现代控制理论状态反馈与状态观测器.pptx

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1、 为利用状态变量进行反馈必须测量状态变量，但不是所有状态变量在物理上都能测量，于是进一步提出用状态观测器给出状态估值的问题。因此，极点配置与状态观测器设计是设计系统的主要内容，它们以能控性、能观测性为条件，能构应用在许多复杂的控制系统，如导弹的大迎角控制。导弹大迎角控制第1页/共61页第一节 状态反馈与极点配置 (5-1)一、状态反馈系统的动态方程以单输入-多输出受控对象动态方程为例：第2页/共61页状态反馈系统动态方程为：(5-3)(5-4)将对象状态向量通过待设计的参数矩阵即状态反馈行矩阵，负反馈至系统的参考输入，于是存在(5-2)第3页/共61页式中v为纯量，为 维向量，为 维矩阵，为

2、维向量，为 维行矩阵，为 维向量，为 维矩阵。为闭环状态阵，为闭环特征多项式。二、用状态反馈使闭环极点配置在任意位置上的充要条件是：受控对象能控 证明：若式(5-1)所示对象可控，定可通过变换化为能控标准形，有 第4页/共61页若在变换后的状态空间内引 维状态反馈矩阵 ：其中 分别为由状态变量 引出的反馈系数，则变换后的状态反馈系统动态方程为 ：(5-5)(5-6)(5-7)式中：第5页/共61页该式与仍为能控标准形，故引入状态反馈后，系统能控性不变。特征方程为：显见，任意选择 阵的 个元素 ，可使特征方程的个系数满足规定要求，能保证特征值（即闭环极点）任意配置。(5-9)第6页/共61页将逆

3、变换 代入式(5-6)，可求出原状态空间内的状态反馈系统状态方程：与式(5-3)相比，式(5-10)所示对象应引入状态反馈阵 为：需指出，当受控对象可控时，若不具有能控标准形形式，并不必象如上证明那样去化为能控标准形，只要直接计算状态反馈系统闭环特征多项式 ，这时，其系数为的函数，与给定极点的特征多项式系数相比较，便可确定 。(5-10)(5-11)第7页/共61页 能控的多输入-多输出系统，经如上类似分析可知，实现闭环极点任意配置的状态反馈阵K为 维。若受控对象不稳定，只要有能控性，完全可由状态反馈配置极点使系统稳定。状态变量受控情况下，引入状态反馈表示增加一条反馈通路，它能改变反馈所包围环

4、节的传递特性，即通过改变局部回路的极点来改变闭环极点配置。不能控状态变量与控制量无关，即使引入状态反馈，对闭环极点位置也不会产生任何影响，这是因为传递函数只与系统能控、能观测部分有关的缘故。若不能控状态变量是稳定的状态变量，那么系统还是能稳定的，否则，系统不稳定。第8页/共61页 经典控制理论中用调节开环增益或串、并联校正装置配置极点时，其可调参数有限，而状态反馈的待选参数多了，能使系统性能改善得更好，不过实现状态反馈也是相当复杂的，尤其在系统阶次较高时，测量全部状态变量是需要克服的障碍。三、状态反馈系统的其它特性三、状态反馈系统的其它特性 单输入-多输出或单输出系统，引入状态反馈后，系统闭环

5、零点没有改变，但该性质不适用于多输入-多输出系统。如式(5-1)所示对象经 变换后传递矩阵 为：第9页/共61页(5-12)第10页/共61页而引入状态反馈阵 后的传递函数阵 为：（5-13）第11页/共61页 显见式（5-12）与式(5-13)的分子部分相同。要注意到，闭环零点对系统动态性能影响很大，在规定待配置的极点时，必须充分考虑零点的影响。状态反馈不一定能保持受控对象原有的能观测性。不难想象，当任意配置极点导致零、极点相消时，可将原有的能观测性变为不能观测的；也有能能使原有的不能观测性变为能观测的。若受控对象不含零点，状态反馈自然能保持原有能观测性。选择状态反馈阵元素时，要防止数值过大

