线性系统理论LQR.ppt

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1、线性系统理论线性系统理论2008-2009学年学年黄景涛黄景涛Email:Lab:10-825线性二次型最优控制线性二次型最优控制LQLQn优化型综合问题优化型综合问题n性能指标：以给定的性能指标函数极大或极小作为性能指标：以给定的性能指标函数极大或极小作为系统综合的目标系统综合的目标n线性二次型最优控制线性二次型最优控制有限时间情形无限时间情形线性二次型最优控制线性二次型最优控制LQLQnLQ(Linear Quadratic)问题问题LQ问题的提法：问题的提法：性能指标性能指标其中，寻找寻找使得使得线性二次型最优控制线性二次型最优控制LQLQn性能指标函数的属性：性能指标函数的属性：数学上

2、，是控制量u的泛函；物理上，能量=运动能量+控制能量n加权阵的选取：加权阵的选取：S、R、Q根据经验选取;不同的加权阵性能指标虽都能达到最优,但对应的最优调节系统动态性能不同.n容许控制的特点：容许控制的特点：满足状态方程解存在唯一性条件的所有类型的控制通常认为n最优控制和最优轨线最优控制和最优轨线最优控制最优轨线最优性能线性二次型最优控制线性二次型最优控制LQLQn极值化的类型极值化的类型基于性能指标函数的广义能量物理意义，采用最小化形式实际工程中，根据需要，可采用最大化或最小化n最优控制问题的数学实质最优控制问题的数学实质性能指标泛函的约束最优化(极值问题)数学上多采用变分法n最优控制问题

3、按末时刻的分类最优控制问题按末时刻的分类有限时间LQR：只考虑系统在过渡过程中的最优运行无限时间LQR：还要考虑系统趋于平衡状态时的渐近行为；更实用n调节问题和跟踪问题调节问题和跟踪问题最优调节问题:寻找使性能指标泛函最优的控制量u,使系统由初始状态驱动到零平衡态最优跟踪问题:寻找使性能指标泛函最优的控制量u,使系统输出跟踪参考输入.最优跟踪是最优调节的推广,可转化为等价的调节问题.有限时间有限时间LQ问题的最优解问题的最优解有限时间时变有限时间时变LQ问题最优解问题最优解 对有限时变LQ调节问题，设末时刻为固定，组成对应矩阵Riccati微分方程：解阵P(t)为正半定对称阵。则 为最优控制的

4、充分必要条件是具有形式：最优轨线最优性能值有限时间时变有限时间时变LQ问题的基本属性问题的基本属性n最优控制的唯一性最优控制的唯一性最优控制必存在且唯一,即n最优控制的状态反馈属性最优控制的状态反馈属性最优控制具有状态反馈形式n最优调节系统的状态空间描述最优调节系统的状态空间描述线性二次型最优控制线性二次型最优控制无限时间情形无限时间情形附加限定条件：附加限定条件：1.受控系统为线性时不变系统；2.调节问题平衡状态为 和最优控制系统前提为渐近稳定所决定，与末状态无关；3.受控系统完全能控，加权阵R对称正定，Q正定对称4.或Q半正定对称且 完全能观测。线性二次型最优控制线性二次型最优控制无限时间

5、情形无限时间情形n矩阵矩阵Riccati方程解的特性方程解的特性解阵P(t)的基本属性Riccati方程有唯一对称正定解阵方程有唯一对称正定解阵P线性二次型最优控制线性二次型最优控制无限时间情形无限时间情形无限时间无限时间LQ问题最优解问题最优解 对无限时间时不变LQ调节问题，组成对应矩阵Riccati微分方程：解阵P(t)为正定对称阵。则 为最优控制的充分必要条件是具有形式：最优轨线最优性能值最优控制的状态反馈属性：最优控制的状态空间描述：稳定性和指数稳定性稳定性和指数稳定性最优条件系统的最优条件系统的渐近稳定性无限时间时不变LQ条件问题，其最优调节系统必为大范围渐近稳定最优调节系统的最优调

6、节系统的指数稳定性稳定性和指数稳定性稳定性和指数稳定性最优条件系统指数稳定性最优条件系统指数稳定性 对指定指数衰减度的无限时间时不变LQ调节问题，组成相应的Riccati代数方程：解阵P(t)为正定对称阵。取最优控制为：最优调节系统为则最优调节系统以 为衰减上限指数稳定，即最优调节系统的频率域条件最优调节系统的频率域条件多输入最优调节系统的频率域条件最优调节系统频率域条件最优调节系统频率域条件 对多输入无限时间时不变LQ调节问题，最优调节系统其中，等号只对有限个 成立。单输入最优调节系统的频率域条件单输入最优调节系统的频率域条件最优调节系统频率域条件最优调节系统频率域条件 对单输入无限时间时不

