现代控制理论总复习课件.ppt

1、课程总复习第一章第一章 一、基本概念一、基本概念 1）状态空间表达式是由状态方程和输出方程组成；状态方程是一个一阶微分方程组，主要描述系统输入与系统状态的变化关系；输出方程是一个代数方程，主要描述系统的输出与状态和输入的关系。因此，状态空间表达式反映了控制系统的全部信息；2）对于不同的控制系统，根据相应的物理和化学定理，可建立其系统的状态空间表达式；3）对于同一系统，由于系统状态变量的选择不惟一，故建立的系统状态表达式也不是惟一的。但是同一系统的传递函数阵却是惟一的，即所谓传递函数阵的不变性；没有零极点对消的传递函数的实现称为最小实现，即在所有实现中，它的阶数最小。4）由于状态变量选择的不惟一

2、，对于同一系统，其状态空间表达式可能不同，但状态变量个数等于系统中独立储能元件的个数；5）微分方程、传递函数和方块图与状态空间表达式之间可以相互转换。根据系统的传递函数可直接写出系统的能控标准型实现。当系统的数学模型以微分方程的形式描述且输入函数包含导数项时，可先将其等效地转换为系统的传递函数，然后利用传递函数的转换方法来建立系统的状态空间表达式，这种方法可大大简化其求解过程；6）状态空间表达式经线性变换可化系统矩阵A为对角线标准型或约当标准型。若系统矩阵A的特征值互异，必存在非奇异变换阵，将系统矩阵A化为对角线标准型。当系统矩阵A的特征值有重根时，一般来说，经线性变换，可将A化为约当标准型；

3、但在有些情况下也能将A转换为对角线标准型；7）线性非奇异变换不改变系统的基本特征量，如线性非奇异变换不改变系统的特征值、传递函数阵等；二、要求二、要求 1）掌握根据系统的物理机理建立系统状态空间表达式的方法；2）会用系统结构图与模拟结构图来描述系统的状态空间表达式；3）掌握由系统的微分方程式建立系统状态空间表达式的两种方法；4）掌握由系统方框图建立状态空间表达式的方法；5）掌握由系统的传递函数建立系统状态空间表达式的三种方法；6）掌握由系统的状态空间表达式求传递函数阵的方法；7）掌握由组合系统的状态空间表达式求传递函数阵的方法；8）利用线性变换可将状态方程化为对角线标准型或约当标准型；()(1

4、)()(1)110110nnmmnmmyaya ya yb ububub u11101110()()()mmmmnnnY sb sbsbsbW sU ssasa sauydu xAxbcx实现实现实现存在的条件：实现存在的条件：mn 当当mn时，时，d=0 当当m=n时，可以用长除法求得时，可以用长除法求得d=bm0，问题化为，问题化为 11111001110()()()()nnnnnnnnnnbab sba b sba bW sbsasa sa输出含有与输入直接关联的项输出含有与输入直接关联的项 状态空间表达式的建立（状态空间表达式的建立（P25、P26）12011nnnxxycccb ux

5、11221101210100000100000101nnnnnxxxxuxxaaaaxx 1iii icbab（i=0，1，2，n-1）能控标准型能观标准能观标准型型 能控标准能控标准型型 101021213232111210001000000000001nnnnnnnxaxcxaxcxaxcuxaxcxxyb uxx 对偶对偶例例 设系统传递函数如下，试写出其标准状态空间描述。设系统传递函数如下，试写出其标准状态空间描述。2322116()81710ssW ssss解解：1）能控标准能控标准型型 112233123010000101017816112xxxxuxxxyxx 2322116()

6、81710ssW ssss2）能观标准能观标准型型 能控标准能控标准型型 112233123010000101017816112xxxxuxxxyxx 112233123001061017110182001xxxxuxxxyxx状态空间描述变换为标准形状态空间描述变换为标准形-1-1-1 zT ATz+T Bu=Jz+T BuyCTz xAxBuyCx选择适当的变换矩阵选择适当的变换矩阵T，使变换后的相似矩阵，使变换后的相似矩阵J为为对角线型或约当标准形对角线型或约当标准形（i=1，2，l）特征值有重根求标准形（特征值有重根求标准形（P38）A的特征根有的特征根有q个个1的重根，其余（的重根，

