基于全阶观测器的三自由度运动系统状态反馈控制simulink建模与仿真

1.课题概述

       基于全阶观测器的三自由度运动系统状态反馈控制simulink建模与仿真。整个控制系统包含闭环结构，全阶观测器，三自由度车辆模型。

 

2.系统仿真结果

（完整程序运行后无水印）

3.核心程序与模型

版本：MATLAB2022a

`%反馈,计算反馈向量

K         = place(A,B,sys_pole);                                             

vector_fb = acker(A',C',view_pole);

vector_fb = vector_fb';

fprintf('反馈向量:\n\n');

vector_fb

 

 

%分析观测器模型

AHC       = A - vector_fb*C;

fprintf('观测器矩阵:\n\n');

AHC

 

%全阶观测器

Rk = rank(A);

A2 = [A-BK    ,BK;

zeros(Rk),A-vector_fb*C];

 

[nb1,nb2] = size(B);

 

B2        = [B;zeros(Rk,nb2)];                                         

C2        = [C zeros(nb2,Rk)];             

D2        = D;

[num,den] = ss2tf(A2,B2,C2,D2,1);

 

figure;

bode(num,den,'k-*');

grid on;        

 

%分析观测器的根轨迹

figure;

rlocus(num,den);

grid on;                             

 

 

%闭环零极点

[Z,P,K]=tf2zp(num,den);    

fprintf('零极点:\n\n');

Z

P

K

[Y,T,X] = step(num,den,30);

figure;

plot(X,Y,'linewidth',2);                                                 

title('阶跃响应');

grid on;

 

%仿真三个方向的三自由度结果图

c1=[1;2;3];                         

c2=[-1;-2;-3];                          

syms s;

AHC=[  -0.4000  0   -5.4764

    1.0000      0   -4.6762

   -1.4000    9.8000   -9.6000];

x=ilaplace(inv(seye(3)-AHC))(c1-c2);

 

t=0:0.01:10;

Y = double(vpa(subs(x)));

 

figure;

subplot(311);

plot(t,Y(1,:),'linewidth',2);

grid on

xlabel('Time(sec)');

ylabel('x方向');

subplot(312);

plot(t,Y(2,:),'linewidth',2);

grid on

xlabel('Time(sec)');

ylabel('y方向');

subplot(313);

plot(t,Y(3,:),'linewidth',2);

grid on

xlabel('Time(sec)');

ylabel('z方向');`

4.系统原理简介

       全阶观测器在控制工程中扮演着关键角色，特别是在实现状态反馈控制的复杂系统中，例如三自由度运动系统。这类系统广泛应用于航天器姿态控制、机器人臂操纵等领域，要求高度的稳定性和精度。

 

      首先，我们定义一个简化的三自由度运动系统模型，假设系统遵循线性动力学方程，忽略非线性效应和外部扰动。设系统状态向量为x(t)=[x1​,x2​,x3​]T，表示三个自由度的角位置或角速度（具体根据系统定义），系统的动力学可以用状态空间形式表示为：

 

       基于全阶观测器的三自由度运动系统状态反馈控制策略，通过精准的状态估计和设计合理的控制律，实现了对复杂动态系统的高效控制。该方法不仅提高了系统的稳定性和响应速度，还增强了对外界干扰的抵抗能力，是现代控制理论在高精度运动控制领域的重要应用。