控制系统的计算机辅助设计.ppt

1 本章内容 1 利用MATLAB实现串联频率校正的三种方法 2 利用MATLAB实现系统状态反馈的两种方法 3 利用MATLAB实现系统状态观测器的两种方法 4 利用MATLAB实现带状态观测器的状态反馈系统 5 利用MATLAB实现系统的解耦 6 利用MATLAB实现状态反馈的线性二次型最优控制器的设计 7 利用MATLAB实现输出反馈的线性二次型的最优控制 第8章控制系统的计算机辅助设计 2 控制系统的设计 就是在系统中引入适当的环节 用以对原有系统的某些性能进行校正 使之达到理想的效果 故又称为系统的校正 下面介绍几种常用的系统校正方法的计算机辅助设计实现 3 频率特性的基本概念 频率特性G j 为复变函数 可以分解为 Re 为频响函数的实部 实频特性 Im 为频响函数的虚部 虚频特性 其中 A 为频响函数的幅值 幅频特性 系统对谐波输入的放大或衰减特性 为频响函数的相位 相频特性 系统对谐波输入的相移特性 或 频率特性的图示方法 注意控制理论第四章第一节RC电路的例子 物理意义 4 例已知系统开环传递函数为 当K分别取2和20时 计算其相位裕量和增益裕量 并判断闭环系统稳定性 5 8 1频率法的串联校正方法 应用频率法对系统进行校正 其目的是改变系统的频率特性形状 使校正后的系统频率特性具有合适的低频 中频和高频特性以及足够的稳定裕量 从而满足所要求的性能指标 控制系统中常用的串联校正装置是带有单零点与单极点的滤波器 若其零点比极点更靠近原点 则称之为超前校正 否则称之为滞后校正 6 8 1 1基于频率响应法的串联超前校正 1 超前校正装置的特性设超前校正装置的传递函数为其频率特性为 7 1 极坐标图 超前校正装置的极坐标图如图8 2所示 当 0 变化时 Gc j 的相位角 0 Gc j 的轨迹为一半圆 由图可得超前校正的最大超前相位角 m为 8 3 令可得对应于最大相位角 m时的频率 m为 8 2 对数坐标图 超前校正装置的对数坐标图如图8 3所示 当由此可见 超前校正装置是一个高通滤波器 高频通过 低频被衰减 它主要能使系统的瞬态响应得到显著改善 而稳态精度的提高则较小 越大 微分作用越强 从而超调量和过渡过程时间等也越小 9 2 串联超前校正方法 超前校正装置的主要作用是通过其相位超前效应来改变频率响应曲线的形状 产生足够大的相位超前角 以补偿原来系统中元件造成的过大的相位滞后 因此校正时应使校正装置的最大超前相位角出现在校正后系统的开环剪切频率 幅频特性的交接频率 c处 10 利用频率法设计超前校正装置的步骤 1 根据性能指标对稳态误差系数的要求 确定开环增益k 2 利用确定的开环增益k 画出未校正系统的Bode图 并求出其相位裕量r0和幅值裕量kg 3 确定为使相位裕量达到要求值 所需增加的超前相位角 即 r r0 式中r为要求的相位裕量 是考虑到系统增加串联超前校正装置后系统的剪切频率要向右移而附加的相位角 一般取 5 15 4 令超前校正装置的最大超前相位角 则由下式可求出校正装置的参数 课本错误改 11 5 若将校正装置的最大超前相位角处的频率 作为校正后系统的剪切频率 则有即或由此可见 未校正系统的幅频特性幅值等于 20lg 时的频率即为 c 12 6 根据 c 利用下式求参数T 7 画出校正后系统的Bode图 检验性能指标是否已全部达到要求 若不满足要求 可增大 值 从第三步起重新计算 13 解根据可求出k 40 即根据串联超前校正的设计步骤 可编写以下m文件 Example8 1 m 例8 1设有一单位反馈系统 其开环传递函数为要求系统的稳态速度误差系数kv 20 1 s 相位裕量r 500 幅值裕量kg 10dB 试确定串联校正装置 14 M文件如下 p224 ex8 1 mnum0 40 den0 conv 1 0 1 2 Gm1 Pm1 Wcg1 Wcp1 margin num0 den0 r 50 r0 Pm1 w logspace 1 3 mag1 phase1 bode num0 den0 w forepsilon 5 15 phic r r0 epsilon pi 180 alpha 1 sin phic 1 sin phic il ii min abs mag1 1 sqrt alpha wc w ii T 1 wc sqrt alpha numc alpha T 1 denc T 1 num den series num0 den0 numc denc Gm Pm Wcg Wcp margin