现代控制工程中文版课件.ppt

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1、1现代控制理论 Modern Control Theory2v教材：Katsuhiko Ogata著,Modern Control Engineering(Fourth Edition)v主要参考书：美Katsuhiko Ogata著，卢伯英，于海勋等译，现代控制工程(第四版)，电子工业出版社，2003.7 刘豹主编，现代控制理论，机械工业出版社谢克明主编，现代控制理论基础，机械工业出版社俞立主编，现代控制理论，清华大学出版社，2007.4 3状态空间分析方法4第第9 9章章 状态空间分析方法基本要求9-1 状态空间方法基础9-2 线性系统的可控性和可观性9-3 状态反馈和状态观测器9-4 有

2、界输入、有界输出的稳定性9-5 李雅普诺夫第二方法返回主目录5引言引言：前面几章所学的内容称为经典控制理论；下面要学的内容称为现代控制理论。两者作一简单比较。经典控制理论(50年代前)现代控制理论(50年代后)研究对象单输入单输出的线性定常系统可以比较复杂数学模型传递函数(输入、输出描述)状态方程(可描述内部行为)数学基础运算微积、复变函数线性代数、矩阵理论设计方法的特点非唯一性、试凑成份多,经验起很大作用。主要在复数域进行。设计的解析性，与计算机结合，主要在时间域进行。6基本要求基本要求 掌握由系统输入输出的微分方程式、系统动态结构图、及简单物理模型图建立系统状态空间模型的方法。熟练掌握矩阵

3、指数的计算方法，熟练掌握由时域和复数域求解状态方程的方法。熟练掌握由动态方程计算传递函数的公式。正确理解可逆线性变换,熟练掌握可逆线性变换前、后动态方程各矩阵的关系。正确理解可控性和可观测性的概念，熟练掌握和运用可控性判据和可观性判据。返回子目录返回子目录7熟练掌握可逆线性变换矩阵的构成方法,能将可控系统 化为可控标准形。能将不可控系统进行可控性分解。正确理解对偶原理,会将原系统的有关可观测性的问题转化为对偶系统的可控性问题来研究。正确理解单变量系统零、极点对消与动态方程可控、可观测的关系。熟练掌握传递函数的可控性标准形实现、可观性标准形实现的构成方法。正确理解状态反馈对可控性，可观性的影响,

4、正确理解状态反馈可任意配置闭环极点的充要条件。8熟练掌握全维状态观测器的公式和设计方法,熟练掌握由观测器得到的状态估计值代替状态值构成的状态反馈系统,可进行闭环极点配置和观测器极点配置。正确理解系统齐次方程渐近稳定和系统BIBO稳定的概念,熟练掌握判别渐近稳定的方法和判别系统BIBO稳定的方法。k正确理解李雅普诺夫方程正定对称解存在的条件和解法,能通过解李雅普诺夫方程进行稳定性分析。99-1 状态空间方法基础v在经典控制理论中，用传递函数来设计和分析单输入、单输出系统。v在现代控制理论中，用状态变量来描述系统。采用矩阵表示法可以使系统的数学表达式简洁明了，为系统的分析研究提供了有力的工具。返回

5、子目录返回子目录10状态：状态：动力学系统的状态可以定义为信息的集合。动力学系统的状态可以定义为信息的集合。一、状态空间的基本概念已知已知 时状态，时状态，时的输入，可确定时的输入，可确定 时任一变量的运动状况。时任一变量的运动状况。状态变量状态变量：确定动力学系统状态的最小一组变量确定动力学系统状态的最小一组变量 。11状态空间：由 张成的n维向量空间。状态向量状态向量：如果完全描述一个给定系统的动如果完全描述一个给定系统的动态行为需要态行为需要n n个状态变量，那么状态个状态变量，那么状态向量定义为向量定义为X(t)X(t)对于确定的某个时刻，状态表示为状态空间中一个点，状态随时间的变化过

6、程，构成了状态空间中的一条轨迹。12例9-2v设一RLC网络如图所示。回路方程为图9-2 RLC网络13选择状态变量则有写成输出14写成若选另一组状态变量则有15 若给出(t=0)时的初值 、和 时就可确定系统的行为。单输入单输入-单输出线性定常系统单输出线性定常系统选取状态变量二、系统的状态空间表达式16（9-17）17或写成（9-19）18系统结构图如图所示图9-319例9-3输入为输入为 u u，输出为，输出为y y。试求系统的状态方程和输出方程。试求系统的状态方程和输出方程。考虑用下列常微分方程描述的系统考虑用下列常微分方程描述的系统20解：状态方程为写成取状态变量21输出图9-4 例

