状态反馈和状态观测器.pptx

《状态反馈和状态观测器.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《状态反馈和状态观测器.pptx（80页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、2023/3/251将系统每一个状态变量乘以相应的反馈系数馈送到输入端与参考输人相加，其和作为受控系统的控制输入。一、状态反馈一、状态反馈一、状态反馈一、状态反馈反馈的两种基本形式：状态反馈（1种）、输出反馈（2种）原受控系统 ：线性反馈规律：第1页/共80页2023/3/252状态反馈闭环系统：反馈增益矩阵：状态反馈闭环传递函数矩阵为：一般D=0，可化简为：状态反馈闭环系统表示：状态反馈系统的特征方程为：第2页/共80页2023/3/253原受控系统 ：二、输出到参考输入的反馈（又称为二、输出到参考输入的反馈（又称为二、输出到参考输入的反馈（又称为二、输出到参考输入的反馈（又称为输出反馈输出

2、反馈输出反馈输出反馈）将系统输出量乘以相应的反馈系数馈送到参考输人，其和作为受控系统的控制输入。（同古典控制，不作过多说明）输出反馈控制规律：输出反馈系统状态空间描述为：第3页/共80页2023/3/254输出反馈增益矩阵：闭环传递函数矩阵为：结论结论3 3：由于反馈引自系统输出，所以输出反馈不影响系统的可观测性。结论结论1 1：当HCK时，输出到参考输入的反馈与状态反馈等价。即对于任意的输出反馈系统，总可以找到一个等价的状态反馈，即KHC。故输出反馈不改变系统的能控性。结论结论2 2：对于状态反馈，从KHC中，给定K值，不一定能够解出H。所以，输出反馈是部分状态反馈，输出信息所包含的不一定是

3、系统的全部状态变量，适合工程应用，性能较状态反馈差。第4页/共80页2023/3/255原受控系统 ：三、输出到状态微分的反馈三、输出到状态微分的反馈三、输出到状态微分的反馈三、输出到状态微分的反馈将系统的输出量乘以相应的负反馈系数，馈送到状态微分处。这种反馈在状态观测器中应用广泛，结构和观测器很相似。输出反馈系统状态空间描述为：第5页/共80页2023/3/256极点配置极点配置：通过反馈增益矩阵K的设计，将加入状态反馈后的闭环系统的极点配置在S平面期望的位置上。四、状态反馈极点配置条件和算法四、状态反馈极点配置条件和算法四、状态反馈极点配置条件和算法四、状态反馈极点配置条件和算法1 1、极

4、点配置算法、极点配置算法(1)判断系统能控性。如果状态完全能控，按下列步骤继续。1 1）直接法求反馈矩阵）直接法求反馈矩阵K K（维数较小时，维数较小时，n 3n 3）定理定理：(极点配置定理)对线性定常系统 进行状态反馈，反馈后的系统其全部极点得到任意配置的充要条件是：状态完全能控。注意：注意：矩阵 的特征值就是所期望的闭环极点。对不能控的状态，状态反馈不能改变其特征值。第6页/共80页2023/3/257(2)求状态反馈后闭环系统的特征多项式：(3)根据给定（或求得）的期望闭环极点，写出期望特征多项式。(4)由 确定反馈矩阵K：解解：（1）先判断该系统的能控性 例例11 考虑线性定常系统其

5、中：试设计状态反馈矩阵K，使闭环系统极点为-2j4和-10。第7页/共80页2023/3/258该系统状态完全能控，通过状态反馈，可任意进行极点配置。（2）计算闭环系统的特征多项式设状态反馈增益矩阵为：（3）计算期望的特征多项式第8页/共80页2023/3/259由 得（4）确定K阵求得：所以状态反馈矩阵K为：例例22 对如下的线性定常系统，讨论状态反馈对系统极点的影响 解解：（1）先判断该系统的能控性由对角线标准型判据可知，特征值为1的状态不能控。(2)假如加入状态反馈阵K，得到反馈后的特征多项式为：第9页/共80页2023/3/2510从中可以看出，对于1的极点，状态反馈不起作用，状态反馈