6、，以免对动态性能产生不良影响及物理实现不易。配置极点时也并非离虚轴愈远愈好，以免造成频带过宽使抗干扰性降低。第12页/共61页例5-1设受控对象传递函数为：试用状态反馈使闭环极点配置在 。第13页/共61页解：传递函数无零、极点对消，故可控。写出能控标准形实现状态反馈阵 第14页/共61页状态反馈系统特征方程：根据两特征方程同次项系数相等的条件，可求出由 引出的反馈系数为：故 第15页/共61页例5-2试研究下列受控对象采用状态反馈使闭环极点仅次于位于 的可能性。第16页/共61页解：传递函数存在零、极点对消，若通过选状态变量使系统能控（但不能观测），可以配置极点，计算方法同例5-1（略）。若

7、使系统不可控（但可观测），则不能采用状态反馈配置极点，验证如下。将受控对象写成不可控但可观测的实现。第17页/共61页状态反馈系统闭环状态阵：闭环特征多项式为：第18页/共61页给定闭环极点的闭环特征多项式为：经比较同次项系数给出：与矛盾，故无解，表示不可控系统不能采用状态反馈实现极点配置。第19页/共61页第二节 输出反馈与极点配置分两种情况讨论如下：一、输出至状态微分的反馈一、输出至状态微分的反馈 以多输入-单输出受控对象为例，结构图见图5-3。反馈系统动态方程为：将式(5-15)代入式(5-14)有：(5-14)(5-16)(5-15)第20页/共61页式中 为 维向量，为 维向量，为纯

8、量，有相应维数，输出反馈 阵任意为 维列矩阵。用输出至状态微分的反馈阵 任意配置极点的充要条件是：受控对象 ，能观测。第21页/共61页证明：当受控对象能观测时，定可通过变换化为能观测标准形，有：若在变换后的状态空间内引入输出反馈阵 ：第22页/共61页则反馈系统状态方程为：(5-17)(5-18)式中第23页/共61页该式与 仍为能观测标准形，故引入输出至状态微分的反馈后，系统能观测性不变。特征方程为：由于的元素可任意选择，故特征值可任意配置。当系统中存在不能观测状态变量时，对这些变量不能用输出反馈改变其极点位置，但只要这些变量是稳定的，系统是能稳定的。(5-19)第24页/共61页二、输出

9、至输入的反馈二、输出至输入的反馈以多输入-单输出受控对象为例，结构图见图5-4。反馈系统动态方程为：将式(5-22)代入式(5-21)有：(5-21)(5-23)(5-22)第25页/共61页式 中为 维向量，为 维矩阵。该式与状态反馈系统动态方程(5-3)相比，若 把年看作某特殊的状态反馈阵 ，便可按状态反馈情况一样处理；但同结构图变换可知，比例状态反馈变换为输出反馈时，输出反馈中必含有各阶微分项 阵不是常数矩阵，这在实现时会带来技术上的困难。由此推知，阵是常数矩阵时，便不能任意配置极点，且因此使其应用受到限制。输出至输入的反馈不会改变受对象的能控性和能观测性。第26页/共61页第三节 状态

10、观测器 当确定受控对象是可控的，利用状态反馈配置极点时，需用传感器测量出状态变量以便形成反馈，但传感器通常用来测量输出，许多中间状态变量不易测得，于是提出利用输出量和输入量通过状态观测器（又称状态估计器、重构器）来重构状态的问题。一、状态观测器构成方案一、状态观测器构成方案设受控对象动态方程为：第27页/共61页式中 分别为模拟系统的状态向量估值和输出向量。只要模拟系统与受控对象的初始状态向量相同，在同一输入量 作用下，便有 ，可用 作为状态反馈需用的状态信息。但是，受控对象的初始状态可能不相同，模拟系统中积分器初始条件的设置只能预估，因而两个系统的初始状态总有差异，即使两个的 阵完全一样，也

11、必存在估计状态与受控对象实际状态的误差 ，难以实现所需的状态反馈。可建造一个与受控对象动态方程相同的模拟系统：(5-24)第28页/共61页但是 ，的存在必导致负反馈给状态微分处，使 负反馈给微分处，使尽快逼近于零，从而使尽快逼近于零，便可利用 来形成状态反馈了。按以上原理，构成如图5-5所示的状态观测器及其实现状态反馈的结构图。由图可见，状态观测器的输入包含 和 ，输出为 ；为观测器输出反馈阵，它把负反馈至观测器状态微分入，是为配置观测器极点，提高其动态性能即尽快使逼近于零而引入的。第29页/共61页二、状态观测器分析设计二、状态观测器分析设计可列出观测器动态方程：(5-25)第30页/共6