7、其余（n-q）个互异根，则）个互异根，则121qqnTppp pppq+1，pn求解方法同前。求解方法同前。111122111 0qqqpAppApppAppp1，pq例例 系统矩阵如下，试求将其变换成约当型矩阵的变系统矩阵如下，试求将其变换成约当型矩阵的变换矩阵换矩阵T。412102113A412120113IA解：解：12331，111 0pAp111112121313341231023113pppppp0111213111ppp 1p1221 pApp212122222323341213102131131pppppp 212223100ppp 2p111213111ppp 1p21222

8、3100ppp 2p333pAp313132323333412102113pppppp110102101T1012112011T1012412110310112102102030011113101001T=P AP第二章第二章 一、基本概念1）线性定常连续系统非齐次状态方程的解分为零输入的状态转移和零状态的状态转移；系统的输出响应由零输入响应和零状态响应两部分组成。000()()()()()dtttttttxxBu2）线性定常连续系统齐次状态方程的解可表示为00()()()ttttxx3）状态转移矩阵包含了系统运动的全部信息它可以完全表征系统的动态特性。4）线性时变系统非齐次状态方程的解在形式

9、 上类似于线性定常系统，即 000()(,)()(,)()dtttt tttxxBu式中，为线性时变系统的状态转移矩阵，与线性定常系统状态转移矩阵 有着显著区别。0(,)t t0()tt 5）离散系统状态方程可以采用迭代法和Z变换 法来求解。6）线性定常连续系统的离散化，离散化的状态空间表达式为(1)()()()()()()()kTTkTTkTkTkTkTxGxHuyCxDu式中 0()e,()edTTtTH TtAAGB7）线性时变连续系统的离散化,离散化的状态空间表达式为(1)()()()()kTkTkTkTkTxGxHu()()()()()kTkTkTkTkTyCxDu式中()()()(

10、)tkTtkTkTtkTtCCDD二、基本要求1）熟练掌握状态转移矩阵的求解方法、性质、线性定常连续系统齐次状态方程的解2）熟练掌握线性定常连续系统非齐次状态方程的解；状态转移矩阵状态转移矩阵(t,t0)的基本性质的基本性质1.(t,t0)满足自身的矩阵微分方程及初始条件满足自身的矩阵微分方程及初始条件 00(,)()(,)t ttt tA 00(,)t t I A和和(t,t0)一般一般不能交换不能交换2.传递性传递性 202110(,)(,)(,)t tt tt t3.可逆性可逆性 100(,)(,)t tt t 例例 已知系统状态方程已知系统状态方程,试确定该系统在输入作用分别为单位脉试

11、确定该系统在输入作用分别为单位脉冲函数、单位阶跃输入及单位斜坡函数时的状态响应。冲函数、单位阶跃输入及单位斜坡函数时的状态响应。解：（解：（1）单位脉冲响应）单位脉冲响应()tttee(0)AAxxBK12(0)0101()()()(0)(0)4010 xttu tx ，xxx1cos2sin222sin2cos2tttettA1110cos2sin2cos2sin222012sin2cos22sin2cos2tttttttt 1cos2sin222sin2cos2tttt（2）单位阶跃响应）单位阶跃响应1()(0)()ttteeAAxxAI BK111101100cos2sin2cos2si

12、n2220400112sin2cos22sin2cos2tttttttt 1cos2010cos21sin2122sin240142sin2cos21tttttt 5cos21cos2cos21142sin22sin254sin22tttttt（3）单位斜坡响应）单位斜坡响应21()(0)()ttteetAAxxAIABK21()tetAAIABK210110010cos2sin21124001401442sin2cos2ttttt 110010cos21sin211201401442sin2cos21ttttt 11sin28411cos244ttt1111sin2cos2sin2cos28

13、484()2sin21111cos22sin2cos24444tttttttttttx一基本概念一基本概念1）系统的状态能控性（1）若线性连续定常系统 在有限时间间隔t0,tf内存在无约束的分段连续输入信号u(t)，能使系统以任意初始状态x(t0)转移到终止状态x(tf)，则称系统是状态完全能控的。第三章第三章,)（A B（2）线性定常连续系统常用能控性判据：(a)rankM=rank 。(b)当A为对角阵且特征根互异时，输入矩阵B中无全零行；当A为约当阵且相同特征值分布在一个约当块内时，B中与约当块最后一行对应的行不全为零，且B中相异特征值对应的行不全为零。(c)的行向量线性无关。(d)单输

