、执行器和控制器。其中，故障检测与诊断子系统能够对控制系统进行实时故障监测与辨识等；控制器则根据故障诊断信息作出相应的处理，实施新的容错控制策略，保证系统在故障状态下仍能获得良好的控制效果。在实际控制系统中,各个基本环节都有可能发生故障。 容错控制系统有多种分类方法,如按系统分为线性系统容错控制和非线性系统容错控制，确定性系统容错控制和随机系统容错控制等；按克服故障部件分类为执行器故障容错控制，传感器故障容错控制,控制器故障容错控制和部件故障容错控制等；按控制对象不同分为基于硬件冗余和解析冗余的容错控制分类。一般，为了全面反映容错控制系统的特性，常将上述各种分类方法组合运用。 1.硬件冗余方法 硬件冗余是指对系统的重要部件及易发生故障部件设置各种备份,当系统内某部件发生故障时,对故障部分进行隔离或自动更换,使系统正常工作不受故障元器件的影响，保证系统的容错性能。硬件冗余方法根据备份部件是否参与系统工作可分为静态硬件冗余和动态硬件冗余。 l)静态硬件冗余:并联多个相同的组件,当其中某几个发生故障时并不影响其它组件的正常工作。 2)动态硬件冗余:在系统中不接入备份组件,只有在原组件发生故障后,才把输入和输出端转接到备份组件上来,同时切断故障组件的输入和输出端,即运行模块的失效，备用模块代替运行模块工作。系统应该具有自动发现故障的能力与自动转接设备。 硬件冗余方法可以用于任何硬件环节失效的容错控制,建立起来的控制系统将具有较强

计算机数据库以及系统容错性处理

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/3c9652407.html, 计算机数据库以及系统容错性处理 作者：洪雄 来源：《科教导刊·电子版》2018年第07期 摘要计算机在现在的生活中是非常普遍存在的事物，也是我们的生活工作所必需的，计算机是一个多种先进技术结合的产物，计算机中的很多应用对于其他领域来说，会有很大的借鉴意义。计算机的图形处理技术是一种很复杂的技术应用，在数据计算领域的应用，是此技术的一种有效利用，同时对于数据计算来说，也是一种有益的借鉴来源，二者在一定程度上，可以说是有效的结合使用，相互促进，相互提高。本文通过对计算机交互式的图形技术的分析，引出可视化技术在数据的挖掘中所起到的重要作用，进而阐述交互式技术在计算机的图形处理中的重要作用。 关键词计算机算法数据计算可视化 中图分类号：TP302 文献标识码：A 0引言 几年来，计算机的图形处理技术越来越频繁的被人们应用于其他的领域，也是现在这个科学技术非常发达的社会的一种形势所在。现代一种相对比较常见的数据的可视化技术，指的就是运用计算机的图形学和图像处理的技术，把数据转化为可以被识别的图像或者图形，进而可以在显示器的屏幕上显示出来，被看见的使用者所理解和接受，同时还要进行交互处理的技术。这样一种技术涉及的技术和领域比较广泛，计算机的图形学、图像处理技术、计算机设计、计算机视觉技术、人机交互技术等，多个领域的结合才是一种比较实用的技术。今年以来，随着网络科学技术和网上电子商务技术的发展，在以往科学计算可视化的基础之上，出现了信息可视化的概念，并且逐渐在吸引人们的眼球，成为科学技术领域研究的焦点问题。我们都知道，“可视化”就是使之可见，可以被看见，就是可视化的最基本的含义，那么，数据在挖掘过程中，很多活动都可以被认为是可视化，利用可视化的技术进行信息的传递、知识的发现等。 1计算机服务器系统容错系统的概述 我们所说的计算机故障，指的是由于计算机不见的物理实现、操作错误或者是设计错误等原因引起的计算机系统硬件或者是软件错误的状态。故障的诊断、检测和恢复技术主要是作为计算机容错技术的重要组成部分，如果计算机系统要进行故障恢复的操作，首先就要进行检测、诊断的技术来对故障所处的位置进行定位。作为恢复的前提，我们还应该在恢复技术的作用下使得计算机系统能够恢复到无故障时候的状态并且开始正常工作。当前运用的计算机容错技术最基本的方法是冗余技术，而硬件冗余、软件冗余、信息冗余以及时间冗余技术是作为冗余技术的四个主要组成部分。