num den if Pm r break endendprintsys numc denc printsys num den mag2 phase2 bode numc denc w mag phase bode num den w subplot 2 1 1 semilogx w 20 log10 mag w 20 log10 mag1 w 20 log10 mag2 grid ylabel 幅值 dB title Go Gc GoGc subplot 2 1 2 semilogx w phase w phase1 w phase2 w w 180 w grid ylabel 相位 度 xlabel 频率 rad sec title 矫正后 幅值裕量 num2str 20 log10 Gm dB 相位裕量 num2str Pm o disp 矫正前 num2str 20 log10 Gm1 dB 相位裕量 num2str Pm1 o disp 矫正后 num2str 20 log10 Gm dB 相位裕量 num2str Pm o 15 执行后可得如下结果及图8 4所示曲线num den 0 22541s 1 0 053537s 1num den 9 0165s 40 0 053537s 3 1 1071s 2 2s校正前 幅值裕量 InfdB 相位裕量 17 9642 校正后 幅值裕量 InfdB 相位裕量 50 7196 16 图8 4超前校正装置及校正前后系统的伯德图 17 8 1 2基于频率响应法的串联滞后校正 1 滞后校正装置的特性设滞后校正装置的传递函数为其频率特性为 18 1 极坐标图 滞后校正装置的极坐标图如图8 6所示 由图可知 当 0 变化时 Gc j 的相位角 0 Gc j 的根轨迹为一半圆 同理可求得最大滞后相位角 和对应的频率 分别为 19 2 对数坐标图 滞后校正装置的对数坐标图如图8 7所示由此可见 滞后校正装置是一个低通滤波器 低频通过 高频被衰减 且 越大 高频衰减越厉害 抗高频干扰性能越好 但使响应速度变慢 故滞后校正能使稳态得到显著提高 但瞬态响应时间却随之而增加 越大 积分作用越强 稳态误差越小 20 2 串联滞后校正方法 滞后校正装置的主要作用是在高频段造成幅值衰减 降低系统的剪切频率 以便能使系统获得充分的相位裕量 但应同时保证系统在新的剪切频率附近的相频特性曲线变化不大 利用频率法设计滞后校正装置的步骤 1 根据性能指标对稳态误差系数的要求 确定开环增益k 2 利用已确定的开环增益k 画出未校正系统的Bode图 并求出其相位裕量r0和幅值裕量kg 21 3 如未校正系统的相位和幅值裕量不满足要求 寻找一新的剪切频率 c 在 c处开环传递函数的相位角应满足下式 Go j c 180 r 式中r为要求的相角裕量 是为补偿滞后校正装置的相位滞后而附加的相位角 一般取 5 12 4 为使滞后校正装置对系统的相位滞后影响较小 一般限制在5 12 m应远离 c 一般取滞后校正装置的第一个交接频率 1 1 T 1 5 1 10 c 即 m c 此时有 Gc j c 20lg 1取得愈小 对系统的相位裕量影响愈小 但太小则校正装置的时间常数T将很大 这也是不允许的 22 5 确定使校正后系统的幅值曲线在新的剪切频率 c处下降到0dB所需的衰减量20lg Go j c 并根据20lg Go j c Gc j c 20lg Go j c 20lg 0即 Go j c 求出校正装置的参数 6 画出校正后系统的Bode图 检验性能指标是否已全部达到要求 若不满足要求 可增大 值 从第三步起重新计算 23 例8 2设有一单位负反馈系统的开环传递函数为要求系统的稳态速度误差系数kv 5 1 s 相位裕量r 400 幅值裕量kg 10dB 试确定串联校正装置 解根据可求出k 5 即 24 根据串联滞后校正的设计步骤 可编写以下m文件 ex8 2 m 25 M文件如下 p227 ex8 2 mnum0 5 den0 conv 1 0 conv 1 1 0 25 1 Gm1 Pm1 Wcg1 Wcp1 margin num0 den0 r 40 w logspace 3 1 mag1 phase1 bode num0 den0 w forepsilon 5 15 r0 180 r epsilon il ii min abs mag1 r0 wc w ii alpha mag1 ii T 5 wc numc T 1 denc alpha T 1 num