14、入单输出系统 为能控标准型。(e)单变量单输出系统，由状态空间表达式导出的传递函数没有零极点对消。1nn BABAB1()sIAB(,)A b（3）连续系统状态方程离散化后的能控性：连续系统不能控，离散化后的系统一定不能控；连续系统能控，离散化后的系统也不一定能控（与采样周期的选择有关）。2）系统的状态能观测性（1）若线性连续定常系统能根据有限时间间隔t0,tf内测量到的输出y(t)，唯一确定初始状态x(t0)，则称系统是状态完全能观测的。（2）线性定常连续系统常用能观测性判据：(a)rankN=rank1nnCCACA(b)当A为对角阵且特征根互异时，C矩阵无全零列；当A为约当阵且相同特征值

15、分布在一个约当块内时，C中与约当块第一列对应的列不全为零，C中相异特征值对应的列不全为零。(c)的列向量线性无关。(d)单输入单输出系统 为能观测标准型。(e)单输入单输出系统，当由状态空间表达式导出的传递函数没有零极点对消。1()sCIA(,)A C（3）连续系统状态方程离散化后的能观测性：连续系统不能观测，离散化后的系统一定不能观测；连续系统能观测，离散化后的系统也不一定能观测（与采样周期的选择有关）。3）对偶原理 线性系统 与 互为对偶系统。若系统 能控，则 能观测；若系统 能观测，则 能控。4）线性定常系统的结构分解 从能控性和能观测性出发，状态变量可分解为能控能观测，能控不能观测，不

16、能控能观测和不能控不能观测四类。以此对应，将状态空间划分为四个子空间，系统也对应分解为四个子系统。研究结构分解能更明显地揭示系统的结构特性和传递特性。非奇异变换不改变系统的能控性与能观性，只有状态完全能控（能观）的系统才能化为能控标准形（能观标准形）。1(,)A B C2(,)TTTABC11225）最小实现 已知传递函数阵个G(s)，找一个系统满足关系 则称系统 为G(s)的一个实现。当系统阶数等于传递函数阵的阶数时，称该系统为G(s)的一个最小实现。传递函数阵G(s)的实现并不唯一，最小实现也不唯一，仅最小实现的维数唯一。最小实现的常用标准形式有能控标准型实现，能观测标准型实现等。(,)A

17、 B C D1()()sSCIABDG(,)A B C D二、基本要求二、基本要求1）正确理解能控性、能观测性的基本概念；2）熟练掌握判定系统能控、能观测的充要条件及有关方法；3）理解能控性、能观测性与系统传递函数阵的关系；4）掌握状态空间表达式向能控、能观测等标准型变换的基本方法；5）理解线性系统结构分解的作用和意义，了解结构分解的一般方法；6）掌握传递函数阵的实现及最小实现的基本方法；为各项系数为各项系数 uy xAxbcxuyxAxbcx1110nnnaaaIA线性系统线性系统如果系统是完全能控的，那么存在线性非奇异变换如果系统是完全能控的，那么存在线性非奇异变换使原状态空间描述转换为能

18、使原状态空间描述转换为能控标准型状态空间描述控标准型状态空间描述-111,ccxTx xTx为系统特征多项式为系统特征多项式1-1-2111111nnncnaaa0TA A b bA Ab bb bnnnn与与a0无关无关nn01-1naaa,-1-1111011101101000,0011cccncnaaaccc ATATbTbTATbTbccTccT能控标准能控标准型为型为可直接写出系统传递函数为可直接写出系统传递函数为分子系数分子系数1212101110()()()nnnnnnnY scscsc scW sU ssasa sa 例例1202311,1,0010201 Abc1.判断能控性

19、判断能控性22416168,det32,31212rankMMMb bA Ab bA A b b能控能控2.计算计算A的特征多项式的特征多项式3012det()92,2,9,0aaa IA3.求变换矩阵求变换矩阵21212100242101611321caaaTA A b bA Ab bb b4.求能控标准求能控标准形形-1-11111ccccuuyxxbAxbxcxT TA AT TT Tc cT T010000102901321uy xxx2323()92ssW sss5.求传递函数求传递函数10.12500.250.1250.2500.6250.50.25c T例例 求系统的能观测标准求

