现代控制理论-第四章极点配置问题

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1、第四章 线性定常系统的综合 1 第四章 线性定常系统的综合 内容： 4.1 线性反馈控制系统的基本结构及其对系统特性的影响 4.2 SISO 系统的极点配置 第四章 线性定常系统的综合 内容： 4.1 线性反馈控制系统的基本结构及其对系统特性的影响 4.2 SISO 系统的极点配置 4.3 系统镇定问题系统镇定问题 4.4 系统解耦问题系统解耦问题 4.5 状态观测器状态观测器 4.6 利用状态观测器实现状态反馈利用状态观测器实现状态反馈 前面介绍的内容都属于系统的描述与分析。 系统的描述系统的描述：主要解决系统的建模、各种数学模型(时域、频域、内部、外 部描述)之间的相互转换等。 系统的分析

2、系统的分析：主要研究系统的定量变化规律(如状态方程的解，即系统的运 动分析等)和定性行为(如能控性、能观测性、稳定性等)。 在本章中， 将主要讨论在不同形式的性能指标下线性定常系统的反馈控制规 律的综合方法，包括建立可综合的条件及建立控制规律及其算法。 综合与设计问题综合与设计问题：在已知系统结构、参数(被控系统数学模型) 及期望的系 统运动形式或特征的基础上， 确定施加于受控系统的控制规律与参数， 称为综合。 当系统以状态空间描述以后，系统的状态含有系统的全部运动信息。若将控 制信号设计为状态与参考信号的函数形成闭环控制，便可得到相当好的控制效 果。无论在抗扰动或抗参数变动方面，反馈系统的性

3、能都远优于非反馈系统。 综合问题中的性能指标可区分为非优化型性能指标和优化型性能指标两种 类型，它们都规定着综合所得系统运动过程的期望性能。两者的差别是：非优化 指标是类不等式型的指标， 即只要性能值达到或好于期望指标就算实现了综合 目标；优化型指标则是一类极值型指标，综合目的是要使性能指标在所有可能值 中取极值。 本章讨论的综合问题主要涉及的是非优化型指标， 它们可能以一组期望的闭 环系统极点作为性能指标，来讨论极点配置问题。系统运动的状态也即其动态性 能，主要是由系统的极点位置所决定。把闭环极点组配置到所希望的位置上，实 际上等价于使综合得到的系统的动态性能达到期望的要求。 以渐近稳定作为

4、性能指标，主要讨论各种反馈结构对系统稳定性的影响。 使“多输入多输出”系统实现“一个输入只控制相应的某个输出”作为性 第四章 线性定常系统的综合 2 能指标，其相应的综合问题即为解耦控制问题。略 还有在各种扰动作用下无静差地跟踪参考指令的性能指标， 其相应的综合问 题为鲁棒控制问题(留在第七章专门讨论，略)。其实质是包含串联补偿器的输出 反馈控制系统。 本章最后讨论状态观测器。在状态反馈中，假定所有状态变量如输出量一样 是可以得到的。实际上，这一假定通常是不成立的。因此，若我们要实现状态反 馈，则必须根据可利用的信息来产生状态向量估值。这种建立近似状态向量的装 置，在确定性系统中即为状态观测器

5、，在不确定性系统中为 Kalman 滤波器。状 态观测器理论的建立，拓宽了状态反馈综合方法的应用范围。 4.1 线性反馈控制系统的基本结构及其对系统特性的影响 4.1 线性反馈控制系统的基本结构及其对系统特性的影响 无论是在经典控制理论还是在现代控制理论中， 反馈都是系统设计的主要方 式。但由于经典控制理论是用传递函数来描述的，因此它只能以输出量作为反馈 量。而现代控制理论由于是采用系统内部的状态变量来描述系统的物理特性，因 而除了输出反馈外，还可采用状态反馈这种新的控制方式。 一、 反馈的两种基本形式一、 反馈的两种基本形式 状态反馈 输出反馈 1、状态反馈、状态反馈 状态反馈方框图如图 4