6、只能通过k2去影响2这个极点。即状态反馈对不能控部分状态，不能任意配置其极点。求 将相等繁琐，所以引入第二能控标准型法。2 2）第二能控标准型法求反馈矩阵（维数较大时，）第二能控标准型法求反馈矩阵（维数较大时，n3n3）1、首先将原系统 化为第二能控标准型2、求出在第二能控标准型的状态 下的状态反馈矩阵3、求出在原系统的状态 下的状态反馈矩阵第10页/共80页2023/3/2511证明：原系统：第二能控标准型：其中：式（1）和式（2）比较，得：第11页/共80页2023/3/2512第二能控标准型：此时的系统不变量和原系统相同。能控标准型下，加入状态反馈后，系统矩阵为：第二能控标准型下，状态反

7、馈后闭环系统特征多项式及第二能控标准型下，状态反馈后闭环系统特征多项式及 第12页/共80页2023/3/2513第二能控标准型下，状态反馈后闭环系统特征多项式为：根据期望闭环极点，写出期望特征多项式：由 ，可以确定第二能控标准型下的反馈矩阵为：第13页/共80页2023/3/2514(1)判断系统能控性。如果状态完全能控，按下列步骤继续。(2)确定将原系统化为第二能控标准型 的变换阵 若给定状态方程已是第二能控标准型，那么 ，无需转换 第二能控标准型法，求反馈增益矩阵第二能控标准型法，求反馈增益矩阵K K的步骤：的步骤：系统不变量：第14页/共80页2023/3/2515(3)根据给定或求得

8、的期望闭环极点，写出期望的特征多项式：(4)直接写出在第二能控标准型下的反馈增益矩阵：(5)求未变换前原系统的状态反馈增益矩阵：还可以由期望闭环传递函数得到：第二能控标准型法，非常适合于计算机matlab求解 期望的闭环极点有时直接给定；有时给定某些性能指标：如超调量 和调整时间 等）第15页/共80页2023/3/2516 例例 用第二能控标准型法，重新求用第二能控标准型法，重新求解前面例解前面例1 1：（2）计算原系统的特征多项式：解解：（1）可知，系统已经是第二能控标准型了，故系统能控，此时变换阵（3）计算期望的特征多项式（4）确定K阵所以状态反馈矩阵K为：第二能控标准型下的状态反馈矩阵

9、为：第16页/共80页2023/3/25173 3）爱克曼公式）爱克曼公式(Ackermann(Ackermann公式法公式法)（维数较大时，（维数较大时，n3n3）为系统期望的特征多项式系数，由下式确定：其中 是A满足其自身的特征方程，为：推导过程：略此方法也非常适合于计算机matlab求解第17页/共80页2023/3/2518 例例 用爱克曼公式，用爱克曼公式，重新求解前面例重新求解前面例1 1：解解：（1）确定系统期望的特征多项式系数：所以：（2）确定第18页/共80页2023/3/2519（3）所以状态反馈矩阵K为：第19页/共80页2023/3/2520例已知线性定常连续系统的状态

10、空间表达式为 设计状态反馈增益矩阵K，使闭环系统的极点为1和2，并画出闭环系统的结构图。解：先判断系统的能控性。系统状态完全能控，可以通过状态反馈任意配置其极点。令第20页/共80页2023/3/2521则状态反馈闭环系统的特征多项式为 期望的特征多项式为 由，求得 状态反馈闭环系统的结构图如下：第21页/共80页2023/3/2522期望极点选取的原则：1）n维控制系统有n个期望极点；2）期望极点是物理上可实现的，为实数或共轭复数对；3）期望极点的位置的选取，需考虑它们对系统品质的影响（离虚轴的位置），及与零点分布状况的关系。4）离虚轴距离较近的主导极点收敛慢，对系统性能影响最大，远极点收敛