非线性系统作业-Backstepping设计

渤海大学硕士研究生非线性系统课程考核论文 院（系、部）：工学院年级： 2013 级专业：控制理论与控制工程 姓名：郑晓龙学号： 2013080030 密封线 任课教师：刘亮 一、命题部分 考虑如下三阶严格反馈非线性系统 并且 设计状态控制器使得闭环系统是渐进稳定的，并给出一个二阶系统的数值仿真算例。 二、评分标准 1、论文排版格式（15分）； 2、控制器设计过程（45分）； 3、仿真算例控制器设计（25分）； 4、Matlab仿真图片（15分）。 三、教师评语 ____________________________ 本页。学生从第二页开始写作，要求见蓝色字体部分。 注2：“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写，不可用电子版。无“评语”视为不合规范。 注3：试题、评分标准、评语尽量控制在本页。 注4：不符合规范试卷需修改规范后提交。

密封线 Backstepping控制设计 郑晓龙 提要Backstepping设计方法是针对非线性系统的一种系统化的控制器综合方法，是将Lyapunov函数的选取与控制器的设计相结合的一种回归设计方法。它通过从系统的最低阶次微分方程开始，引入虚拟控制的概念，一 步一步设计满足要求的虚拟控制，最终设计出真正的控制律。本文基于Backstepping设计方法对三阶严格反 馈非线性系统进行了控制器设计，并对结论做了仿真验证。 关键词 Backstepping 非线性系统控制 一、引言 Backstepping （逐步后推，反推）设计方法是针对不确定性系统的一种系统化的控制器综合方法，是将Lyapunov 函数的选取与控制器的设计相结合的一种回归设计方法。它通过从系统的最低阶次微分方程开始，引入虚拟控制的概念，一步一步设计满足要求的虚拟控制，最终设计出真正的控制律. Backstepping自适应控制是当前自适应控制理论和应用的前沿课题之一,近年来, 在处理线性和某些非线性系统时, 该方法在改善过渡过程品质方面展现出较大的潜力,除航空航天领域外, 在液压控制、电机控制、机器人控制、船舶控制等许多工业控制领域, 反推自适应控制的应用在国内外均有大量报道. Backstepping 方法在处理非线性控制问题方面所具有的独特的优越性，近年来引起了众多学者的极大关注。Backstepping 的基本设计思想是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后单独设计每个子系统的部分 Lyapunov 函数，在保证子系统具有一定收敛性的基础上获得子系统的虚拟控制律，在下一个子系统的设计中，将上一个子系统的虚拟控制律作为这个子系统的跟踪目标。相似于上个子系统的设计，获得该子系统的虚拟控制律；以此类推，最终获得整个闭环系统的实际控制律，且结合Lyapunov 稳定性分析方法来保证闭环系统的收敛性。 Backstepping 可用来设计控制方案以满足三角结构单输入单输出非线性系统的匹配条件。Backstepping 设计方法之所以受到国内外学者的极大关注，主要原因为该方法取消了系统不确定性满足匹配条件的约束，从而解决了相对复杂的非线性系统的控制问题。在现实世界中，存在大量非线性系统具有(或者可以经过微分同胚变换成)严格反馈等规范型；该方法为复杂非线系统的 Lyapunov 函数设计提供了较为简单的结构化、系统化方法，解决了一直以来具有严格反馈等结构的非线性系统稳定性分析和控制器设计的难题。自适应 backstepping 设计方法发展的初级阶段，要求系统不确定性能够线性参数化。随着神经网络与模糊系统等智能控制技术的不断发展，很好地取消了自适应 backstepping 设计所需的该约束条件，从而使得 backstepping技术获得了很大的发展空间。特别是神经网络和自适应技术的引入，极大地推广了backstepping 方法的应用。 二、基于Backstepping三阶严格反馈非线性系统控制器设计 考虑如下三阶严格反馈非线性系统 （1）

实验五基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计.

