线性定常系统的反馈结构及状态观测器幻灯片.ppt
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1、线性定常系统的反馈结构及状态观测器第1页,共56页,编辑于2022年,星期一6.1 常用反馈结构及其对系统特性的影响常用反馈结构及其对系统特性的影响 一一.两种常用反馈结构两种常用反馈结构式中:式中:v是是p维参考输入向量;维参考输入向量;K是是pn维实反馈增维实反馈增 益矩阵。益矩阵。在在系系统统的的综综合合设设计计中中常常用用的的反反馈馈形形式式是是状状态态反反馈馈和和输输出反馈出反馈。1.状态反馈状态反馈设有设有n维线性定常系统维线性定常系统引入状态的线性反馈:引入状态的线性反馈:线性状态反馈,简称状态反馈第2页,共56页,编辑于2022年,星期一状态反馈系统的结构图状态反馈系统的结构图
2、uxy+BCA状态反馈状态反馈(闭环闭环)系统的状态空间描述为:系统的状态空间描述为:特征多项式:特征多项式:传递函数矩阵:传递函数矩阵:K+-v第3页,共56页,编辑于2022年,星期一2.输出反馈输出反馈输出反馈有两种形式输出反馈有两种形式:a)将输出量反馈至参考输入将输出量反馈至参考输入(常用形式)(常用形式)b)将输出量反馈至状态微分(少见形式)将输出量反馈至状态微分(少见形式)1)将输出量反馈至参考输入将输出量反馈至参考输入当将系统的控制量当将系统的控制量u取为取为输出输出y的线性函数的线性函数时时,称称之之为为线线性性输输出出反反馈馈,常常简简称称为为输输出出反反馈馈。式式中:中:
3、v是是p维参考输入向量;维参考输入向量;F是是pq维实反馈增益矩阵。维实反馈增益矩阵。第4页,共56页,编辑于2022年,星期一输出反馈系统的结构图输出反馈系统的结构图v+-Fuxy+BCA输出反馈输出反馈(闭环闭环)系统的状态空间描述为:系统的状态空间描述为:特征多项式:特征多项式:传递函数矩阵:传递函数矩阵:第5页,共56页,编辑于2022年,星期一传递函数矩阵:传递函数矩阵:uxy+-BHCA2)将输出量反馈至状态微分将输出量反馈至状态微分将输出量反馈至状态微分将输出量反馈至状态微分将输出量反馈至状态微分的系统结构图:将输出量反馈至状态微分的系统结构图:输出反馈输出反馈(少见少见)系统的
4、状态空间描述为:系统的状态空间描述为:特征多项式:特征多项式:第6页,共56页,编辑于2022年,星期一3.状态反馈结构与输出反馈结构比较状态反馈结构与输出反馈结构比较相同点:相同点:1)无无论论是是状状态态反反馈馈结结构构还还是是输输出出反反馈馈结结构构都都使使闭闭环环系系统统的系统矩阵不同于原系统矩阵的系统矩阵不同于原系统矩阵 A。2)状态反馈是一种完全的系统信息反馈,输出反馈状态反馈是一种完全的系统信息反馈,输出反馈则是系统结构信息的一种不完全反馈。则是系统结构信息的一种不完全反馈。3)设设计计者者可可以以通通过过选选取取适适当当的的反反馈馈矩矩阵阵K或或F来来改改变变系系统的特性,达到
5、设计要求。统的特性,达到设计要求。不同点:不同点:不同点:不同点:输输出出反反馈馈能能完完成成的的设设计计任任务务,状状态态反反馈馈必必然然能能够够完完成成;状状态态反馈能完成的设计任务反馈能完成的设计任务,输出反馈不一定能完成。输出反馈不一定能完成。第7页,共56页,编辑于2022年,星期一1.对系统可控性和可观测性的影响对系统可控性和可观测性的影响二二.反馈结构对系统性能的影响反馈结构对系统性能的影响定定理理:状状态态反反馈馈不不改改变变系系统统的的可可控控性性,但但可可能能改改变系统的可观测性。变系统的可观测性。证明:证明:证可控性不变。证可控性不变。显然对于任意的显然对于任意的K阵以及