11、快，对系统只有极小的影响。2 2 2 2、闭环系统期望极点的选取、闭环系统期望极点的选取、闭环系统期望极点的选取、闭环系统期望极点的选取第22页/共80页2023/3/2523五、状态反馈闭环系统的能控性和能观测性五、状态反馈闭环系统的能控性和能观测性五、状态反馈闭环系统的能控性和能观测性五、状态反馈闭环系统的能控性和能观测性定理定理：如果SI线性定常系统 是能控的，则状态反馈所构成的闭环系统 也是能控的。证明证明:第23页/共80页2023/3/2524结论结论：对SISO系统，引入状态反馈后，不改变系统原有的闭环零点。所以经过极点的任意配置，可能会出现零极点相约，由于可控性不变，故可能破坏

12、可观测性。第二能控标准型，受控系统传递函数：状态反馈后，闭环系统传递函数：第24页/共80页2023/3/2525 本节小结本节小结：1 1、状态反馈系统的结构、状态反馈系统的结构:状态反馈闭环系统：状态反馈闭环传递函数矩阵为：状态反馈系统的特征方程为：2 2、输出反馈、输出反馈:闭环系统动态方程：闭环传递函数矩阵为：系统的特征方程为：第25页/共80页2023/3/25263 3、输出到状态微分的反馈、输出到状态微分的反馈：闭环系统动态方程：闭环传递函数矩阵为：系统的特征方程为：4 4、状态反馈极点配置条件和算法、状态反馈极点配置条件和算法：极点任意配置条件极点任意配置条件：系统状态完全能控

13、。极点配置算法极点配置算法：反馈阵k的求法第26页/共80页2023/3/2527(4)由 确定反馈矩阵K：(2)求状态反馈后闭环系统的特征多项式：(3)根据给定（或求得）的期望闭环极点，写期望特征多项式。1 1）直接法求反馈矩阵）直接法求反馈矩阵K K（维数较小时，维数较小时，n 3n 3时）时）(1)判断系统能控性。如果状态完全能控，按下列步骤继续。第27页/共80页2023/3/2528(4)写出第二能控标准型下的反馈增益矩阵：(5)求未变换前原系统的状态反馈增益矩阵：2 2）第二能控标准型法求反馈矩阵（维数较大时，）第二能控标准型法求反馈矩阵（维数较大时，n3n3时）时）(1)判断系统

14、能控性。如果状态完全能控，按下列步骤继续。(3)写出期望的特征多项式：(2)确定将原系统化为第二能控标准型 的变换阵 第28页/共80页2023/3/25295 5、状态反馈闭环系统的能控性和能观测性、状态反馈闭环系统的能控性和能观测性可以保持原系统的能控性，但可能破坏原系统的能观测性。3 3）爱克曼公式）爱克曼公式(Ackermann(Ackermann公式法公式法)（维数较大时，（维数较大时，n3n3）其中 是A满足其自身的特征方程，为：为系统期望的特征多项式系数，由下式确定：2）和3）方法非常适合于计算机matlab求解第29页/共80页2023/3/2530第二节第二节 系统的镇定问题

15、系统的镇定问题1.系统镇定的概念2.状态反馈与系统的镇定第30页/共80页2023/3/2531一、系统镇定的概念一、系统镇定的概念一、系统镇定的概念一、系统镇定的概念镇定：一个控制系统，如果通过反馈使系统实现渐近稳定，即闭环系统极点具有负实部，则称该系统是能镇定的。可以采用状态反馈实现镇定，则称系统是状态反馈能镇定的。定理：定理：如果线性定常系统不是状态完全能控的，则它状态反馈能镇定的充要条件是：不能控子系统是渐近稳定的。定理证明：定理证明：二、状态反馈与系统的镇定二、状态反馈与系统的镇定二、状态反馈与系统的镇定二、状态反馈与系统的镇定原系统：第31页/共80页2023/3/2532将原系统