实验五、基于MATLAB工具箱的控制系统分析与设计(2学时) （综合型实验） 一、实验目的 （1）掌握线性时不变系统的对象模型的构造及其相互转换； （2）掌握线性时不变系统浏览器——LTI Viewer使用方法； （3）掌握单变量系统设计工具——SISO Design Tool的使用方法； （4）掌握非线性系统的控制器优化设计和仿真； （5）自行设计一个PID控制系统并进行PID控制器的优化设计（选）。 二、实验设备 MATLAB6.1系统教学软件及计算机一台。 三、实验内容 1、将下述传递函数转换成tf对象。 2、将第6章的例6-16中非线性系统进行线性化处理后所得线性化状态空间模型的系数矩阵(A,B,C,D)的值转换成LTI对象，然后利用线性时不变系统浏览器—LTI Viewer对系统进行分析。 3、使用 LTI Viewer对以下滑艇系统的动力学方程进行非线性系统的线性分析 4、以下单位反馈系统。利用单变量系统设计工具SISO Design Tool。（1）对其进行分析，画出系统的根轨迹图以及系统波特图，并求解相位裕量。 （2）对以上系统进行串联校正装置，其传递函数如下。 对校正后进行分析，画出校正后系统的根轨迹图以及系统波特图，并求解相位裕量。 5、对以下系统。 要求系统单位阶跃响应的最大上升时间为10秒、最大调节时间为30秒、最大超调量为20%。利用非线性控制器设计模块集（Nonlinear Control Design Blockset），试求PID控制器的最佳整定参数Kp、Ki和Kd。假设，三阶线性对象模型的不确定参数：40< a1<50,2.5< a2<10。

容错控制系统

容错控制系统培训 2011年8月

3.1 容错控制系统 3.1.1 容错控制概述 容错原是计算机系统设计技术中的一个概念，指当系统在遭受到内部环节的局部故障或失效后，仍然可以继续正常运行的特性。将此概念引入到控制系统中，产生了容错控制的概念。 容错技术是指系统对故障的容忍技术，也就是指处于工作状态的系统中一个或多个关键部分发生故障时，能自动检测与诊断，并能采取相应措施保证系统维持其规定功能或保持其功能在可接受的范围内的技术。如果在执行器、传感器、元部件或分系统发生故障时，闭环控制系统仍然是稳定的，仍具有完成基本功能的能力，并仍然具有较理想的动态特性，就称此闭环控制系统为容错控制系统。 3.1.2 容错控制分类 根据不同的产品和客户需求，容错控制系统分类方式有多种，重点介绍两种： ?按设计分类：被动容错控制、主动容错控制； ?按实现分类：硬件容错、功能容错和软件容错。 3.1.2.1按设计分类的容错控制 1 被动容错控制介绍 被动容错控制是设计适当固定结构的控制器，该控制器除了考虑正常工作状态的参数值以外，还要考虑在故障情况下的参数值。被动容错控制是在故障发生前和发生后使用同样的控制策略，不进行调节。被动容错控制包括：同时镇定，完整性控制，鲁棒性容错控制，即可靠控制等几种类型。 2 主动容错控制介绍 主动容错控制是在故障发生后需要重新调整控制器参数，也可能改变控制器结构。主动容错控制包括：控制器重构，基于自适应控制的主动容错控制，智能容错控制器设计的方法。 3.1.2.2按实现分类的容错控制 1 硬件容错技术 容错控制系统中通常采用的余度技术，主要涉及硬件方面，是指对计算机、传感器和执行机构进行硬件备份，如图3所示。在系统的一个或多个关键部件失效时，通过监控系统检测及监控隔离故障元件，并采用完全相同的备用元件来替代它们以维持系统的性能不变或略有降级(但在允许范

