《线性系统复习》PPT课件.ppt

第一章 概论,线性系统理论,第二章 系统的数学描述,21 系统的分类 u y 系统 u 输入 y 输出 yHu,瞬时系统与动态系统,因果或非预期系统与非因果系统,线性系统与非线性系统,时变系统与时不变系统,连续时间系统和离散时间系统,确定性系统和随机系统,线性系统的脉冲响应矩阵,传递函数矩阵,状态方程,根据物理定律直接建立状态方程,化输入输出描述为状态方程描述,例,例2 若m=n时,分子除以分母得,后一项与状态无关，故,由状态空间描述导出传递函数矩阵,考虑系统,引入坐标变换,并令变换后的状态空间描述为,（P非奇异）,则成立,并称 和 为代数等价系统,坐标变换不改变系统的特征值,线性定常系统的传递函数矩阵在坐标变换下保持不变。,线性系统的运动分析,定义如下矩阵函数,它具有如下性质：,状态方程,的解为,（5）,零输入响应,零状态响应,可见系统的运动由两部分组成。一部分是由于初始状态引起的转移项（零输入响应）。另一部分是由于控制输入作用下的受控项（零状态响应）。后者的存在使我们有可能选取合适的u，使x(t)的轨线按期望的要求改变。,频域解法,对状态方程取拉氏变化得：,即,而,第四章 离散时间系统,Z变换的性质: 记 线性性质 平移性质 反 z 变换 部分分式展开,离散系统可以用n阶差分方程来描述.其一般形式为: 一个差分方程实际上就是一个迭代方程,特别适合于计算机求解,但为分析系统,我们还希望得到一般的解. 与微分方程一样,差分方程的解也是通解加特解的形式. 可以用z变换求解差分方程.上式两边取z变换,利用z变换的线性性质和平移定理,有:,给出系统的差分方(1)程,或脉冲传递函数G(z),也可以利用第2章方法(可控性实现法)得到相应的状态方程实现. 能控性实现:,则在基本假设: 等间隔采样且采样周期T满足香农定理; 保持器为零阶保持器. 下,其对应的离散系统状态方程为:,第五章 线性系统稳定性,5.3 渐近稳定性判据 考虑系统： （1）或 （2） 定理1：线性定常连续系统（1）为渐近稳定 的充要条件为系统矩阵 A的全部特征值都具 有负实部。即： 。（ 表示 A的特征值集合）,定理2：线性定常离散系统（2）为渐近稳定 iff A的全部特征值的绝对值都小于1。,离散系统的稳定性判据,域变换法,设 且 。 构造如下Raible表格形式：,若 ，（若 ，可通过除以 “-1”得 到），则第一列元素 为正的 元素个数就是 位于单位圆内根的个数。 注：奇异情况为第一列元素中有为零的，令 代入处理。,第六章 能控性和能观测性,能控性粗略地说是控制变量对系统状态的影响能力。,称线性定常系统为在t0,tf内是可达的（reachable）若对任意两状态x0和xf，总可选择控制量u(t), 使得系统的状态由初值x(t0)=x0达到终值x(tf)=xf 显然能达性包含了能控性（含xf=0即为后者）对连续系 统来说，两者等价，这是因为，若系统能控，取初 值：,系统(A,B,C)状态可控 能控性矩阵 为行满秩，即rank Wc=n (n为系统维 数),定理4. PBH判据 系统（A，B，C）可控,事实上只要检查A的n个特征值点即可。 例：系统,对离散系统，若系统可达，则显然系统可控， 但系统可控，则系统不一定可达。 当系统矩阵A是非奇异，系统的可控性与可达性等价，但A奇异时，则系统可控则不一定可达,因为坐标变换 ，不改变系统的特征值 （因为 的特征值与A的特征值相同），也不 改变系统的可控性（可观性），因此，在许多讨论 中，可以通过坐标变换把系统变成一些标准形式以 便讨论。 1.定义：单输入系统 为能控标准形，若,定义1 （可观测性）observability 设已知输入 若可以通过取有限的时间区间t0,t1(或k0,k0+1,k0+k1)内输出y(t)（或y(k)）唯一确定状态变量的初始值 X(t0)(X(k0)则称系统在t0(k0)完全可观测.当对于任意t0(k0)均可观测时,则称系统为完全可观测.,注意点 对线性定常系统若在某一时刻 完全可观，则系 统完全可观。 可观测是由系统将来的输出决定系统出现时的状态,注意点： 1.