den series num0 den0 numc denc Gm Pm Wcg Wcp margin num den if Pm r break endendprintsys numc denc printsys num den mag2 phase2 bode numc denc w mag phase bode num den w subplot 2 1 1 semilogx w 20 log10 mag w 20 log10 mag1 w 20 log10 mag2 grid ylabel 幅值 dB title Go Gc GoGc subplot 2 1 2 semilogx w phase w phase1 w phase2 w w 180 w grid ylabel 相位 度 xlabel 频率 rad sec title 矫正后 幅值裕量 num2str 20 log10 Gm dB 相位裕量 num2str Pm o disp 矫正前 num2str 20 log10 Gm1 dB 相位裕量 num2str Pm1 o disp 矫正后 num2str 20 log10 Gm dB 相位裕量 num2str Pm o 26 执行后可得如下结果及图8 8所示曲线 num den 0 5s 1 0 0092387s 1num den 2 5s 5 0 0023097s 4 0 26155s 3 1 2592s 2 s矫正前 3 8573e 015dB 相位裕量 7 3342e 006o矫正后 30 4296dB 相位裕量 39 7164o 27 图8 8滞后校正装置及校正前后系统的伯德图 28 8 1 3基于频率响应法的串联滞后 超前校正 1 滞后 超前校正装置的特性设滞后 超前校正装置的传递函数为上式等号右边的第一项产生超前网络的作用 而第二项产生滞后网络的作用 29 1 极坐标图 滞后 超前校正装置的极坐标图如图8 9所示 由图可知 当角频率 在0 0之间变化时 滞后 超前校正装置起着相位滞后校正的作用 当 在 0 之间变化时 它起着超前校正的作用 对应相位角为零的频率 0为 30 2 对数坐标图 滞后 超前校正装置的对数坐标图如图8 10所示 从图可清楚看出 当0 0时滞后 超前校正装置起着相位滞后校正的作用 当 0 时它起着相位超前校正的作用 31 2 串联滞后 超前校正方法 滞后 超前校正装置的超前校正部分 因增加了相位超前角 并且在幅值穿越频率 剪切频率 上增大了相位裕量 提高了系统的相对稳定性 滞后部分在幅值穿越频率以上 将使幅值特性产生显著的衰减 因此在确保系统有满意的瞬态响应特性的前提下 容许在低频段上大大提高系统的开环放大系数 以改善系统的稳态特性 利用频率法设计滞后 超前校正装置的步骤 1 根据性能指标对稳态误差系数的要求 确定开环增益k 32 2 求出未校正系统相位和幅值裕量 3 如果未校正系统相位和幅值裕量不满足要求 则选择未校正系统相频特性曲线上相位角等于 180 的频率 即相位交接频率作为校正后系统的幅值交接频率 c 4 利用 c确定滞后校正部分的参数T2和 通常选取滞后校正部分的第二个交接频率 2 1 T2 1 10 c 并取 10 5 根据校正后系统在新的幅值交接频率 c处的幅值必为0db确定超前校正部分的参数T1 6 画出校正后系统的波德图 并检验系统的性能指标是否已全部满足要求 33 例8 3设有单位负反馈系统 其开环传递函数为若要求kv 10 1 s 相位裕量为50 幅值裕量为10dB 试设计一个串联滞后超前 校正装置 来满足要求的性能指标 解根据可求出k 10 即 34 根据其以上设计步骤 可编写以下m文件 ex8 3 m 35 p230 ex8 3 mnum0 10 den0 conv 1 0 conv 1 1 0 5 1 Gm1 Pm1 Wcg1 Wcp1 margin num0 den0 w logspace 2 2 mag1 phase1 bode num0 den0 w ii find abs w Wcg1 min abs w mag1 wc Wcg1 w2 wc 10 beta 10 numc2 1 w2 1 denc beta w2 1 w1 w2 mag ii 2 while mag ii 1 numc1 1 w1 1 denc1 1 w1 beta 1 w1 w1 0 01 numc denc series numc1 denc1 numc2 denc2 num den series num0 den0 