6、.1 所示。 图 4.1 第四章 线性定常系统的综合 3 通常 D=0，则原受控系统动态方程为 = += CXY BUAXX ? 因为将系统的控制量 U 取为状态变量 X 的线性函数 UVKX=，称其为线 性的直接状态反馈，简称状态反馈。 反馈后，系统的动态方程为 ()XABK XBV YCX =+ = ? 其中 K 为 m n K 阵。m 为 U 的维数，n 为状态向量的维数。 记为 , ,ABK B C，其传递矩阵为 1 ( )() K GsC sIABKB = 特点特点：状态反馈并没有增加系统的维数，通过改变 K，可以选择系统的特征值， 使系统获得所要求的性能 2、输出反馈、输出反馈 系

7、统的状态常常不能全部测量到，状态反馈方法就有一定的工程限制。在此 第四章 线性定常系统的综合 4 情况下，人们常常采用输出反馈方法。输出反馈的目的首先是使系统闭环成为稳 定系统，然后在此基础上进一步改善闭环系统的性能。 输出反馈方框图如图 4.2 所示。 图 4.2 原受控系统动态方程为 = += CXY BUAXX ? 将系统的控制量 U 取为输出变量 Y 的线性函数 UVFY=，称其为线性非 动态输出反馈，简称输出反馈。 反馈后，系统的动态方程为 ()XABFC XBV YCX =+ = ? 其中 F 为 m l K 阵。m 为 U 的维数，l为 Y 的维数，n 为状态向量的维数。 记为

8、, ,ABFC B C，其传递矩阵为 1 ( )() F GsC sIABFCB = 特点特点：F：ml维； K：mn 维，由于 mn，故 F 的可供选择的自由度比 K 小，所以输出反馈效果不如状态反馈，但是比较容易实现。 不难看出，不管是状态反馈还是输出反馈，部可以改变系统状态方程的系数 矩阵 A，但这并不是说两者具有等同的性能。由于状态能完整地表征系统的动态 行为，因而利用状态反馈时，其信息量大而完整，可在不增加系统的维数的情况 下， 自由地支配响应持性； 而输出反馈仅利用了状态变量的线性组合来进行反馈， 其信息量便较小，所引入的串、并联补偿装置将使系统维数增加，且难于得到任 意期望的响应

9、特性。 一个输出反馈系统的性能，定有对应的状态反馈系统与之等同，因为只需令 第四章 线性定常系统的综合 5 FCK，这时确定状态反馈增益矩阵 K 是方便的。但是，一个状态反馈系统的性 能，却不一定有对应的输出反馈系统与之等同，这是由于令 KFC 来确定 F 的解 时，未必能够实现（或者形式上过于复杂而不易实现，或者 F 阵含有高阶导数项 而不能实现，或对于非最小相位的受控对象，如古有右极点，而选择了有校正零 点来加以对消时，便会潜藏有不稳定的隐患，见周凤岐 PP.8687，93） 。不过， 输出反馈所用的输出变量总是容易测得的，因而实现是方便的；而有些状态变量 不便测量或不能测量，需要重构，给

10、实现带来麻烦是需要克服的障碍。因此，若 我们要实现状态反馈，则必须根据可利用的信息 V、Y 来产生状态向量估值。这 种建立近似状态向量的装置，在确定性系统中即为状态观测器，在不确定性系统 中为 Kalman 滤波器。状态观测器理论的建立，拓宽了状态反馈综合方法的应用 范围。 3、从输出到、从输出到 X ? 处的反馈处的反馈 方框图如图 4.3 所示 图 4.3 原受控系统动态方程为 = += CXY BUAXX ? 反馈后，系统的动态方程为 ()XAXBUGYAGC XBU YCX =+=+ = ? 其中 G 为 n l G 阵。l为 Y 的维数，n 为状态向量的维数。 记为 , ,AGC B

11、 C，其传递矩阵为 1 ( )() G GsC sIAGCB = 第四章 线性定常系统的综合 6 4、动态补偿器、动态补偿器 上述三种反馈基本结构的共同点是，不增加新的状态变量，系统开环与闭环 同维。其次，反馈增益阵都是常矩阵，反馈为线性反馈。在更复杂的情况下，常 常要通过引入一个动态子系统来改善系统性能，这种动态子系统，称为动态补偿 器。它与受控系统的连接方式如图 4.4 所示，其中 a)为串联连接，b)为反馈连 接。 图 4.4 这类系统的典型例子是使用状态观测器的状态反馈系统。 这类系统的维数等 于受控系统与动态补偿器二者维数之和。 采用反馈连接比采用串联连接容易获得 更好的性能。 二、

