线性控制系统理论精品文稿.ppt

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1、线性控制系统理论第1页，本讲稿共49页2 2线性系统的状态空间描述状态和状态空间 系统动态过程的两类数学描述系统动态过程的两类数学描述系统动态过程的两类数学描述系统动态过程的两类数学描述 状态和状态空间的定义状态和状态空间的定义状态和状态空间的定义状态和状态空间的定义(*)(*)连续变量动态系统按状态空间描述的分类 线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统线性系统和非线性系统 时变系统和时不变系统时变系统和时不变系统时变系统和时不变系统时变系统和时不变系统 连续时间系统和离散时间系统连续时间系统和离散时间系统连续时间系统和离散时间系统连续时间系统和离散时间系统 确定性系统和

2、不确定性系统确定性系统和不确定性系统确定性系统和不确定性系统确定性系统和不确定性系统由系统输入输出描述导出状态空间描述 由输入输出描述导出状态空间描述（由输入输出描述导出状态空间描述（由输入输出描述导出状态空间描述（由输入输出描述导出状态空间描述（*)由方块图描述导出状态空间描述由方块图描述导出状态空间描述由方块图描述导出状态空间描述由方块图描述导出状态空间描述(*)(*)第2页，本讲稿共49页 线性时不变系统的特征结构线性时不变系统的特征结构特征多项式特征多项式特征多项式特征多项式(*)(*)特征值特征值特征值特征值(*)(*)特征向量和广义特征向量特征向量和广义特征向量特征向量和广义特征向

3、量特征向量和广义特征向量 状态方程的约当规范形状态方程的约当规范形特征值为两两相异的情形特征值为两两相异的情形特征值为两两相异的情形特征值为两两相异的情形(*)(*)由状态空间描述导出传递函数矩阵由状态空间描述导出传递函数矩阵传递函数矩阵传递函数矩阵传递函数矩阵传递函数矩阵 G(s)G(s)基于基于基于基于(A,B,C,D)(A,B,C,D)的表达式的表达式的表达式的表达式(*)(*)第3页，本讲稿共49页 线性系统在坐标变换下的特性线性系统在坐标变换下的特性坐标变换的几何含义和代数表征坐标变换的几何含义和代数表征坐标变换的几何含义和代数表征坐标变换的几何含义和代数表征线性时不变系统在坐标变换

4、下的特性线性时不变系统在坐标变换下的特性线性时不变系统在坐标变换下的特性线性时不变系统在坐标变换下的特性(*)(*)线性时变系统在坐标变换下的特性线性时变系统在坐标变换下的特性线性时变系统在坐标变换下的特性线性时变系统在坐标变换下的特性 组合系统的状态空间描述和传递函数矩阵组合系统的状态空间描述和传递函数矩阵(*)子系统的并联子系统的并联子系统的并联子系统的并联子系统的串联子系统的串联子系统的串联子系统的串联子系统的反馈联接子系统的反馈联接子系统的反馈联接子系统的反馈联接第4页，本讲稿共49页5 5线性系统的运动分析 连续时间线性时不变系统的运动分析连续时间线性时不变系统的状态转移矩阵(*)(

5、*)定义定义定义定义和系统矩阵和系统矩阵和系统矩阵和系统矩阵A A的关系的关系的关系的关系和基本解阵的关系和基本解阵的关系和基本解阵的关系和基本解阵的关系状态转移矩阵的性质状态转移矩阵的性质状态转移矩阵的性质状态转移矩阵的性质连续时间线性时不变系统的脉冲响应矩阵第5页，本讲稿共49页6 6连续时间线性时变系统的运动分析状态转移矩阵状态转移矩阵(性质性质性质性质)(*)(*)系统的状态响应系统的状态响应(*)(*)脉冲响应矩阵脉冲响应矩阵连续时间线性系统的时间离散化问题的提出问题的提出基本约定基本约定基本结论基本结论离散时间线性系统的运动分析迭代法求解状态响应迭代法求解状态响应状态响应的解析关系

6、式状态响应的解析关系式脉冲传递函数矩阵脉冲传递函数矩阵第6页，本讲稿共49页7 7线性系统的能控性能观性 能控性和能观测性的定义能控性和能观测性的定义(*)(*)对能控性和能观测性的直观讨论对能控性和能观测性的直观讨论能控性的定义能控性的定义能观测性的定义能观测性的定义 连续时间线性时不变系统的能控性判据连续时间线性时不变系统的能控性判据格拉姆矩阵判据格拉姆矩阵判据(*)(*)秩判据秩判据(*)(*)PBH判判约当规范性判据约当规范性判据能控性指数能控性指数 连续时间线性时不变系统的能观测性判据连续时间线性时不变系统的能观测性判据格拉姆矩阵判据格拉姆矩阵判据(*)(*)秩判据秩判据(*)(*)

7、PBH判判 第7页，本讲稿共49页8 8约当规范性判据约当规范性判据能观测性指数能观测性指数连续时间线性时变系统的能控性和能观测性判据连续时间线性时变系统的能控性和能观测性判据能控性判据能控性判据(*)(*)能观测性判据能观测性判据(*)(*)离散时间线性系统的能控性和能观测性判据离散时间线性系统的能控性和能观测性判据时变系统的能控性和能达性判据时变系统的能控性和能达性判据时不变系统的能控性和能达性判据时不变系统的能控性和能达性判据时变系统的能观测性判据时变系统的能观测性判据时不变系统的能观测性判据时不变系统的能观测性判据第8页，本讲稿共49页9 9离散时间线性系统的能控性和能观测性判据离散时