20、系统的能观测标准型。型。解解：3012221122012212122det()92,2,9,016270102000100100002101090101032,0011oooooaaaaaaaaa IAcATcAcATATbTbccT1202311,1,0010201 Abc2323()92ssWsss第四章第四章一、基本概念一、基本概念 1）稳定性的四个定义 (1)李氏稳定；(2)渐近稳定；(3)大范围渐近稳定；(4)不稳定。这四种定义全面地概括了古典理论和现代理论中对系统运动稳定性的描述，使稳定性分析有了一种严格的理论依据。2）李氏第二法的基本判据 李雅普诺夫第二法的显著优点就在于：不仅对

21、于线性系统，而且对于非线性系统，它都能给出关于在大范围内稳定性的信息。几个基本判据的区别主要集中在对于定号性判别上，可以简述为以下过程：可知系统构造V函数充分条件 判据1 渐近稳定 判据2 渐近稳定 判据3 李氏稳定 判据4 不稳定 判据5 不稳定(,)et0 xf xx(,)0vt x0v 00()vv0 x且0v 0v 00()vv0 x且在定理的应用中，要注意以下几点：(1)构造一个合理的李雅普诺夫函数，是李氏第二法的关键，李氏函数具有几个突出性质：李雅普诺夫函数是一个标量函数。李雅普诺夫函数是一个正定函数，至少在原点的邻域是如此。对于一个给定的系统，李雅普诺夫函数不是惟一的。(2)如果

22、在包含状态空间原点在内的邻域内，可以找到一个李雅普诺夫函数，那么，就可以用它来判断原点的稳定性或渐近稳定性。然而这并不一定意味着，从邻域外的一个状态出发的轨迹都趋于无穷大，这是因为李雅普诺夫第二法确定的仅仅是稳定性的充分条件。3）线性系统李雅普诺夫函数的求法 对于线性定常系统，李氏第二法具有以下几个特点：(1)线性系统的稳定范围，均属于大范围的。(2)线性定常系统的李雅普诺夫函数，可用简单的二次型函数来构成，即 (3)线性定常系统的二次型李雅普诺夫函数，可通过统一的公式来确定：T()vxx Px线性定常连续系统 满足线性定常离散系统 满足T()vxx PxT A PPAQT()()()vkkk

23、xxPxT G PGPQ4）非线性系统李雅普诺夫函数的求法 非线性系统的问题比较复杂，只能针对具体问题进行具体分析。目前，许多人基于李雅普诺夫第二法理论，研究出一些切实可行的方法。本章所介绍的几种方法，在工程实用上较为广泛，具有以下几个显著特点：(1)非线性关系是可用解析式表达的单值函数。(2)系统的阶次不是太高。克拉索夫斯基法实际上属于线性化的方法，或称一次近似法，由此构造出的李氏函数还具有二次型的形式，计算较方便。变量梯度法构造的李氏函数，不属于二次型的，但所取的梯度向量模式，可较好地满足各种约束条件，也是一种应用性很强的方法。值得注意的是，以上几种方法都是李氏第二法的具体应用，若采用这些

24、方法找不到一个合适的李雅普诺夫函数，这并不意味着平衡状态是不稳定的，此时不能作出任何结论。二、基本要求（1）理解和掌握有关系统稳定性的基本概念和定理，包括：系统的内部稳定性和外部稳定性的定义、相关定理及两者的关系；李雅普诺夫意义下的稳定性、渐近稳定性、大范围渐近稳定性和不稳定性的定义。（2）理解和掌握李雅普诺夫稳定性理论，重点掌握李雅普诺夫第二法有关线性系统稳定性的判别方法和一般步骤，了解非线性系统的李雅普诺夫分析方法。例例 已知系统已知系统解解:系统具有唯一的平衡点系统具有唯一的平衡点 ,取取 则则因为除原点处外，因为除原点处外，不会恒等于零。不会恒等于零。当当 时，时，所以系统在其原点，所