12、1页关键在于分析能否在任何初始条件下，其 尽管不同，但总能满足满足式(5-26)时，状态反馈系统才能正常工作，式（5-25）所示系统才能作为实际的状态观测器，故称式(5-26)为观测器存在条件。为此，我们来研究状态向量误差所应遵循的关系，有(5-26)(5-27)第31页/共61页显见，当 时，自然满足，所引入的反馈并不起作用；当 时，于是 ，输出反馈起作用了，这时只要的特征值具有负实部，不论初始状态向量误差如何，总会按指数衰减规律满足式(5-26)，衰减速度取决于 的特征值配置。(5-28)其解为：由上一节关于输出至状态微分的反馈原理已经证明，若受控对象能观测，则输出反馈系统的极点可任意配置

13、，因此，观测器存在条件及适当的 逼近 的速度，均归结为受控对象应具有能观测性，故观测器能估计状态的充要条件是受控对象能观测。第32页/共61页 对于受控对象中具有不能观测的状态变量时，要求它们是稳定的，则观测器是能稳定的。以上分析可见，观测器与受控对象具有相同维数，在复杂程度上相当。观测器由计算机来实现。关于 阵的选取可用上一节极点配置法进行，应注意的是，只可能使 逼近 的速度尽可能快些，要防止系数选取过大带来的实现困难、饱和效应、噪声加剧等不良影响，通常希望观测器响应速度比状态反馈系统响应速度要快一些。第33页/共61页例5-3已知受控对象传递函数试设计状态观测器，将极点配置在-10、-10

14、。第34页/共61页解：传递函数无零、极点对消，故能观测。若写出能控形实现，则有观测器系统矩阵：观测器特征方程：第35页/共61页给定极点对应特征方程：令两特征方程同次项系数相等得：分别为由引至 的反馈系数。第36页/共61页第四节 分 离 特 性 用观测器提供状态信息的反馈系统包括观测器、状态反馈系统两个子系统，各 为维，是2 维复合系统。当利用估计状态 代替真实状态 设计状态反馈阵时，是否会改变原状态反馈系统的极点配置？状态反馈部分是否会改变观测器的极点配置，从而影响观测器输出误差也即 的衰减性能？对此需进行分析。整个系统结构图已示于图5-5。第37页/共61页状态反馈部分动态方程：(5-

15、29)观测器部分动态方程：(5-31)(5-30)第38页/共61页将式(5-29)、式(5-31)写成分块矩阵形式：(5-32)(5-33)为便于分析，将式(5-29)减式(5-31)得：(5-34)第39页/共61页该式与 无关，看出是不可控的。将式(5-29)匹配 项后可整理为：(5-35)把式(5-35)、式(5-34)写成分块矩阵形式：(5-36)(5-37)显见由状态变量变换为，是进行了如下变换：第40页/共61页(5-38)根据式(5-36)、式(5-37)来推导复合系统传递矩阵 。我们已知线性变换是不会改变系统传递特性的，于是有：利用分块矩阵求逆公式 第41页/共61页故：该式

16、表示出复合系统传递矩阵与状态反馈部分传递矩阵完全相同，与观测器部分无关，用观测器给出的估计状态 作为状态反馈，没有影响状态反馈部分的输入-输出特性，观测器极点在复合系统传递矩阵中没有反映。第42页/共61页2n维系统导出n维系统传递矩阵，该事实说明这是由于观测器中()的不可控造成的，该误差不受控制，总要衰减至零。(5-40)该式表明复合系统特征值由状态反馈部分和观测器部分特征值组合而成，且两部分特征值相互独立，彼此并未受到影响。对状态反馈来说，采用 或 作状态反馈是一样的。再来分析复合系统的特征值。已知线性变换并不会改变系统特征值。由式(5-36)可得特征方程：第43页/共61页第五节 降维观