7、9-3系统的结构图22多输入-多输出系统图9-6 多变量系统23 为状态变量；为输入量；为输出变量。24矩阵形式：式中25.输出变量方程26式中式中27图9-7 系统结构图28三、线性定常系统状态方程的解式中式中 均为列向量。均为列向量。（9-28）齐次向量微分方程齐次向量微分方程（9-29）方程的解为方程的解为1、齐次状态方程的解29可得代入方程 将方程两边系数必相等方程两边系数必相等,即即30我们定义（9-31）（9-32）因此，齐次状态方程的解为将 t=0 代入（9-29）中得31（9-33）（9-34）（9-35）为nn矩阵，称矩阵指数。于是齐次状态方程的解为于是齐次状态方程的解为用拉

8、氏变换法求解用拉氏变换法求解32拉氏反变换后得到（9-37）（9-38）33最终得到v与前一种解法所得结果一致。式中（9-41）34状态转移矩阵具有以下性质：状态转移矩阵具有以下性质：35图9-8 状态转移特性性质性质336例9-5设系统的状态方程为设系统的状态方程为试求状态转移矩阵。试求状态转移矩阵。37解：求状态转移矩阵为其中可以写出方程解为38例9-6设系统状态方程为设系统状态方程为试求状态方程的解。试求状态方程的解。39解：用拉氏变换求解。先求出矩阵指数用拉氏变换求解。先求出矩阵指数 40状态方程之解为 将上式进行拉氏反变换将上式进行拉氏反变换41图9-9 系统的瞬态解（a）与相轨迹（

9、b）42改写为 用 左乘等式两边 2 2 非齐次状态方程的解非齐次状态方程的解非齐次方程（9-53）（9-54）43用 左乘上式两边（9-54）则式（9-54）可以写成（9-55）积分上式得44讨论非齐次状态方程的拉氏变换解法讨论非齐次状态方程的拉氏变换解法拉氏反变换得拉氏反变换得由于由于由卷积定理有由卷积定理有45因此由于由于最后得到46例9-7求下述系统状态的时间响应求下述系统状态的时间响应控制量控制量u u为单位阶跃函数。为单位阶跃函数。47解：由状态转移矩阵48若初始状态为零状态，则若初始状态为零状态，则49四、传递函数矩阵（9-58）系统状态方程系统状态方程（9-59）输出方程输出方

10、程拉氏变换为拉氏变换为50解出解出定义传递函数矩阵为（9-63）51所以所以特征方程为52例9-8v设系统的动态方程为v试求该系统的传递函数矩阵。53解：已已知知故故5455例9-9设系统的状态方程为设系统的状态方程为试求系统的特征方程和特征值。试求系统的特征方程和特征值。56解：系统的特征方程为系统的特征方程为特征方程的根为-1、-2和-3。矩阵A的特征值也为-1、-2和-3。两者是一样的。57五、动态方程的可逆线性变换五、动态方程的可逆线性变换其中 P 是nn 矩阵58特征多项式特征多项式没有改变。59传递函数阵传递函数阵传递函数阵没有改变传递函数阵没有改变60例9-10v对例9-9之系统

11、进行坐标变换，其变换关系为v试求变换后系统的特征方程和特征值。61解：根据题意求变换矩阵代入62特征方程为特征值为-1，-2，-3，与例9-9结果相同。可得639-2 9-2 线性系统的可控性和可观测性线性系统的可控性和可观测性v在状态空间法中，对系统的描述可由状态方程和输出方程来表示。v状态方程是描述由输入和初始状态所引起的状态的变化；输出方程则是描述由于状态变化而引起输出的变化可控性和可观测性的概念，就是回答可控性和可观测性的概念，就是回答“系统的输入是系统的输入是否能控制状态的变化否能控制状态的变化和和“状态的变化能否由输出状态的变化能否由输出反映出来反映出来这样两个问题。这样两个问题。

12、返回子目录返回子目录64一、准备知识一、准备知识设设A A 是 nn 矩阵,x x 是 n1 向量,齐次方程组若|A|=0,（9-70）式存在非零解；若|A|0,（9-70）式只有零解。Ax=0（9-70）1 1、齐次方程组的非零解、齐次方程组的非零解652、Cayley-Hamilton定理 Cayley-Hamilton定理指出，矩阵A满足自己的特征多项式。则A满足（9-71）（9-72）A的特征多项式66应用Cayley-Hamilton 定理（9-78）对于矩阵指数 可以用来表示。67例9-11解：矩阵A的特征多项式要求计算矩阵 的68矩阵A满足自己的特征多项式，有本题中n=100，故