自动控制原理例题详解-线性离散控制系统的分析与设计考试题及答案

一、(22分)求解下列问题： 1. (3分)简述采样定理。 解：当采样频率s ω大于信号最高有效频率h ω的2倍时，能够从采样信号)(* t e 中 完满地恢复原信号)(t e 。（要点：h s ωω2>）。 2．(3分)简述什么是最少拍系统。 解：在典型输入作用下，能以有限拍结束瞬态响应过程，拍数最少，且在采样时刻上无稳态误差的随动系统。 3．(3分)简述线性定常离散系统稳定性的定义及充要条件。 解：若系统在初始扰动的影响下，其输出动态分量随时间推移逐渐衰减并趋于零，则称系统稳定。稳定的充要条件是：所有特征值均分布在Z 平面的单位圆内。 4．（3分）已知X(z)如下，试用终值定理计算x (∞)。 ) 5.0)(1()(2 +--= z z z z z X 解： 经过验证(1)X()z z -满足终值定理使用的条件，因此， 2 1 1 x()lim(1)X()lim 20.5 z z z z z z z →→∞=-==-+。 5．(5分)已知采样周期T =1秒，计算G (z ) = Z [G h (s )G 0(s ) ]。 ) 2)(1(1 e 1)()()(0++-==-s s s s G s G s G Ts h 解：11 1 1211 11(1)(1e )()(1)Z[](1)()s s 11e (1e )e z z z G z z z z z z z --------=--=--=+---++ 6．(5分) 已知系统差分方程、初始状态如下： )k (1)(8)1(6)2(=++-+k c k c k c ，c(0)=c(1)=0。 试用Z 变换法计算输出序列c (k )，k ≥ 0。 解： 22()6()8()() ()(1)(68)3(1)2(2)6(4)1 (){2324},0 6 k k z C z C z C z R z z z z z C z z z z z z z c k k -+===-+ --+---=-?+≥ 二、（10分）已知计算机控制系统如图1所示，采用数字比例控制()D z K =， 其中K >0。设采样周期T =1s ，368.0e 1=-。

离散分布控制系统的容错设计

图2智能抽油机节能控制器方案框图 感器模块实时检测电机输出功率的变化,由单片机系统来控制IGBT的关断,控制电机输入端电压的大小,以调整电动机输出功率,减少电动机的铁损和铜损。达到节能降耗的目的。 为克服负功率对I GBT模块的影响并进一步节能,系统设置了负功率处理模块,通过该模块,系统以和电网同样的频率和相位将电动机发出的电能馈送到电网中,进一步降低电机损耗。 由于IGBT是比较昂贵的器件,而且对使用条件要求比较高,必须加以保护。根据抽油机的实际特点,系统设置了过流保护、过压保护、缺相保护和温度保护,从而使系统能够更安全地运行。 智能型抽油机节能控制器具有以下的功能: 1可设置电动机的最大工作电流、空载电流和最高工作温度等参数,根据电动机工作电流的大小判断抽油机的工况。当电动机工作电流超过额定电流和最高工作温度超过额定工作温度时停抽油机工作,从而保护电动机。当抽油机电动机工作电流小于空载电流,认为抽油机空载,可停止抽油机工作,等待原油聚集。根据所设定的停机时间,抽油机停止工作一段时间后,控制系统自动启动抽油机,从而实现抽油机停机节能。 o断电后来电时自动延时启动时间,避免油田抽油机同时启动。 ?软启动功能,减少启动对电网的冲击并节约电能。 ?可根据抽油机运行的载荷工况,自动控制电机输入电压,控制抽油机电动机的输出功率,达到节能目的。 ?独特的负功率处理功能,能有效减小电机发电所带来的影响,提高节能效果。 ?具有数据存储和数据通信功能。通过专用数据回放卡可转储数据进行数据处理分析和绘制抽油机电能图,从而方便油田对抽油机的管理。 3结束语 智能型抽油机节能控制器的开发经过了样机开发和油田试验两个阶段,我们逐渐掌握了游梁式抽油机工作规律和抽油机节能控制器的关键技术,为系统投入运行奠定了基础。 参考文献 1周新生,程汉湘,刘建,等.抽油机的负载特性及提高功率因数措施的研究.北华大学学报(自然科学版),2003(6) 2张继震,马广杰,杨靖.游梁抽油机电机电量测试的特殊性.电机技术,2003(2) 3丁建林,姜建胜,刘瓯,等.抽油机变频调速智能控制技术研究. 石油机械,2003 修改稿收到日期:2004-08-20。 第一作者彭国标,男,1972年生,1995年毕业于国防科技大学精密仪器与检测技术专业,获学士学位,工程师;主要从事载人航天发射场地面系统自动控制、建筑智能化和工业自动化控制。 离散分布控制系统的容错设计 Fault Tolerant Design of Discrete D istributed Control System 王根平 (深圳职业技术学院机电系,深圳518055) 摘要在所考虑的离散分布控制系统中,每个可编程控制器作为一个控制结点,结点之间通过网络进行连接保持通信。容错的设计思路是,增加一个在Galois域进行运算的冗余控制器,从而使系统能够自动侦查系统中的结点(可编程控制器)是否正常工作,并能5自动化仪表6第25卷第9期2004年9月