16、按照能控性分解，得到系统对系统 引入状态反馈后，系统矩阵变为闭环系统特征多项式为：能控部分，总可以通过状态反馈使之镇定要求渐近稳定第32页/共80页2023/3/2533结论结论1 1：如果线性定常系统是状态完全能控的，则不管其特征值是否都具有负实部，一定是状态反馈能镇定的。（一定存在状态反馈阵K，使闭环系统的极点得到任意配置）不稳定但状态完全能控的系统，可以通过状态反馈使它镇定结论结论2 2：可控系统是一定可镇定的，可镇定系统不一定是可控的第33页/共80页2023/3/2534 例例 系统的状态方程为（2）由动态方程知系统是不能控的，但不能控部分的特征值是-5，位于左半S平面，可知此部分是

17、渐近稳定的。因此该系统是状态反馈能镇定的。解解：（1）系统的特征值为1，2和5。有两个特征值在右半S平面，因此系统不是渐近稳定的。（1）该系统是否是渐近稳定的？（2）该系统是否是状态反馈能镇定的？（3）设计状态反馈，使期望的闭环极点为第34页/共80页2023/3/2535（3）不能控部分的极点为5，与其中一个期望极点相同。此时，只能对能控部分进行极点配置。设 ，对能控部分进行极点配置。期望的特征多项式为：第35页/共80页2023/3/2536由 得：解得：所以反馈阵为：第36页/共80页2023/3/2537 例例 系统的状态方程和输出方程如下 解解：（1）系统特征方程为：（1）讨论系统的

18、稳定性。（2）加状态反馈可否使系统渐近稳定？特征值为 ，系统不是渐近稳定的。（2）系统能控，加入状态反馈可以任意配置极点。设反馈阵为 ，加状态反馈后的系统矩阵为第37页/共80页2023/3/2538系统的特征多项式为：通过k1和k2的调整可使系统的特征值都位于左半S平面，使系统渐近稳定。第38页/共80页2023/3/2539第三节第三节 状态观测器状态观测器1.状态观测器的原理和构成2.状态观测器的存在条件3.状态观测器极点配置条件和算法4.构成状态观测器的原则第39页/共80页2023/3/2540状态重构状态重构状态重构状态重构：不是所有的系统状态物理上都能够直接测量得到。需要从系统的

19、可量测参量，如输入u和输出y来估计系统状态。状态观测器状态观测器状态观测器状态观测器：状态观测器基于可直接量测的输出变量y和控制变量u来估计状态变量，是一个物理可实现的模拟动力学系统。如果 是状态完全能观测的，那么根据输出y的测量，可以唯一地确定系统的初始状态 ，系统任意时刻的状态：所以只要满足一定的条件，可从可测量y和u中把x间接重构出来。一、状态观测器的原理和构成一、状态观测器的原理和构成一、状态观测器的原理和构成一、状态观测器的原理和构成第40页/共80页2023/3/2541原受控系统 ：状态观测器 ：原系统和状态观测器之间状态的误差：有：，即：原系统初始状态 状态观测器的初始状态如果

20、 ，必有 ，即两者完全等价，实际很难满足。也就是说原状态和状态观测器的估计状态之间必存在误差，从而导致原系统和状态观测器的输出也必存在误差。渐近状态观测器。第41页/共80页2023/3/2542全维渐近状态观测器结构图：维数2n。第42页/共80页2023/3/2543状态观测器的特征方程为：状态观测器 方程：由此可以得到全维渐近状态观测器的等价结构图：维数2n。第43页/共80页2023/3/2544状态观测器能否起作用的关键状态观测器能否起作用的关键：观测器在任何初始条件下，都能够无误差地重构原状态。二、状态观测器的存在条件：二、状态观测器的存在条件：二、状态观测器的存在条件：二、状态观