13、有693 引理的充分必要条件是：的充分必要条件是：存在存在 使使（9-80）非奇异。这里非奇异。这里A:nn,b:n1.A:nn,b:n1.70若对任意状态若对任意状态 ，存在一个有限时刻，存在一个有限时刻 和控制量和控制量 ，能在，能在 时刻将状态时刻将状态 转移到转移到0 0，则称此系统的状态，则称此系统的状态完全可控。完全可控。二、线性系统的可控性二、线性系统的可控性1 定义对于任意时刻对于任意时刻 和和 ，若存在控制向量，若存在控制向量 ，能将，能将 的的每个初始状态每个初始状态 转移到转移到 时刻的另一任意状态时刻的另一任意状态 ,则称此系统的状态完全可控。则称此系统的状态完全可控。

14、等价的定义71例如图9-10 二维系统状态转移过程如图所示二维系统状态转移过程如图所示系统可控。系统可控。722 可控性判据其中 A(nn),b(n1),c(1n),d(11)系统可控的充分必要条件是（9-84）（9-85）（9-86）单变量线性定常系统73证明：将u(t)代入式(9-54)，可得（9-87）若式若式(9-86)(9-86)成立，由前面准备知识的引理，存在成立，由前面准备知识的引理，存在t t1 100，使，使得得(1-30)(1-30)式定义的式定义的W(0,tW(0,t1 1)矩阵非奇异，取矩阵非奇异，取t t1 1为可控性定为可控性定义中的义中的t tf f ，且在，且在

15、0,t0,tf f 上定义上定义74由定义可知式由定义可知式(9-86)(9-86)成立时，系统可控。成立时，系统可控。75再证明若系统可控，则式(9-86)成立 根据凯莱哈密尔顿定理（9-88）（9-89）假定系统由任意初始状态被控制到零状态，即 x(tf)=0。根据(9-54)式，则有76把(9-89)式代入(9-88)式，得记记这时（9-90）77由于x(0)是任意的n维向量，(9-90)式要有解，一定有(9-86)式成立，即由上述可控性判据可知，系统的可控性只取决于由上述可控性判据可知，系统的可控性只取决于(9-84)(9-84)式中的式中的A A阵和阵和b b阵。今后为了方便起见，将

16、可控性矩阵记阵。今后为了方便起见，将可控性矩阵记为为S S，这样，可控的充要条件就写成：，这样，可控的充要条件就写成：rankS=n rankS=n 或或 detS0detS0。78图9-11 不可控系统79例子系统可控系统可控系统803 约当型方程的可控性判据 约当块的一般形式为约当块的一般形式为由前面讨论可知，等价变换不改变可控性。81可控的充分必要条件为同一特征值对应的约当块只有一块，即各约当块的特征值不同。每一约当块最后一行，所对应的b中的元素不为零。这一充分必要条件又称为单输入系统约当形方程的可控性判据。82例9-12系统状态方程为系统状态方程为试确定系统可控时，试确定系统可控时，应

17、满足的条件。应满足的条件。83解：如果用直接计算可控性矩阵的方法也可得到同样结果.因为因为A A阵有两个若当块，根据判据的阵有两个若当块，根据判据的(1)(1)应有应有 ，由判据的，由判据的(2)(2)，A A的第二行所对应的的第二行所对应的b b中的元中的元素素b2 2,b4 4均不为零，因此系统可控的充要条件均不为零，因此系统可控的充要条件为为844、可控标准形（9-92）则系统一定可控。一个单输入系统，如果具有如下形式85(9-92)式的形式被称为单输入系统的可控标准形可控标准形。v对于一般的单输入n维动态方程 (9-93)v其中A，b分别为nn,n1的矩阵。成立以下定理：若n维单输入系

18、统可控，则存在可逆线性变换，将其变换成可控标准形。86下面给出变换矩阵P的构成方法 计算可控性矩阵S；计算 ，并记 的最后一行为h。构造矩阵 P令 即可求出变换后的系统状态方程。即可求出变换后的系统状态方程。87例9-13v设系统状态方程为 v试将系统状态方程化为可控标准形。88解：v 先判断可控性，再计算变换矩阵，将状态方程化为可控标准形。v故系统可控。v一定可将它化为可控标准形。89此时标准形中的系统矩阵的最后一行系数就是A阵特征式的系数，但符号相反。则变换矩阵为则变换矩阵为90可求出915 系统按可控性进行分解系统按可控性进行分解 v系统可控时，可通过可逆线性变换变换为可控标准形，现在研

19、究不可控的情况，这时应有下面的结果被称为系统按可控性进行分解的定理 92若单变量系统(9-84，85)式的可控性矩阵满足(9-103）式，则存在可逆线性变换矩阵P，使得变换后的系统方程具有以下形式 式中式中 是是n n1 1维向量维向量,是是n n2 2维向量，并且维向量，并且（9-106）（9-107）93(9-106)式表明下面的动态方程是可控的：v（9-107)式表明的动态方程式(9-108，109)和原来的n维动态方程式(9-84，85)具有相同的传递函数。或者说传递函数中未能反映系统中不可控的部分。（9-108）（9-109）94证明：证明：（9-110）考察考察(9-103)(9-