6、所有的阵以及所有的s,有,有根据系统可控性的根据系统可控性的PBH秩判据可知,其可控性在状秩判据可知,其可控性在状态反馈前后保持不变。态反馈前后保持不变。第8页,共56页,编辑于2022年,星期一再再来来证证状状态态反反馈馈系系统统,不不一一定定能能保保持持可可观观测测性性。由由于于状状态态反反馈馈改改变变系系统统的的极极点点(特特征征值值),若若发发生生零零点点与与极极点点抵抵消消情况,则改变系统的可观性。情况,则改变系统的可观性。例:已知可控可观测系统例:已知可控可观测系统原系统的传递函数:原系统的传递函数:若采用的状态反馈是:若采用的状态反馈是:第9页,共56页,编辑于2022年,星期一
7、则闭环系统的系统矩阵为:则闭环系统的系统矩阵为:闭环系统可观测性判别矩阵为:闭环系统可观测性判别矩阵为:则闭环系统为:则闭环系统为:所以闭环系统是不完全可观测,其传递函数为所以闭环系统是不完全可观测,其传递函数为第10页,共56页,编辑于2022年,星期一定理:输出反馈不改变系统的可控性和可观测性。定理:输出反馈不改变系统的可控性和可观测性。证明:证明:证可控性不变。证可控性不变。可见对于任意的可见对于任意的F阵以及所有的阵以及所有的s,有,有根根据据系系统统可可控控性性的的PBH秩秩判判据据可可知知,其其可可控控性性在在输输出出反反馈前后保持不变。馈前后保持不变。第11页,共56页,编辑于2
8、022年,星期一证可观性不变:证可观性不变:可见对于任意的可见对于任意的F阵以及所有的阵以及所有的s,有,有根根据据系系统统可可观观测测性性的的PBH秩秩判判据据可可知知,其其可可观观测测性性在在输输出反馈前后保持不变。出反馈前后保持不变。第12页,共56页,编辑于2022年,星期一2.反馈结构对系统稳定性的影响反馈结构对系统稳定性的影响可可镇镇定定性性:如如果果采采用用反反馈馈措措施施能能够够使使闭闭环环系系统统稳稳定,称该系统是反馈可镇定的。定,称该系统是反馈可镇定的。状状态态反反馈馈和和输输出出反反馈馈都都改改变变系系统统的的特特征征值值,故故都都影影响系统的稳定性。响系统的稳定性。镇镇
9、定定:加加入入反反馈馈,使使得得通通过过反反馈馈构构成成的的闭闭环环系系统统成成为为稳稳定系统,称之为镇定。定系统,称之为镇定。由于状态反馈具有许多优越性,而且输出反馈总由于状态反馈具有许多优越性,而且输出反馈总可以找到与之性能等同的状态反馈系统,故在此只讨可以找到与之性能等同的状态反馈系统,故在此只讨论状态反馈的可镇定性问题。论状态反馈的可镇定性问题。第13页,共56页,编辑于2022年,星期一对于线性定常受控系统对于线性定常受控系统如果可以找到状态反馈控制律如果可以找到状态反馈控制律使得通过反馈构成的闭环系统使得通过反馈构成的闭环系统是是渐渐近近稳稳定定的的,即即(A-BK)的的特特征征值
10、值均均具具有有负负实实部部,则称系统则称系统实现了状态反馈镇定实现了状态反馈镇定。定定理理:当当且且仅仅当当线线性性定定常常系系统统的的不不可可控控部部分分渐渐近近稳稳定时,系统是状态反馈可镇定的。定时,系统是状态反馈可镇定的。第14页,共56页,编辑于2022年,星期一证明:证明:由于系统由于系统A,B不完全可控,其结构分解为不完全可控,其结构分解为对于任意的状态反馈矩阵对于任意的状态反馈矩阵 ,可导出,可导出即即状状态态反反馈馈不不能能改改变变不不可可控控极极点点,因因此此使使闭闭环环系系统统稳稳定的必要条件是不可控部分是渐近稳定的。定的必要条件是不可控部分是渐近稳定的。其中:其中:第15
11、页,共56页,编辑于2022年,星期一6.2 系统的极点配置系统的极点配置()p 利利用用状状态态反反馈馈和和输输出出反反馈馈使使闭闭环环系系统统的的极极点点位位于于所所希希望望的的极极点点位位置置,称称为为极极极极点点点点配配配配置置置置。状状态态反反馈馈和输出反馈都能配置闭环系统的极点。和输出反馈都能配置闭环系统的极点。p 状状态态反反馈馈K不不能能改改变变不不可可控控部部分分的的极极点点,但但能能够够任意配置可控部分的极点。任意配置可控部分的极点。p 输输出出反反馈馈F也也只只能能配配置置可可控控部部分分的的极极点点,但但不不一一定定能能实实现现期期望望极极点点的的任任意意配配置置;肯肯