7、变LQ调节问题，最优调节系统满足如下频率域条件：满足如下频率域条件：其中，等号只对有限个 成立。最优调节系统的频率域条件最优调节系统的频率域条件n最优调节系统频率域条件的几何解释最优调节系统频率域条件的几何解释对单输入无限时间时不变LQ调节问题，最优调节系统的频率域条件在几何上表示为，开环频率响应 在复平面上由 变化到 的曲线必不进入单位圆内，且 曲线和单位圆 只有有限个切点。最优调节系统的鲁棒性最优调节系统的鲁棒性n鲁棒性是控制系统正常运行的必备条件鲁棒性是控制系统正常运行的必备条件n指系统参数产生摄动时，闭环调节系统仍能保指系统参数产生摄动时，闭环调节系统仍能保持渐近稳定或综合性能的一种属

8、性持渐近稳定或综合性能的一种属性n稳定性鲁棒性的指标有相角裕度与增益裕度、稳定性鲁棒性的指标有相角裕度与增益裕度、对非线性的容限等。对非线性的容限等。相角裕度与增益裕度相角裕度与增益裕度相角裕度假设一个闭环系统是稳定的，如果加在系统的相角滞后量小于角，系统仍是稳定的，而当大于角时就变为不稳定了。即相位裕度是使系统达到不稳定的边缘所需要的额外的相位滞后量。相角裕度与增益裕度相角裕度与增益裕度相角裕度和增益裕度相角裕度和增益裕度 对单输入无限时间时不变LQ调节问题，最优调节系统具有：至少 相角裕度 增益裕度对多输入多输入无限时间时不变LQ调节问题，取相对于控制输入的加权阵：则最优调节系统的每个反馈

9、控制回路具有以上相角和增益裕度。最优调节系统对非线性的容限最优调节系统对非线性的容限n状态反馈矩阵产生非线性摄动的最优调节系统，可等状态反馈矩阵产生非线性摄动的最优调节系统，可等价视为最优调节系统中引入附加非线性环节价视为最优调节系统中引入附加非线性环节最优调节系统对非线性的容限最优调节系统对非线性的容限对非线性的容限 对多输入无限时间时不变对多输入无限时间时不变LQ调节问题，给定反馈通道调节问题，给定反馈通道中包含非线性环节中包含非线性环节 的最优调节系统，则对满足扇形条件的最优调节系统，则对满足扇形条件 的任意的任意 ，扰动最优调节系统可保持大范围渐近稳定。，扰动最优调节系统可保持大范围渐

10、近稳定。扇形条件的几何解释扇形条件的几何解释对单输入无限时间时不变对单输入无限时间时不变LQ调节问题，进入于最优调节系统反馈调节问题，进入于最优调节系统反馈通道中的向量非线性摄动通道中的向量非线性摄动 化为标量非线性摄动化为标量非线性摄动 ，且，且 也为标量，相应地，非线性容限的扇形条件化为：也为标量，相应地，非线性容限的扇形条件化为：其几何表征如下图所示：其几何表征如下图所示：最优跟踪问题最优跟踪问题最优跟踪问题是最优调节问题的推广设系统(A,B,C)完全能控、能观测，系统(F,H)完全能观测；系统(A,B,C)的输出y跟踪系统(F,H)的输出，引入二次型指标：最优跟踪问题就是对受控系统和参

11、考输入模型，有上述性能指标，寻找一个控制 使输出y跟踪参考输入 同时，有：最优跟踪问题最优跟踪问题n等价条件问题及其最优解等价条件问题及其最优解最优跟踪问题最优跟踪问题最优等价调节问题最优解最优等价调节问题最优解 对无限时间时不变LQ调节问题，组成对应矩阵Riccati微分方程：解阵为正定对称阵。则 为最优控制的充分必要条件是具有形式：最优轨线最优性能值最优控制的状态反馈属性：最优控制的状态空间描述：最优跟踪问题最优跟踪问题跟踪问题最优解 对由连续时间线性时不变受控系统和二次型指标组成对由连续时间线性时不变受控系统和二次型指标组成的跟踪问题，将等价最优调节问题的矩阵的跟踪问题，将等价最优调节问

12、题的矩阵Riccati代数方程解阵作分块化代数方程解阵作分块化表示：表示：最优跟踪控制最优跟踪控制最优性能指标最优性能指标小结小结n本章主要内容本章主要内容:按期望的性能指标设计状态反馈控制器按期望的性能指标设计状态反馈控制器n控制系统的实现控制系统的实现:物理构成和实际运行中的问题物理构成和实际运行中的问题n系统综合理论系统综合理论:对相应的性能指标对相应的性能指标,建立状态反馈可综合条件建立状态反馈可综合条件n系统综合方法系统综合方法:确定状态反馈的可行算法确定状态反馈的可行算法n极点配置极点配置(镇定镇定)n动态解耦和静态解耦动态解耦和静态解耦n扰动抑制和渐近跟踪扰动抑制和渐近跟踪n线性二次型最优控制线性二次型最优控制n系统物理实现和运行中的理论问题系统物理实现和运行中的理论问题:状态重构、扰动抑制、鲁棒性状态重构、扰动抑制、鲁棒性n观测器观测器n具有观测器的状态反馈系统具有观测器的状态反馈系统