20、103)式，并将它重新写出如下式，并将它重新写出如下进而可以证明进而可以证明补充选取线性无关的向量补充选取线性无关的向量并使得向量组并使得向量组 线性无关。线性无关。95令若将若将(9-104(9-104，105)105)式所表示的系统用方框图表示，可式所表示的系统用方框图表示，可控性分解的意义就能更直观地体现出来，控性分解的意义就能更直观地体现出来，(9-104(9-104，105)105)式的系统方块图如图式的系统方块图如图9-129-12所示。所示。即可证明 具有定理所要求的(9-104)的形式。96图9-12 系统按可控性分解97v从图9-12中可见，控制输入不能直接改变 也不能通过影

21、响 间接改变 ，故 这一部分状态分量是不受输入影响的，它是系统中的不可控部分。v由图上还可看出系统的传递函数完全由图中虚线以上的部分所决定，即传递函数未能反映系统的不可控部分。98例9-14v设有系统方程如下 v其传递函数为 v试进行可控性分解。99解：系统的可控性矩阵系统的可控性矩阵由于由于S S的第的第3 3列是第列是第1 1列与第列与第2 2列的线性组合，列的线性组合，系统不可控系统不可控 。选取选取100计算出 构成构成101故有因而得因而得102三、线性系统的可观测性设n维单变量线性定常系统的动态方程为(9-113,114)如果在有限时间间隔0,t1 内，根据输出值y(t)和输入值u

22、(t)，能够唯一确定系统的初始状态x(0)的每一个分量，则称此系统是完全可观测的，简称可观的。式中A,b,c分别为 矩阵。1 1、可观测性的定义103 若系统中至少有一个状态变量若系统中至少有一个状态变量是不可观测是不可观测(不能被确定不能被确定)的，则称的，则称系统不可观。系统不可观。图9-13 不可观测系统104 分析(9-117)式，当知道某一时刻的输出时，(9-117)式是n个未知量x(0)的(一个)方程，显然不能唯一确定初值，要解出x(0)，必须要利用一段时间上的输入和输出的值。将(9-117)式左乘一个列向量，再从0到t1积分就可得到n个未知数x(0)的n个方程。就可利用线性方程组

23、存在唯一解的条件来研究。(9-117)我们考虑没有外作用的系统，可求出1052 可观测性判据可观测性判据 可观测的可观测的充分必要条件充分必要条件是是(9-118)(9-118)式中的矩阵称为可观性矩阵可观性矩阵。并记为V。106式（9-118）又可以写成取x(0)=，这一非零的初始状态引起的输出为（9-120）根据准备知识中的引理，存在107将 代入上式，得 显然显然不可能由不可能由y(t)=0y(t)=0来确定。即系统不可观测。来确定。即系统不可观测。108试判断系统的可观测性。设系统动态方程为例题9-15109解：v系统的可观性矩阵系统的可观性矩阵 是奇异的，故系统不可观测。是奇异的，故

24、系统不可观测。系统可观性矩阵的秩，在对系统作可逆线性变换下保系统可观性矩阵的秩，在对系统作可逆线性变换下保持不变，因而可逆线性变换不改变系统的可观测性。持不变，因而可逆线性变换不改变系统的可观测性。110事实上 因为因为因为因为 是可逆阵，所以上式两端矩阵的秩相同。是可逆阵，所以上式两端矩阵的秩相同。是可逆阵，所以上式两端矩阵的秩相同。是可逆阵，所以上式两端矩阵的秩相同。1113 对偶原理v上面两个系统的系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵之间有确定的关系，称系统、是互为 对偶 的系统。系统系统 112对偶原理对偶原理 v系统的可控性(可观性)等价于系统的可观性(可控性)。v只要写出系统的可控性矩阵(

25、可观性矩阵)和系统 的可观性矩阵(可控性矩阵)即可证明以上结论。v利用对偶原理，可以将可控性的研究结果应用到可观测性的研究上。因为对对偶系统的可控性研究就相当于对原系统的可观性研究。113应用：v 若式(9113)和式(9114)的动态方程中A阵具有约当标准形，则系统可观测的充分必要条件为 同一特征值对应的约当块只有一块。每一约当块的第1列所对应的c中的元素 非零。n上述条件就是约当形动态方程的可观测性判据。它可以由对偶系统的可控性判据得到。114例9-16v 设动态方程为 v试确定系统可观测时 应满足的条件。115解：由对偶系统的可控性判据可知，其可控的充要条件为这也就是原系统可观测的条件。