21、测器的存在条件：存在性定理存在性定理：线性定常系统不能观测的部分是渐近稳定的。存在条件设状态观测器方程：证证：将原系统 按照能观测性分解：第44页/共80页2023/3/2545令：则：得：第45页/共80页2023/3/25461、能观测部分：齐次状态方程的解：2、不能观测部分：非齐次状态方程的解第46页/共80页2023/3/2547要求A22的特征值均具有负实部，即不能观部分是渐近稳定的此时：第47页/共80页2023/3/2548前提：设计全维状态观测器，是状态观测器期望的特征值。则目的是确定观测器增益矩阵，使得A-KeC具有期望的特征值。等同于状态反馈系统的设计。三、状态观测器设计和

22、状态反馈设计的对偶问题：三、状态观测器设计和状态反馈设计的对偶问题：三、状态观测器设计和状态反馈设计的对偶问题：三、状态观测器设计和状态反馈设计的对偶问题：原系统为：则其对偶系统为：1、针对对偶系统来设计状态反馈阵K：线性反馈规律仍然为：则希望 取得一组期望的特征值，将特征值选择为原系统的观测器的期望特征值。第48页/共80页2023/3/2549观察上式可以发现：与原系统状态观测器的特征方程相比：则有：其中，K是其对偶系统的状态反馈阵。结论：原系统的状态观测器增益矩阵Ke的设计，等同于其对偶系统状态反馈中反馈阵K的设计，两者互为转置。其中原系统的观测器特征值等于其对偶系统状态反馈的特征值。第

23、49页/共80页2023/3/2550由状态观测器存在性定理，可以得到以下定理：定理定理：线性定常系统的状态观测器极点任意配置，即具有任意逼近速度的充要条件是原系统为状态完全能观测。四、状态观测器极点配置条件和算法：四、状态观测器极点配置条件和算法：四、状态观测器极点配置条件和算法：四、状态观测器极点配置条件和算法：证明证明：根据以上的对偶关系，要使原系统的观测器极点能任意配置，则要求其对偶系统的状态反馈系统极点能任意配置。所以，其对偶系统状态能控。原系统为：则其对偶系统为：则要求：即：原系统状态能观第50页/共80页2023/3/2551第二能观测标准型下，状态观测器的特征多项式：第二能观测

24、标准型：能观测标准型下状态观测器的系统矩阵：第51页/共80页2023/3/2552状态观测器的设计步骤状态观测器的设计步骤：(3)写出状态观测器的期望特征多项式：1 1、直接法、直接法（维数较小时，维数较小时，n 3n 3）(2)求观测器的特征多项式：(4)由 确定状态观测器的反馈矩阵：(1)判断系统能观测性。如果状态完全能观测，按下列步骤继续。第52页/共80页2023/3/25532 2、第二能观标准型法（维数较大时，、第二能观标准型法（维数较大时，n3n3，适合计算机求解），适合计算机求解）(2)确定将原系统化为第二能观测标准型 的变换阵 。若给定的状态方程已是能观测标准型，那么 ，无

25、需转换(1)判断系统能观测性。如果状态完全能观测，按下列步骤继续。第53页/共80页2023/3/2554(4)直接写出在第二能观测标准型下观测器的反馈矩阵：(5)求未变换前系统状态观测器的反馈矩阵：(3)指定的状态观测器的特征值，写出期望的特征多项式：下面证明原系统和线性变换后系统间观测器的状态反馈增益矩阵的关系：第54页/共80页2023/3/2555证明：原系统：第二能观标准型：其中：式（1）和式（2）比较，得：第55页/共80页2023/3/2556为系统期望的特征多项式系数，由下式确定：其中 是A满足其自身的特征方程，为：推导过程：用前面讲述的对偶关系来推导。转化为对偶系统的状态反馈

26、阵K的设计。此方法也非常适合于计算机matlab求解3 3、爱克曼公式、爱克曼公式(Ackermann(Ackermann公式法公式法)（维数较大时，（维数较大时，n3n3）第56页/共80页2023/3/2557 解解：(1)传递函数 无零极点对消，系统能观测 可以写为第二能观测标准型：例例 系统的传递函数如下，试设计状态观测器，使观测器的极点为10，10。(2)设观测器的反馈增益阵为：1 1、直接法求解：、直接法求解：第57页/共80页2023/3/2558(5)由系数相等，得到观测器的反馈矩阵为：(4)状态观测器期望的特征多项式为：(3)求观测器的特征多项式：则观测器的系统矩阵为：第58