17、测器 能给受控对象n个状态变量估值的观测器称全维观测器，但对于q维输出系统，有q个输出变量可直接由传感器测得，若选取该q个输出变量作为状态变量，它们便无需由观测器作出估计，观测器只需估计(n-q)个状态变量，称降维观测器，它是(n-q)维子系统，其结构比较简单，工程实现比较方便。为此，需由受控对象动态方程导出(n-q)维子系统动态方程。第44页/共61页一、建立维子系统动态方程 设能观测受控对象动态方程为：，式中u为维，y为维。要求将状态变量 变换成 以后，分解为 和 两部分，其中 为(n-q)维子系统即待由观测器估计的状态变量，为q维直接同输出y测得的状态变量。以上分解过程表示存在如下线性变

18、换：，式中：为维矩阵，为维矩阵。是 使非奇异的任意矩阵。第45页/共61页 将受控对象动态方程变换为：(5-41)式中(5-42)第46页/共61页可验证 故 第47页/共61页变换目的是把 分离出来，它由输出量传感器测得，为已知量，于是 也分离出来。形如 的输出矩阵正满足了这一要求。因此由可确定 。原系统变换为：(5-43)第48页/共61页(5-44)展开式(5-43)并考虑式(5-44)有：令(5-47)其中 可直接测得，故 为已知输入量；令(5-48)(5-45)(5-46)其中 可直接测得，故 为已知输入量；令(5-48)(5-45)(5-46)第49页/共61页为可测得的输出量。于

19、是有：(5-49)(5-50)式(5-49)、式(5-50)是(n-q)维受控对象的维子系统动态方程，其状态向量 为(n-q)维向量，其输出也表为 ；分别为其输入向量、输出向量；分别为其状态阵和输出阵。由于受控对象能观测，其中部分状态变量自然是能观测的，故式(5-49)、式(5-50)仍具有能控观测性。第50页/共61页 为能观测对，按全维观测器的方法构造与式(5-49)、式(5-50)相对应的模拟系统，使观测器输出 与维子系统输出 之差，通过反馈矩阵 负反馈至估计状态微分 处，借以任意配置降维观测器的极点，使尽快接近，从而使 尽快接近 。降维观测器实现反馈的结构图见图3-7，图中 为子系统状

20、态反馈阵。二、维观测器的构成及分析设计第51页/共61页降维观测器动态方程(5-51)(5-52)将式(5-52）代入式(5-51)，并考虑式(5-47)、式(5-48)有：(5-53)式中 为降维观测器系统矩阵。第52页/共61页降维观测器极点由下列特征方程决定：(5-54)(5-55)则(5-56)由于式(5-53)含有导数项 ，需获得输出量 的导数信号，将影响估计状态 的唯一性，应另选状态变量以使状态方程中不含 ，为此设式中 均为维向量，为 维矩阵，为q维向量。考虑式(5-53)有：第53页/共61页则状态方程变换为：(5-57)(5-58)此时可不利用 而实现降维观测器。第54页/共6

21、1页 整个系统状态向量的估值 由两部分组成：及 。其中，由输出直接测得，含q个状态变量；由维观测器估计给出，含 个状态向量，存在：(5-59)式中分别为阶、阶单位矩阵，为 维零矩阵。估计误差向量应满足的微分方程可由式(5-45)减去式(5-53得到：第55页/共61页考虑式(5-48)、式(5-50)，化简为：(5-60)该式为齐次式，只要适当选择 ，可任意配置降维观测器极点，使 有满意的衰减速度，尽快使状态估值 逼近 。第56页/共61页于是，有q维输出的n阶系统、经线性变换化为式(5-43)、式(5-44)，进而变换为式(5-57)、式(5-58)便可构成实用的 维观测器，称龙伯格观测器，

22、以实现对 维状态变量的估值。维矩阵可用以实现任意极点配置，确保 具有满意的衰减速度。龙伯格观测器结构图见图5-8。第57页/共61页例5-4 设受控对象传递函数，试设计降维观测器，使其极点配置在-10。解：受控对象能观测。写出能观测形实现：状态变量 可由输出 测得，待由降维（一维）观测器估计。第58页/共61页该动态方程已具有式(5-43)、式(5-44)所示典型形式，且对应有：代入降维观测器方程(5-57)、式(5-44)有：由于 为已知量，故观测极点位于 。按极点配置要求，。第59页/共61页故有：一维观测器结构图见图5-9。由测得的输出 （即 ）与一维观测器给出的状态估值 ，便可实现给定对象的状态反馈。第60页/共61页感谢您的观看！第61页/共61页