26、构造原系统的对偶系统如下：1164 可观测标准形可观测标准形 v一个单输出系统如果其A,c 阵有如下的标准形式，它一定是可观测的。（9-122）式称为单输出系统的可观测标准形。（9-122）117通过对偶原理证明：v给定系统方程如下（9-123）若有等价变换若有等价变换将其化为可观测标准形将其化为可观测标准形式中式中 具有具有(9-122)(9-122)的形式。的形式。118构造原系统的对偶系统 根据对偶原理，因原系统为可观测，所以其对偶系统一定可控。化为下列的可控标准形，其变换矩阵为P.119因此有（9-134）比较上面两组式子，可知欲求之线性变换矩阵比较上面两组式子，可知欲求之线性变换矩阵

27、它可将系统方程化为可观测标准形。它可将系统方程化为可观测标准形。120例9-17v系统动态方程为v将系统动态方程化为可观标准形，并求出变换矩阵。121解：v显然该系统可观测，可以化为可观标准形。写出它的对偶系统的A,b阵，分别为根据根据A,bA,b阵，按化可控标准形求变换阵的阵，按化可控标准形求变换阵的步骤求出步骤求出P P阵：阵：122计算可控性矩阵计算可控性矩阵S S由由(9-128)(9-128)式求出式求出P P阵阵由由(1-60)(1-60)式求出式求出M M阵阵123式中式中124 5 系统按可观性进行分解 v系统可观测，则通过等价变换可以化为可观测标准形。现在研究系统不可观的情况

28、，它是系统不可控的对偶结果。若(9-113，114)的系统不可观测，且125则存在可逆矩阵P，将动态方程化为式中 是n2维向量,是n-n2维向量，并且（9-137）（9-135）（9-136）126(9-135,136)的式子也可用图9-14表示。这可以用前面证明可观标准形的方法论证。这可以用前面证明可观标准形的方法论证。(9-137)式表明n2维的子系统(A1 b1 c1)是可观的；这部分状态变量是不可观的；(9-138)式表明传递函数未能反映系统的不可观部分。系统按可观性分解的结系统按可观性分解的结果果(9-138)127图914 系统按可观测性分解由图上可以看出传递函数完全由图中虚线以上

29、的部分所决定，即传递函数未能反映系统中不可观测的部分。128四、可控性、可观测四、可控性、可观测性与传递函数的关系性与传递函数的关系 （9-141）对应的传递函数为（9-140）考虑单变量系统，其动态方程为1 1、可控性、可观测性与零、极点对消问题129式中：N(s)=0的根称为传递函数g(s)的零点，D(s)=0的根称为传递函数g(s)的极点。下面是本段的主要结果。定理定理 动态方程式(9-140)可控、可观测的充分必要条件是g(s)无零、极点对消，即D(s)和N(s)无非常数的公因式。130证明：首先用反证法证明条件的必要性，若有s=s0既使N(s0)=0，又使D(s0)=0，由(9-14

30、1)式即得(9-143)利用恒等式可得(9-144)131将s=s0代入(9-144)式，并利用(9-143)式，可得(9-145)将上式前乘c、后乘b后即有（9-146）将(9-145)式前乘cA、后乘b后即有（9-147）132依次类推可得这组式子又可写成133 出现矛盾，矛盾表明N(s)和D(s)无相同因子，即g(s)不会不会出现零、极点相消的现象。因为动态方程可观测，故上式中前面的可观性矩阵是可逆矩阵，故有又由于系统可控，不妨假定A、b具有可控标准形(9-92)的形式，直接计算可知（9-148）134例9-18v设系统动态方程为不难验证系统是可控、可观测的。不难验证系统是可控、可观测的

31、。135显然显然N(s)N(s)和和D(s)D(s)无非常数的公因式，这时传无非常数的公因式，这时传递函数没有零、极点相消。事实上递函数没有零、极点相消。事实上分别计算分别计算 1362 传递函数的最小阶动态方程实现 已知动态方程，可以用(9-64)式计算出传递函数。如果给出传递函数如何找出它所对应的动态方程？这一问题称为传递函数的实现问题。如果又要求所找出的动态方程阶数最低，就称为传递函数的最小实现问题。137设给定有理函数设给定有理函数(9-149)(9-149)式中的d 就是下列动态方程中的直接传递部分(9-150)所以只需讨论(9-149)式中的严格真有理分式部分。138给定严格真有理