numc denc mag phase bode num den w endprintsys numc1 denc1 printsys numc2 denc2 printsys num den Gm Pm Wcg Wcp margin num den mag2 phase2 bode numc denc w mag phase bode num den w subplot 2 1 1 semilogx w 20 log10 mag w 20 log10 mag1 w 20 log10 mag2 grid ylabel 幅值 dB title Go Gc GoGc subplot 2 1 2 semilogx w phase w phase1 w phase2 w w 180 w grid ylabel 相位 度 xlabel 频率 rad sec title 矫正后 幅值裕量 num2str 20 log10 Gm dB 相位裕量 num2str Pm o disp 矫正前 num2str 20 log10 Gm1 dB 相位裕量 num2str Pm1 o disp 矫正后 num2str 20 log10 Gm dB 相位裕量 num2str Pm o 36 执行后可得如下结果及图8 11所示曲线 num den 1 8817s 1 0 18817s 1num den 7 0711s 1 70 7107s 1 37 num den 133 0595s 2 89 5281s 10 6 653s 5 55 4084s 4 120 1542s 3 72 3989s 2 s校正前 幅值裕量 10 4567dB 相位裕量 28 0814 校正后 幅值裕量 13 7848dB 相位裕量 52 4219 38 图8 11滞后超前校正装置及校正前后系统的伯德图 39 8 2 1状态反馈 状态反馈是将系统的状态变量乘以相应的反馈系数 然后反馈到输入端与参考输入叠加形成控制作为受控系统的控制输入 采用状态反馈不但可以实现闭环系统的极点任意配置 而且也是实现解耦和构成线性最优调节器的主要手段 8 2状态反馈和状态观测器的设计 40 1 全部极点配置 给定控制系统的状态空间模型 则经常希望引入某种控制器 使的该系统的闭环极点移动到某个指定位置 因为在很多情况下系统的极点位置会决定系统的动态性能 假设系统的状态空间表达式为其中A n n B n r C m n引入状态反馈 使进入该系统的信号为u r Kx式中r为系统的外部参考输入 K为r n矩阵 41 可得状态反馈闭环系统的状态空间表达式为 8 12 可以证明 若给定系统是完全能控的 则可以通过状态反馈将该系统的闭环极点进行任意配置 假定单变量系统的n个希望极点为 1 2 n 则可求出期望的闭环特征方程为f s s 1 s 2 s n sn a1sn 1 an这时状态反馈阵K可根据下式求得K 0 01 Uc 1f A 8 13 式中Uc bAb An 1b f A 是将系统期望的闭环特征方程式中的s换成系统矩阵A后的矩阵多项式 42 例8 4已知系统的状态方程为采用状态反馈 将系统的极点配置到 1 2 3 求状态反馈阵K 解MATLAB程序为ex8 4 m 43 执行后得K 124其实 在MATLAB的控制系统工具箱中就提供了单变量系统极点配置函数acker 该函数的调用格式为K acker A b P 式中P为给定的极点 K为状态反馈阵 对例8 4 采用下面命令可得同样结果 A 2 11 101 101 b 1 1 1 rc rank ctrb A b p 1 2 3 K acker A b p 结果显示K 124 44 对于多变量系统的极点配置 MATLAB控制系统工具箱中也给出了函数place 其调用格式为K place A B P 例8 5已知系统的状态方程为求使状态反馈系统的闭环极点为 2 3 1 j 3 2的状态反馈阵K 45 解MATLAB程序为ex8 5 m执行后得K 32 592365 684458 833246 655755 4594111 8348103 680081 0239 46 2 部分极点配置 在一些特定的应用中 有时没有必要去对所有的极点进行重新配置 而只需对其中若干个极点进行配置 使得其他极点保持原来的值 例如若系统开环模型是不稳定的 则可以将那些不稳定的极点配置成稳定的值 而不去改变那些原本稳定的极点 作这样配置的前提条件是原系统没有重极点 这就能保证由系统特征向量构成的矩阵是非奇异的 47 假设xi为对应于 