8、间线性系统的能控性和能观测性判据时变系统的能控性和能达性判据时变系统的能控性和能达性判据时不变系统的能控性和能达性判据时不变系统的能控性和能达性判据时变系统的能观测性判据时变系统的能观测性判据时不变系统的能观测性判据时不变系统的能观测性判据对偶性对偶系统对偶系统对偶性原理对偶性原理离散化线性系统保持能控性和能观测性的条件问题的提法问题的提法能控性和能观测性保持条件能控性和能观测性保持条件第9页，本讲稿共49页能控规范形和能观测规范形：单输入单输能控规范形和能观测规范形：单输入单输出情形出情形能控性能观测性在线性非奇异变换下的属性能控性能观测性在线性非奇异变换下的属性能控规范形能控规范形能观测规

9、范形能观测规范形第10页，本讲稿共49页1111系统运动的稳定性外部稳定性和内部稳定性(*)(*)外部稳定性外部稳定性内部稳定性内部稳定性内部稳定性和外部稳定性的关系内部稳定性和外部稳定性的关系李亚普诺夫意义下运动稳定性的一些基本概念李亚普诺夫第一方法和第二方法李亚普诺夫第一方法和第二方法自治系统自治系统.平衡状态和受扰运动平衡状态和受扰运动李亚普诺夫意义下的稳定李亚普诺夫意义下的稳定渐近稳定渐近稳定不稳定不稳定李亚普诺夫第二方法的主要定理(*)(*)大范围渐近稳定的判别定理大范围渐近稳定的判别定理小范围渐近稳定的判别定理小范围渐近稳定的判别定理李亚普诺夫意义下稳定的判别定理李亚普诺夫意义下稳

10、定的判别定理不稳定的判别定理不稳定的判别定理第11页，本讲稿共49页构造李亚普诺夫函数的规则化方法连续时间线性系统的状态运动稳定性判据(*)线性时不变系统的稳定判据线性时不变系统的稳定判据线性时变系统的稳定判据线性时变系统的稳定判据离散时间系统状态运动的稳定性及其判据离散时间非线性时不变系统的李亚普诺夫主稳离散时间非线性时不变系统的李亚普诺夫主稳定性定理定性定理离散时间线性时不变系统的稳定判据离散时间线性时不变系统的稳定判据第12页，本讲稿共49页1313线性反馈系统的时间域综合引言综合问题的提法综合问题的提法(*)(*)性能指标的类型性能指标的类型研究综合问题的思路研究综合问题的思路(*)(

11、*)工程实现中的一些理论问题工程实现中的一些理论问题状态反馈和输出反馈状态反馈状态反馈(*)(*)输出反馈输出反馈状态反馈和输出反馈的比较状态反馈和输出反馈的比较(*)(*)状态反馈极点配置：单输人情形(*)(*)问题的提法问题的提法期望闭环极点组期望闭环极点组极点配置定理极点配置定理极点配置算法极点配置算法(*)(*)第13页，本讲稿共49页1414全维状态观测器状态重构和状态观测器状态重构和状态观测器降维状态观测器降维状态观测器的基本特性降维状态观测器的基本特性降维状态观测器：综合方案降维状态观测器：综合方案I基于观测器的状态反馈控制系统的特性基于观测器的状态反馈系统的构成基于观测器的状态

12、反馈系统的构成基于观测器的状态反馈系统的特性基于观测器的状态反馈系统的特性综合举例综合举例第14页，本讲稿共49页习题第15页，本讲稿共49页1616例 设 求（A，B，C，D）解：选 第16页，本讲稿共49页1717 则：第17页，本讲稿共49页1818 状态空间表达式为第18页，本讲稿共49页1919第19页，本讲稿共49页2020第20页，本讲稿共49页2121第21页，本讲稿共49页2222第22页，本讲稿共49页2323第23页，本讲稿共49页2424第24页，本讲稿共49页2525第25页，本讲稿共49页试确定当与为何值时下列系统不能控，为何值时不能观测 第26页，本讲稿共49页解

13、解 系统的能控性矩阵为其行列式为根据判定能控性的定理，若系统能控，则系统能控性矩阵的秩为2，亦即，可知 或系统能观测性矩阵为第27页，本讲稿共49页其行列式为根据判定能观性的定理，若系统能观，则系统能观性矩阵的秩为2亦即 可知 或 第28页，本讲稿共49页例：已知控制系统如图所示 1)写出以，为状态变量的系统状态方程与输出方程。2)试判断系统的能控性和能观性。若不满足系统的能控性和能观性条件，问当与取何值时，系统能控或能观。第29页，本讲稿共49页由图知第30页，本讲稿共49页第31页，本讲稿共49页设线性离散时间系统为 试求在平衡状态系统渐近稳定的值范围 第32页，本讲稿共49页第33页，本

14、讲稿共49页第34页，本讲稿共49页第35页，本讲稿共49页3636第36页，本讲稿共49页3737第37页，本讲稿共49页3838第38页，本讲稿共49页3939第39页，本讲稿共49页4040第40页，本讲稿共49页4141第41页，本讲稿共49页4242第42页，本讲稿共49页4343第43页，本讲稿共49页4444第44页，本讲稿共49页4545状态反馈极点配置：单输人情形极点配置算法之极点配置算法之状态反馈阵算法状态反馈阵算法第45页，本讲稿共49页4646状态反馈极点配置：单输人情形极点配置算法之极点配置算法之状态反馈阵算法状态反馈阵算法第46页，本讲稿共49页4747状态反馈极点配置：单输人情形算法61 状态反馈阵算法 第47页，本讲稿共49页4848第48页，本讲稿共49页4949第49页，本讲稿共49页