32、函数给定严格真有理函数(9-151)要求寻找 A,b,c，使得(9-152)并且在所有满足(9-152)式的A,b,c中，要求 A 的维数尽可能的小。下面分两种情况讨论139可控标准形的最小阶实现式(9-153)对(9-151)式，可构造出如下的实现 (A,b,c)(9-153)（1 1）g(s)g(s)的分子和分母的分子和分母无非常数公因式的情况无非常数公因式的情况140(9-154)可观标准形的最小阶实现 (9-153)式给出的(A,b,c)具有可控标准形，故一定是可控的。可直接计算它对应的传递函数就是(9-151)的传递函数。由于g(s)无零、极点对消，故可知(9-153)式对应的动态方

33、程也一定可观。同样可以说明(9-154)式是(9-151)的可观标准形的最小实现。141 若g(s)的分母已经分解成一次因式的乘积，通过部分分式分解，容易得到约当标准形的最小阶实现。现用例子说明,设g(s)有以下的形式(9-155)约当标准形的最小阶实现约当标准形的最小阶实现 因为g(s)无零、极点对消，故可知上式中c1c4均不为零。142令分别对应于143而综合上面各式并令 x=x1 x2 x3 x4T可得由若当形方程的可控性判据和可观测性判据可知上式是可控、可观测的，因而它是g(s)一个最小阶实现。144 若g(s)的分母是n阶多项式，但分子和分母有相消的公因式时,这时n 阶的动态方程实现

34、就不是最小阶实现，而是非最小实现，(或是不可控的，或是不可观的，或是既不可控也不可观的)。g(s)的最小实现的维数一定小于n。（2 2）g(s)的分子和分母有相消因式的情况145例9-19设g(s)的分子N(s)=s+1,而分母D(s)=，分子与分母有公因子(s+1)。仿照(9-153)式，可写出g(s)的一个三维的可控标准形实现无须验证这个实现是可控的146因此这一实现是不可观的。同理，如果按(9-154)式构造如下的可观测标准形的三维实现，它一定是不可控的。计算可观测性矩阵147 当然也可以构造出g(s)的既不可控又不可观测的三维实现。现在将分子和分母中的公因式消去，可得 如果用上式中最后

35、的式子，仿照(9-153)式或(9-154)式，构造出二维的动态方程实现，它是g(s)的最小实现。148 9-3 9-3 状态反馈与状态观测器状态反馈与状态观测器本节首先研究用状态变量作反馈的控制方式。系统的动态方程如下(9-157)令(9-158)一、一、状态反馈和极点配置问题式中的v 是参考输入，k称为状态反馈增益矩阵，这里它是1n 的向量。返回子目录返回子目录149图9-15(9-159)图9-15所示的闭环系统的状态空间表达式为式中A-bk为闭环系统的系统矩阵。v将(9-157)式和(9-158)式用方框图表示，见图9-15，它是一个闭环系统。150计算(9-159)式闭环系统的可控性

36、矩阵，因为1 1 状态反馈不影响可控性151上式中最后一个矩阵显然是非奇异矩阵，因此有(9-160)因此有152式(9-160)表明，若原来系统可控，加上任意的状态反馈后，所得到的闭环系统也可控。若原来系统不可控，不论用什么k 阵作状态反馈，所得到的闭环系统仍然不可控。这一性质称为状态反馈不改变系统的可控性。状态反馈可能改变系统的可观测性状态反馈可能改变系统的可观测性。即原来可观的系统在某些状态反馈下，闭环可以是不可观的。同样，原来不可观的系统在某些状态反馈下，闭环可以是可观的。状态反馈是否改变系统的可观测性，要进行具体分析。153例9-20v系统的动态方程如下下表列出了系统 c 阵参数、状态

37、增益向量 k 和系统可观测性的关系。154 可观 任意 可观01 可观 1 111 不可观 1 2 可观11 不可观 0 110 可观 1 1 不可观10闭环系统 k 原系统 c2 c1 可观性的变化可以从闭环传递函数的极点变化、是否发生零极点对消来说明。1552 2 状态反馈对闭环特征值的影响 闭环方程(9-159)中的系统矩阵A-bk的特征值，一般称为闭环的极点。闭环系统的品质主要由闭环的极点所决定，而稳定性则完全由闭环极点所决定。通过选取反馈增益阵来改变闭环特征值在复平面上的位置，称为状态反馈进行极点配置问题状态反馈进行极点配置问题。156证明：定理：定理：闭环方程(9-159)的系统矩