12、 反馈结构对系统特性的影响二、 反馈结构对系统特性的影响 反馈引入后，系统状态方程的系数矩阵有了变化，对系统的能控性、能观测 性、系统的稳定性、系统的响应等都有影响。本节我们将研究反馈对能控性、能 观性，稳定性的影响及对闭环极点位置的影响。 1对能控性与能观测性的影响 1对能控性与能观测性的影响 对此，有如下两个结论。 结论 1 结论 1 状态反馈的引入，不改变系统的能控性，但可能改变系统的能观测性。 也就是说，状态反馈保持了系统的能控性，即闭环系统, ,ABK B C状态 完全能控的充分必要条件是受控系统, ,A B C状态完全能控；状态反馈不一定保 第四章 线性定常系统的综合 7 持系统的

13、能观性， 即闭环系统, ,ABK B C状态完全观性与受控系统, ,A B C状 态完全能观性不一定一致。 证： 证： 设原受控系统 0 的动态方程为 = += CXY BUAXX ? 将 0 系统的控制量 U 取为状态变量 X 的线性函数 UVKX=，则状态反 馈后的系统 K 的动态方程为 ()XABK XBV YCX =+ = ? 首先证明：状态反馈系统 K 为能控的充分必要条件是受控系统 0 为能 控。 第四章 线性定常系统的综合 8 再来证明状态反馈系统不定能保持能观测性。对此只需举反例说明，设 0 为能观的，但 K 不一定为能观测的。如考察系统： 结论 2结论 2 输出反馈的引入能同

14、时不改变系统的能控性和能观性，即输出反馈系统 K 为能控(能观测)的充分必要条件是受控系统 0 为能控(能观)。 证证 首先，由于对任一输出反馈系统都可找到一个等价的状态反馈系统 K=FC， 第四章 线性定常系统的综合 9 而巴知状态反馈可保持能控性，从而证明输出反馈的引入不改变系统的能控性。 其次，表示 0 和 K 的能观测判别阵分别为 1 o n C CA Q CA = ? 和 1 () () oF n C C ABFC Q C ABFC = ? 2稳定性与镇定 2稳定性与镇定 状态反馈和输出反馈都能影响系统的稳定性。加入反馈，使得通过反馈构成 的闭环系统成为稳定系统就称为镇定。鉴于状态反

15、馈的优越性，这里只讨论状 态反馈的镇定向题。对于线性定常受控系统 第四章 线性定常系统的综合 10 是渐近稳定的，也即其特征值均具有负实部，则称系统实现了状态反馈镇定。在 镇定向题中， 综合的目标不是要使闭环系统的极点严格地配置到任意指定的一组 位置上，而是使其配置于复数平面的左半开平面上，因此这类问题属于极点区域 配置问题，是指定极点配置的一类特殊情况。利用这一点，可以很容易导出镇定 向题的相应结论。 依据极点配置的基本定理可知，如果系统,A B为能控，则必存在状态反馈 增益短阵 K，使得(ABK)的全部特征值配置到任意指定的一组位置上。当然， 这也包含了使(ABK)的 Re0,1,2, i in=? 因此，,A B为能控是系统可由状态反馈实现镇定的充分条件。状态反蚀镇 定的充分必要条件则由下述结论给出。 结论结论 线性定常系统是由状态反馈可镇定的， 当且仅当其不能控部分是渐近稳定 的。 证明证明 由,A B为不完全能控，则必可对其引入线性非奇异变换而进行结构分 解： 第四章 线性定常系统的综合 11 3极点配置问题 3极点配置问题 当反馈形式确定之后， 极点配置问题就是依据希望的指定极点位置来计算反 馈增益矩阵的问题。 对于状态反馈而言，单输入系统的反馈增益阵 K 是唯一的，而多输入系统的 反演增益阵 K 不唯一。 m n K 阵，m 为 U 的维数，n 为状态向量的维数