对于线性定常系统在任意时间 可观，则完全可观 2.可重建性是由系统过去的输出，决定系统现时的状态 3.对于连续系统，可重建性与可观测性等价。,第八章 线性反馈系统的综合,8.1 线性反馈系统综合的引论 综合问题即已知系统的综合模型以及新期望的系统运动形式和其它特征，确定需要施加于系统的外输入作用即控制作用。 综合问题通常可以分为： 1.镇定问题：使不稳定的系统稳定。 2.极点配置问题：使闭环系统具有任意指定的极点。 3.解耦问题：对多输入多输出系统，一个输入只能影响一个输出。 4.跟踪问题：输出y无静差的跟踪一个外部参考输入。,控制系统工程中的问题： 1.状态反馈的构成问题：状态变量是否都是可以直接测量？如果不可以直接测量，则在系统为能观测前提下，可以用状态观测器来构造状态。 2.系统模型的不准确和参数摄动问题。 3.对外部扰动的抑制问题。第八章 线性反馈系统的综合,8.2 特征值配置 考虑以下状态反馈系统 状态反馈是控制系统最常用的方式。,定理1 .若n阶系统（A，B）为完全能控，在给定的 任何实系数多项式 则必存在有一实矩阵F，使得（A-BF）的特征多项式,1.设变换矩阵 将 化成能控标准型 2.求,3.令 F=FcP-1 ，则为所求。,2）直接法求反馈矩阵K（维数较小时，n 3） (1)判断系统能控性。如果状态完全能控，按下列步骤继续。,(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：,Ackermann公式,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，远极点收敛快，对系统只有极小的影响。,闭环系统期望极点的选取,状态反馈不改变系统的零点.这样通过改变系统 的某些极点,使得其与系统的零点一致,则系统传递函 数会出现零极点相消,故系统不可观.我们有以下结论: 系统 状态反馈不改变系统的可控性,但是有可 能改变系统的可观性. 对多输入多输出系统也有类似的结论.,8.4 状态重构问题和状态观测器,通过状态反馈可以直接配置系统的闭环极点，从而 可使原不稳定系统为稳定。但是，实际上并不是系 统的所有状态都是可以直接测量的，通常只有输出 可以测量。 状态重构问题是重新构造一个系统，利用原系统中 可直接测量的变量，从输出变量和输入变量作为起 输入信号，并使其输出信号 在一定程度上等价 于原系统状态 ，通常称 为 的重构状态 或估计状态。一般来说， 与 之间的等价关 系为：,由上图可见，状态观测器的方程为： 其实现为：,定理1 设系统 为能观的，则可通过观测器 来重构其状态，并且可以通过选择增益阵 ，任 意配置 的全部特征值。,具体算法： 给定系统 ，设 为能观，对要设计的 观测器指定一组位于左半平面的指定极点,1.利用极点配置问题设法对 来确定使 的状态反馈矩阵为 2.取 3.计算 ，则所要设计的状态观测器为 例：,确定状态观测器的极点为-3，-4和-5 要求特征方程为,观测器为,如何选择状态观测器的极点是一个颇费周折的问题，很难给出一个系统性的方法。一般说来，希望观测器的误差衰减得快一些，即将观测器的极点选择得在复平面上位于虚轴左边较远的地方。但是这样做有可能使得L的增益过大，从而将系统的观测噪声放大。一般认为，应选择观测器的极点位于复平面上比被观测系统的极点离虚轴左边稍微更远一点的地方。,状态观测器的建立解决了受控对象中不能直接测量的状态的重构问题。当系统的状态不能直接测量时，利用重构状态 代替真实状态x(t)，使得状态反馈的工程实现成为可能。,对于带全维状态观测器的状态反馈控制系统，由于系统方程为n维，而状态观测器也为n维，所以整个闭环控制系统为2n维。,可以写出整个闭环系统的状态方程为,可见在整个闭环系统中，控制器的动态特性与观测器的动态特性是相互独立的。即观测器的引入，不影响由状态反馈阵F所配置的系统特征多项式det(sI-A+BF)及相应的特征值；反过来，状态反馈的引入，也不影响已设计好的观测器的特征多项式det(sI-A+LC)及相应的特征值。这个性质称为分离原理。分离原理给控