38、阵A-bk 的特征值可以由状态反馈增益阵 k 配置到复平面的任意位置，其充分必要条件是(9-157)式的系统可控。先证充分性 因为(9-157)式的系统可控,则存在可逆矩阵P，将(9-157)式的系统通过 的变换化为可控标准形。157式中(9-161)现引入（9-162）158这时(9-158)式的状态反馈式可写为：考虑矩阵考虑矩阵（9-163）159它的特征式为由于由于故 的特征式即是 的特征式，所以 和 有相同的特征值。160设任意给定的闭环极点为 ,且(9-166)式中 完全由 所决定。比较(9-165a)式和(9-166)式可知，若要(9-166)的根为 ，需有(9-167)这说明任意

39、给定闭环n个极点，均可通过(9-167)、(9-163)式确定，使A-bk具有给定的n个特征值，充分性证毕。161必要性:若系统(9-157)可任意配置闭环特征值，要证明系统(9-157)可控。用反证法，若系统(9-157)不可控，则存在一个可逆矩阵，通过等价变换后，可将(9-157)式转换为(9-104，105)的可控分解形式。A4的特征值不受 的影响，即A-bk中的一部分特征值不受k 的影响，这与可任意配置A-bk的特征值相矛盾。矛盾表明系统(9-157)可控。162 以上定理的充分性证明中，已给出通过可控标准形来选择k阵，使闭环具有任意要求的特征值的计算步骤，现归纳如下:计算A的特征式由

40、所给的n 个期望特征值 ，计算期望的多项式163根据(9-94)式，计算化可控标准形的坐标变换阵P求出反馈增益阵 上述步骤中有化可控标准形这一步。如果不经过这步，也可直接求k。求164系统状态方程为若加状态反馈使闭环特征值分布为-1,-2,-1+j,-1-j，试求状态反馈增益阵k。例9-21165方法一、通过化可控标准形求解计算A的特征式由所给的4 个期望特征值，计算期望的多项式解：166求出反馈增益阵=-0.4 -1 -21.4 -6 根据(9-94)式，计算化可控标准形的坐标变换阵P求167方法二：令 ，计算A-bk的特征式比较两个特征式的系数可得所以可得 k=-0.4 -1 -21.4

41、-6 168例9-23有一系统的传递函数为有一系统的传递函数为要求用状态反馈的方法，使得闭环系要求用状态反馈的方法，使得闭环系统的特征值为统的特征值为-2,-1+j,-1-j-2,-1+j,-1-j。169解：首先要将系统用状态方程写出，即构造出传递函数的实现，为了计算方便，取可控标准形实现反馈增益向量k可写成闭环系统的特征方程为170状态反馈系统的方框图如图9-16所示。按给定极点，期望多项式为 比较上两特征多项式，令s同次的系数相等，可得或 k=4 4 1 171图9-16 例9-23在引入状态反馈后的结构图172二、状态观测器 为了实现状态反馈，须对状态变量进行测量，但在实际系统中，并不

42、是所有的状态变量都能测量到的。因此为了实现状态反馈控制律，就要设法利用巳知的信息（输入量及输出量），通过一个模型来对状态变量进行估计。状态观测器又称状态渐近估计器。173图9-17 状态的开环估计 一个明显的方法是利用计算机构成一个与实际系统具有同样动态方程的模型系统，用模型系统的状态变量作为系统状态变量的估计值，见图。174 由于图9-17中未能利用系统的输出信息对误差进行校正，所以用图9-17得到的估计值是一个开环估值。一般系统的输入量u和输出量y均为已知，因此希望利用y=cx与 的偏差信号来修正 的值，这样就形成了图9-18的闭环估计方案。175图9-18 状态的闭环估计方案176 根据

43、图9-18所表示的关系可写出观测器部分的状态方程(9-169)由(9-169)式和系统方程式可求出观测误差 应满足的方程式(9-170)177(9-170)式表明，只要A-Hc的特征值均在复平面的左半部，随着 t 的增长而趋向于零，而且趋于零的速度由A-Hc 的特征值所决定。于是有下面极点可任意设置的状态观测器定理定理定理：若系统(A,b,c)可观测,则(9-169)式给出了系统的一个n 维状态观测器，并且观测器的极点可以任意配置。178例9-24v系统的动态方程为 试设计一个状态观测器，观测器的特征值要求设置在-10,-10。179解：将观测器增益矩阵 H 写成观测器的特征方程为观测器的特征

44、方程为180根据给定的特征值，可求出期望的多项式为比较上述两多项式中s的同次项系数得因此观测器的方程为181三、由被控对象、观测器和状态反馈构成的闭环系统若原系统(对象)方程为(9-171)现以状态观测器所得到的状态估计值 代替原系统的状态变量 x 形成状态反馈，即(9-172)而观测器的方程为(9-173)182 由对象、观测器和状态反馈组合而成的闭环系统的方框图如图9-19所示。图9-19 带观测器的状态反馈系统183将(9-172)式代入(9-171)式和(9-173)式，可分别得到(9-174)(9-175)取状态变量为(9-176)(9-177)184将(9-176)、(9-177)