12、定定不不能能将将极点配置到系统的零点处。极点配置到系统的零点处。第16页,共56页,编辑于2022年,星期一一极点可配置条件一极点可配置条件定定理理9-5(P484)利利用用状状态态反反馈馈任任意意配配置置闭闭环环极极点的充分必要条件是被控系统可控。点的充分必要条件是被控系统可控。证明:证明:以单输入以单输入多输入系统来证明该定理。多输入系统来证明该定理。1)充充分分性性:若若系系统统完完全全可可控控,则则通通过过非非奇奇异异线线性性变换变换 可变换为可控标准型可变换为可控标准型:其中:其中:第17页,共56页,编辑于2022年,星期一引入状态反馈:引入状态反馈:其中:其中:第18页,共56页
13、,编辑于2022年,星期一闭环特征方程为:闭环特征方程为:则引入状态反馈后闭环系统的系统矩阵为:则引入状态反馈后闭环系统的系统矩阵为:第19页,共56页,编辑于2022年,星期一闭环特征方程为:闭环特征方程为:该该n阶特征方程中的阶特征方程中的n个系数,可通过个系数,可通过 来来独独立立设设置置,也也就就是是说说 的的特特征征值值可可以以任任意意选选择择,即即系统的极点可以任意配置。系统的极点可以任意配置。2)必必要要性性:如如果果系系统统(A,b)不不可可控控,说说明明系系统统的的有有些些状状态态将将不不受受u的的控控制制,则则引引入入状状态态反反馈馈时时就就不不可可能能通过控制通过控制 k
14、 来影响不可控的极点。来影响不可控的极点。第20页,共56页,编辑于2022年,星期一二二.单输入单输入单输出系统的极点配置算法单输出系统的极点配置算法()给给 定定 可可 控控 系系 统统(A,b,c)和和 一一 组组 期期 望望 的的 闭闭 环环 特特 征征 值值 ,要要确确定定(1n)维维的的反反馈馈增增益益向向量量k,使使闭闭环环系系统统矩矩阵阵(A-bk)的特征值为的特征值为 。1.1.通用的计算方法通用的计算方法通用的计算方法通用的计算方法()()()():设设(1)计算期望的特征多项式:计算期望的特征多项式:第21页,共56页,编辑于2022年,星期一(2)用待定系数计算闭环系统
15、的特征多项式:用待定系数计算闭环系统的特征多项式:(3)由下列由下列n个方程计算反馈矩阵个方程计算反馈矩阵k的元素:的元素:注注意意:系系统统完完全全可可控控,单单输输入入系系统统的的极极点点配配置置有有唯唯一一解解;系系统统不不完完全全可可控控,若若期期望望极极点点中中包包含含所所有有不不可可控控极点,极点配置有解,否则无解。极点,极点配置有解,否则无解。第22页,共56页,编辑于2022年,星期一例例 9-36(P485)已知线性定常系统状态方程为已知线性定常系统状态方程为求反馈向量求反馈向量k,使系统的闭环特征值为:,使系统的闭环特征值为:解:解:(1)计算期望的特征多项式:计算期望的特
16、征多项式:(2)设设 用用待待定定系系数数计计算算闭闭环环系系统统的的特征多项式:特征多项式:第23页,共56页,编辑于2022年,星期一(3)系数对应相等:系数对应相等:解得:解得:即:即:第24页,共56页,编辑于2022年,星期一(1)计算计算A的特征多项式的特征多项式:(2)计算期望的特征多项式计算期望的特征多项式:(3)计算计算(可控标准型可控标准型)反馈矩阵反馈矩阵 :2.完全可控完全可控系统极点配置的规范算法系统极点配置的规范算法第25页,共56页,编辑于2022年,星期一(6)计算原系统的反馈增益阵:计算原系统的反馈增益阵:(4)计算变换矩阵计算变换矩阵P-1:(5)计算计算P
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