27、页/共80页2023/3/2559原系统的对偶系统，其A、B阵如下：设对偶系统的状态反馈阵为2 2、用状态反馈和状态观测器的对偶关系求解：、用状态反馈和状态观测器的对偶关系求解：将系统的特征值选择为原系统观测器的期望特征值。则期望的特征多项式为：则对偶系统的加入状态反馈后的特征多项式为：由系数相等，得到对偶系统状态反馈矩阵K为：所以，原系统观测器的反馈矩阵为：第59页/共80页2023/3/25603 3、用爱克曼公式求解：、用爱克曼公式求解：（1）确定系统期望的特征多项式系数：所以：（2）确定第60页/共80页2023/3/2561（3）所以观测器增益Ke为：第61页/共80页2023/3/

28、2562例已知线性定常连续系统的状态空间表达式为 设计状态观测器，使观测器极点为10和10，并画出系统的结构图。解：先判断系统的能观测性。系统状态完全能观测，观测器存在，且其极点可以任意配置。令第62页/共80页2023/3/2563则观测器的特征多项式为观测器期望的特征多项式为由，求得 观测器方程为：或：第63页/共80页2023/3/2564观测器的系统结构图如下：第64页/共80页2023/3/2565五、构成状态观测器的原则：五、构成状态观测器的原则：五、构成状态观测器的原则：五、构成状态观测器的原则：1）观测器 以原系统 的输入和输出作为其输入。2）的输出状态 应有足够快的速度逼近x

29、，这就要求 有足够宽的频带，将导致观测器的作用接近于一个微分器，从而使频带加宽，不能容忍地将高频噪声分量放大。3）有较高的抗干扰性，这就要求 有较窄的频带，因而快速性和抗干扰性是互相矛盾的，应综合考虑。4）在结构上应尽可能地简单，即具有尽可能低的维数。5）观测器的逼近速度选择：只需使观测器的期望极点比由此组成的闭环反馈系统的特征值稍大一些即可。一般地，选择的期望特征值，应使状态观测器的响应速度至少比所考虑的闭环系统快25倍。第65页/共80页2023/3/2566 本节小结本节小结本节小结本节小结 ：一、全维状态观测器的原理、构成与极点配置一、全维状态观测器的原理、构成与极点配置状态观测器 方

30、程：存在性定理存在性定理：线性定常系统不能观测的部分是渐近稳定的。状态观测器极点配置条件状态观测器极点配置条件：状态完全能观测状态观测器极点配置算法状态观测器极点配置算法：反馈阵：反馈阵KeKe的设计（或用对偶原理，设计其对偶系统的的设计（或用对偶原理，设计其对偶系统的状态反馈阵状态反馈阵K K）第66页/共80页2023/3/2567(3)写出状态观测器的期望特征多项式：1 1、直接法、直接法（维数较小时，维数较小时，n 3n 3）(2)求观测器的特征多项式：(4)由 确定状态观测器的反馈矩阵：(1)判断系统能观测性。如果状态完全能观测，按下列步骤继续。2 2、第二能观测标准型法（维数较大时

31、，、第二能观测标准型法（维数较大时，n3n3）(1)判断系统能观测性。如果状态完全能观测，按下列步骤继续。(2)确定将原系统化为第二能观测标准型 的变换阵 。第67页/共80页2023/3/2568(4)写出在第二能观测标准型下，观测器的反馈矩阵：(5)求未变换前系统状态观测器的反馈矩阵：(3)指定的状态观测器的特征值，写出期望的特征多项式：第68页/共80页2023/3/2569为系统期望的特征多项式系数，由下式确定：其中 是A满足其自身的特征方程，为：3 3、爱克曼公式、爱克曼公式(Ackermann(Ackermann公式法公式法)（维数较大时，（维数较大时，n3n3）第69页/共80页