45、式的动态方程进行如下的坐标变换(9-178)所得到的动态方程为：(9-179)(9-180)185闭环系统的传递函数可以通过(9-179)式、(9-180)式来计算。从(9-179)式可知，这时闭环系统矩阵的特征式可计算如下(9-181)186 上式表明,图9-19所示闭环系统的特征式等于矩阵 A-bk 与矩阵A-Hc 的特征式的乘积，而A-bk 是状态反馈系统的系统矩阵，A-Hc是观测器的系统矩阵，(9-181)式表明状态反馈系统的动态特性和观测器的动态特性是相互独立的。这个特点表明：若系统是可控、可观的，则可按闭环极点配置的需要选择反馈增益阵k，然后按观测器的动态要求选择H，H的选择并不影

46、响已配置好的闭环传递函数的极点。因此系统的极点配置和观测器的设计可分开进行，这个原理通常称为分离定理。187通常把反馈增益阵和观测器一起称为控制器图9-20 控制器188例9-25v设系统传递函数为希望用状态反馈使闭环的极点为-46j，并求实现这个反馈的状态观测器，观测器的极点设置在-10，-10。189解：由系统的传递函数可知,其二阶动态方程实现是可控且可观的。为了设计观测器方便，现取可观标准形实现，即根据题意要求闭环特征方程为190令两个特征式对应的系数相等，可解出 k1=2,k2=40。再求观测器，根据极点的要求，期望多项式为令 ,使求状态反馈 k，令k=k1 k2 。求出状态反馈后闭环

47、系统的特征多项式191与期望多项式相比,得到 h1=100,h2=14。由式可计算出观测器方程为 由对象、状态反馈和观测器构成的整个闭环系统的方框图如图9-21所示。192图9-21 例9-25的反馈控制系统193（9-183）它在零初始条件的输出它在零初始条件的输出9-49-4有界输入、有界输出稳定性有界输入、有界输出稳定性设系统的动态方程为（9-182）令令（9-184）则有则有式中式中g(t)g(t)为脉冲响应函数。为脉冲响应函数。返回子目录返回子目录194传递函数与脉冲响应函数的关系为定义定义若对于若对于 成立，成立，称称h(t)h(t)有界有界。195系统BIBO稳定的充分必要条件为

48、K K是一个实的正数。是一个实的正数。（9-187）若所有的有界输入引起的零状态响应的输出是有界的，则称系统为有界输入有界输出稳定，即 BIBOBIBO稳定稳定 。196证明：证明：充分性设197必要性反证法若有若有 存在，使得存在，使得M 0取有界输入取有界输入这时这时198令当系统用传递函数描述时，系统BIBO稳定的充分必要条件为g（s）的极点具有负实部。若式（9-182）中的A阵，其特征值均在复平面的左半部，称动态方程是渐近稳定的。199例9-26v分析下列系统的输入、输出稳定性和渐近稳定性。200解：系统的特征方程为系统传递函数传递函数极点位于S左半平面，故系统是输入、输出稳定的。A阵

49、的特征值为阵的特征值为+2，-3。故系统。故系统不是渐近稳定的不是渐近稳定的。201结论：v若系统（A，b，c）是渐近稳定的，则也是输入、输出稳定的；v若系统（A，b，c）是输入、输出稳定的，且又是可控和可观的，则系统是渐近稳定的。渐近稳定 BIBO稳定2029-5 李雅普诺夫第二方法 李雅普诺夫第二方法是通过构造李雅普诺夫函数(V函数)来直接判断运动稳定性的一种定性的方法.由于这种方法没有求出微分方程的解，而直接研究方程解的稳定性，因此又称为直接法,目前它仍然是研究系统(包括时变、非线性)稳定性的有力工具。这里只针对时不变线性系统渐近稳定的情况介绍二次型形式的V函数。返回子目录返回子目录20

50、3定理：时不变动态方程时不变动态方程 的零解是渐近稳定的零解是渐近稳定的的充分必要条件是对给定的任一个正定对称阵是对给定的任一个正定对称阵N N，都，都 存在唯一的正定对称阵存在唯一的正定对称阵M M，使得，使得(9-188)式的矩阵方程称为李雅普诺夫方程。（9-188）204例9-27v考虑二维系统v试确定平衡状态x=0是否渐近稳定。205解：令N=1，M由（9-188）式来确定。设代入（9-188）式，可以得到显然显然M是正定矩阵。所以系统的平衡状态是正定矩阵。所以系统的平衡状态x=0渐近稳定。渐近稳定。206例9-28v考虑二维系统v试确定平衡状态x=0渐近稳定时待定参数a应满足的条件。