容错系统设计Fault-Tolerant System design-Lecture 2

Faults, Errors and Failures

Dependability tree dependability attributes means impairments availability reliability safety fault tolerance fault prevention fault removal fault forecasting faults errors failures

Examples of failures ?eBay Crash ?Ariane 5 Rocket Crash

eBay Crash ?eBay: giant internet auction house –A top 10 internet business –Market value of $22 billion –3.8 million users as of March 1999 –Access allowed 24 hours 7 days a week ?June 6, 1999 –eBay system is unavailable for 22 hours with problems ongoing for several days –Stock drops by 6.5%, $3-5 billion lost revenues –Problems blamed on Sun server software

Ariane 5 Rocket Crash ?Ariane 5 rocket exploided 37 seconds after lift-off on June 4, 1996 ?Error due to software bug: –Conversion of a 64-bit floating point number to a 16-bit integer resulted in an overflow –In response to the overflow, the computer cleared its memory –Ariane 5 interpreted the memory dump as an instruction to its rocket nozzles ?Testing of full system under actual conditions not done due to budget limits ?Estimated cost: 60 million $

非线性PID控制系统的设计

非线性PID控制系统的设计 【摘要】非线性PID的设计是在非线性的基础之上，PID控制系统具有很多极其独特的优点，给我们的使用带来了很多便利和好处，为实际的的工程运用提供了强大的技术支持和模型支撑。本文分析了非线性PID控制系统设计的相关问题。 【关键词】非线性；PID；控制系统；设计 1.前言 传统的非线性ＰＩＤ控制系统在给我们的相关工程和实际工作提供很多便利的同时，存在不少应该改进的问题。非线性PID控制系统的巨大优势主要体现在改善传统的PID控制器时所表现出来的稳定性和快速性等方面。由于各方面技术和需要的快速发展，目前的非线性ＰＩＤ控制系统在使用上的局限性已经开始显现。但是，长时期以来，在工业控制的大领域里，非线性的ＰＩＤ控制是一种得到广泛业界认可，并且历史及其悠久，效果显著的控制方式。 ２．非线性ＰＩＤ控制系统的特点和应用现状 PID的应用仍然是现在工程界用于实际控制的主要控制方法,在冶金、化工、轻工等行业广泛应用。非线性PID的主要特点便是结构简单、易于操作调整并且具有一定的鲁棒性。非线性PID控制系统的使用已经得到广泛推广。虽然已经有一些新的现代控制算法出现，但是非线性PID仍然是主要算法居多。只是因为现代出现的一些算法有很多缺陷，在实际应用过程中无法起到作用。长期以来的大量实践经验和事实表明这种经典的控制算法仍然具有强大的生命力，它的思想方法与当今流行的各种控制器的设计方法相比，最显著的特点是它不依赖于对象精确的数学模型,可以从根本上摆脱了工业过程建模,尤其是建立精确模型的困难。传统的非线性PID的控制方式主要属于事后控制，该控制在实践过程中出现一些问题，比如可能会引起控制回路自激震荡。也会引起瞬态互调的失真，是被控对象出现损害的几率更高，最近一段时期以来，不管是在理论上还是在技术上，非线性PID的发展质量都得以迅速提高，常规和传统的控制系统与现代新兴的方法结合在一起，已经使系统控制的质量得以大幅度提高。另外，今天的计算机技术已经得到长足发展，在技术条件上有更加有力的保障，完全可以在这些基础上设计一些非线性控制模块，并且利用这些非线性模块组合出新的合适的控制率。 3.非线性PID控制系统的参数和设计分析 通常意义上的PID的控制参数的主要内容是设置控制器的参数，并且对其不适性进行调整，在这个调整过程中使控制系统达到令人满意的程度。这个控制设计过程主的原则主要涉及到以下几个方面，积分作用、微分作用、比例作用以及稳定性指标的选择。设计的方法则主要包括凑试法、临界比例度法、衰减曲线