32、2023/3/2570第四节第四节 带有观测器的带有观测器的状态反馈系统状态反馈系统1.带有观测器的状态反馈系统的构成2.带有观测器的状态反馈系统的输入输出特性第70页/共80页2023/3/2571状态观测器的建立，为不能直接量测的状态反馈提供了条件构成构成：带有状态观测器的状态反馈系统由观测器和状态反馈两个子系统构成。用观测器的估计状态实现反馈。是x重构状态，阶数小于等于x阶数。系统阶数为 与x阶数和一、带有观测器的状态反馈系统的构成一、带有观测器的状态反馈系统的构成一、带有观测器的状态反馈系统的构成一、带有观测器的状态反馈系统的构成全维状态观测器加入状态反馈第71页/共80页2023/3

33、/2572带有全维状态观测器的状态反馈系统等价结构图：讨论讨论：1、用观测器的估计状态来设计状态反馈阵，会不会对原来的状态反馈系统产生影响？2、在状态反馈中加入观测器，会不会影响原系统输入输出特性？第72页/共80页2023/3/2573二、带有观测器的状态反馈系统的输入输出特性二、带有观测器的状态反馈系统的输入输出特性二、带有观测器的状态反馈系统的输入输出特性二、带有观测器的状态反馈系统的输入输出特性加入反馈控制规律：状态反馈部分的状态方程：观测器部分的状态方程：原系统状态空间描述为：带有观测器的状态反馈组合系统的状态空间描述为：维数2n为方便求式（1）特征多项式，特作如下线性非奇异变换：第

34、73页/共80页2023/3/2574则经过非奇异变换后的状态空间描述为：非奇异变换不改变系统的传递函数阵、特征值和特征多项式上式是能控性分解的标准形式。B对应的状态x能控。第74页/共80页2023/3/2575得组合系统的传递函数为得组合系统的传递函数为：结论结论1：组合系统的传递函数和状态反馈部分的传递函数完全相同，与观测器部分无关，用观测器的估计状态进行反馈，不影响系统的输入输出特性。结论结论2：特征值由状态反馈和观测器两部分组成，相互独立，不受影响。所以，只要系统能控和能观测，则状态反馈矩阵K和状态观测器的反馈矩阵Ke可以单独设计。分离特性得组合系统的特征多项式为得组合系统的特征多项

35、式为：第75页/共80页2023/3/2576 例例：已知系统的状态空间描述为：请采用状态观测器实现状态反馈控制，使闭环系统的特征值配置在 解解：所以该系统状态完全能控，通过状态反馈，极点可任意配置。先判断系统的能控性和能观测性：所以该系统状态完全能观，观测器存在且其极点可任意配置。第76页/共80页2023/3/25771 1）根据分离特性，先设计状态反馈阵）根据分离特性，先设计状态反馈阵K K。设状态反馈增益矩阵为：写出直接反馈下，闭环系统的特征多项式：由 可以求得：计算期望的特征多项式：2 2）设计观测器，求反馈增益矩阵）设计观测器，求反馈增益矩阵K Ke e：第77页/共80页2023/3/2578全维状态观测器的特征多项式：为了使观测器的响应速度稍快于系统响应速度，选择观测器特征值为：设反馈增益矩阵Ke为：所以状态观测器的反馈矩阵为：则状态观测器期望的特征多项式为：由 可以求得：第78页/共80页2023/3/2579 本节小结本节小结：1 1、带有观测器的状态反馈系统的构成、带有观测器的状态反馈系统的构成（掌握）（掌握）2 2、带有观测器的状态反馈系统的输入输出特性、带有观测器的状态反馈系统的输入输出特性（掌握（掌握）分离特性分离特性：状态反馈部分和状态观测器单独设计。设计步骤设计步骤：第79页/共80页2023/3/2580感谢您的观看！第80页/共80页