25、以系统在其原点 处大范围渐近稳定。处大范围渐近稳定。0ex 2212()0V xxx2112212()222()0V xx xx xxx()V xx ()V x 2112221212()()xxxxxxxx x 第五章第五章一、基本概念一、基本概念1）状态反馈和极点配置（1）利用状态反馈实现闭环极点任意配置的充要条件是被控对象能控。（2）状态反馈不改变系统的零点，只改变系统的极点。（3）在引入状态反馈后，系统能控性不变，但却不一定能保持系统的能观测性。单输入无零点系统在引入状态反馈不会出现零极相消，故其能观测性与原系统保持一致。（4）多输入系统实现极点配置的状态反馈阵 不惟一。K2）输出反馈和

26、极点配置（1）利用输出到 的反馈实现闭环极点任意配置的充要条件是被控对象能观测。（2）在引入输出到 的反馈后，系统能观测性不变，但却不一定能保持系统的能控性。单输入无零点系统在引入输出反馈不会出现零极相消，故其能控性与原系统保持一致。（3）利用输出到输入端的线性反馈一般不能实现闭环极点任意配置。（4）在引入输出到输入端的线性反馈后，系统的能控性和能观测性不变。（5）两种输出反馈都不改变系统的零点，只改变系统的极点。x x 3）解耦控制（1）输入和输出维数相同的线性定常系统，串联解耦的条件是被控系统的传递函数阵的逆存在 。（2）输入和输出维数相同的线性定常系统，反馈解耦的条件是能解耦性的判别阵的

27、逆存在。4）系统的镇定 （1）假如不稳定的线性定常系统是状态完全能控的，则一定存在线性状态反馈阵 ，实现系统的镇定。（2）假如线性定常系统的状态是不完全能控的，则存在线性状态反馈阵 ，实现系统镇定的充分必要条件是，系统的不能控部分为渐近稳定的。KK（3）假如不稳定的线性定常系统是状态完全能观测的，则一定存在从输出到状态向量 线性反馈，实现系统的镇定。（4）假如线性定常系统的状态是不完全能观测的，则从输出到状态向量 线性反馈，实现系统镇定的充分必要条件是，系统的不能观测部分为渐近稳定的。5）状态观测器的设计 若被控系统 能观测，则其状态可用,A B Cx x()xALC xBuLy6）分离定理若

28、被控系统能控能观测，当用状态观测器估计值构成状态反馈时，其系统的极点配置和观测器设计可分别独立进行，即矩阵 和 的设计可分别独立进行。二、基本要求二、基本要求1）正确理解利用状态反馈任意配置系统极点的有关概念，熟练掌握按系统指标要求确定状态反馈阵 的方法。2）理解用输出到反馈任意配置观测器极点的有关概念，熟练掌握按系统指标要求确定反馈阵 的方法。KKLL3）正确理解串联解耦和反馈解耦的可解耦性条件，掌握解耦控制的设计方法步骤。4）正确理解分离定理，熟练掌握分别独立设计矩阵 和 ，以构成状态反馈的闭环控制系统。KL例例112233101002001021xxxxuxx 判断系统是否为可镇定的，若

29、是可镇定的，试用状态反馈使闭环系统为判断系统是否为可镇定的，若是可镇定的，试用状态反馈使闭环系统为渐近稳定。渐近稳定。解：解：1）判别系统能控性）判别系统能控性01300023125rank2MbAbA bM,124010001120cRRRRM阵外选阵外选2）能控性结构分解）能控性结构分解1201100010c R分解后系统的状态表达式：分解后系统的状态表达式：-1-1010113000020uu cccxRAR x+R bx不能控子空间为一维，是稳定的，原系统是可镇定的不能控子空间为一维，是稳定的，原系统是可镇定的3122,2,0.382,2.618ccxx 2011,()31130u f ccxx原系统不稳定原系统不稳定3）由状态反馈使系统成为渐近稳定）由状态反馈使系统成为渐近稳定12kkK状态反馈后能控子系统的闭环系统特征多项式为：状态反馈后能控子系统的闭环系统特征多项式为：1112121()|()|(3)3fkkk（1）IAb K由劳斯判据，系统稳定的条件是由劳斯判据，系统稳定的条件是123,8kk4）求对应于原给定状态的）求对应于原给定状态的K-1-1121221232010100010(2)0kkkkkkkkcKKTKR能控部分能控部分感谢同学们对我工作的支持，祝大家学业进步、考试取得好成绩!