i的特征向量 即Axi ixi 这样可以对各个特征值构造特征向量矩阵X x1 x2 xn 由前面的假设可知X矩阵为非奇异的 故可以得出其逆阵T X 1 且令T的第i个行向量为Ti 且想把 i配置到 i的位置 则可以定义变量ri i i bi 其中bi为向量Tb的第i个分量 这时配置全部的极点 则可以得出状态反馈阵特别地 若不想对哪个极点进行重新配置 则可以将对应的项从上面的求和式子中删除就可以得出相应的状态反馈阵 它能按指定的方式进行极点配置 48 例8 6对于例8 4所示系统 实际上只有一个不稳定的极点1 若仅将此极点配置到 5 试采用部分极点配置方法对其进行 解MATLAB程序为ex8 6 m执行后得K 1 5000 1 5000 6 0000 49 8 2 2状态观测器 1 全维状态观测器的设计极点配置是基于状态反馈 因此状态x必须可量测 当状态不能量测时 则应设计状态观测器来估计状态 对于系统若系统完全能观测 则可构造如图8 12所示的状态观测器 50 51 由上图可得观测器的状态方程为即其特征多项式为f s sI A LC 由于工程上要求能比较快速的逼近x 只要调整反馈阵L 观测器的极点就可以任意配置达到要求的性能 所以 观测器的设计与状态反馈极点配置的设计类似 52 假定单变量系统所要求的n个观测器的极点为 1 2 n 则可求出期望的状态观测器的特征方程为f s 1 2 n sn a1sn 1 an这时可求得反馈阵L为式中 f A 是将系统期望的观测器特征方程中s换成系统矩阵A后的矩阵多项式 53 利用对偶原理 可使设计问题大为简化 求解过程如下 首先构造系统式 8 14 的对偶系统 8 15 然后 根据下式可求得状态观测器的反馈阵L LT acker AT CT P 或LT place AT CT P 其中P为给定的极点 L为状态观测器的反馈阵 54 例8 7已知开环系统其中设计全维状态观测器 使观测器的闭环极点为 2 j2 3 5 55 解为求出状态观测器的反馈阵L 先为原系统构造一对偶系统 然后采用极点配置方法对对偶系统进行闭环极点位置的配置 得到反馈阵K 从而可由对偶原理得到原系统的状态观测器的反馈阵L MATLAB程序为ex8 7 56 执行后得TheRankofObstrabilatyMatrixr0 3L 3 00007 0000 1 0000由于rankr0 3 所以系统能观测 因此可设计全维状态观测器 57 2 降维观测器的设计 前面所讨论的状态观测器的维数和被控系统的维数相同 故称为全维观测器 实际上系统的输出y总是能够观测的 因此 可以利用系统的输出量y来直接产生部分状态变量 从而降低观测器的维数 假设系统是完全能观测器 若状态x为n维 输出y为m维 由于y是可量测的 因此只需对n m个状态进行观测 也就是说用 n m 维的状态观测器可以代替全维观测器 这样观测器的结构可以大大简化 58 8 2 3带状态观测器的状态反馈系统 状态观测器解决了受控系统的状态重构问题 为那些状态变量不能直接量测得到的系统实现状态反馈创造了条件 带状态观测器的状态反馈系统由三部分组成 即原系统 观测器和控制器 图8 13是一个带有全维观测器的状态反馈系统 59 60 设能控能观测的受控系统为 8 21 状态反馈控制律为 8 22 状态观测器方程为 8 23 由以上三式可得闭环系统的状态空间表达式为 61 可以证明 由观测器构成的状态反馈闭环系统 其特征多项式等于状态反馈部分的特征多项式 sI A BK 和观测器部分的特征多项式 sI A LC 的乘积 而且两者相互独立 因此 只要系统 0 A B C 能控能观测 则系统的状态反馈阵K和观测器反馈阵L可分别根据各自的要求 独立进行配置 这种性质被称为分离特性 同理 用降维观测器构成的反馈系统也具有分离特性 62 例8 9已知开环系统设计状态反馈使闭环极点为 1 8 j2 4 而且状态不可量测 因此设计状态观测器使其闭环极点为 8 8 解状态反馈和状态观测器的设计分开进行 状态观测器的设计借助于对偶原理 在设计之前 应先判别系统的能控性和能观测性 MATLAB的程序为ex8 9 m 63 执行后得TherankofControllabilityMatrixrc 2TherankofObservabilityMatrixro 2K 29 60003 6000L 16 000084 6000 64 8 2 4离散系统的极点配置和状态观测器的设计 离散系统的极点配置和状态观测器的设计的求解过程与连续系统基本相同 在MATLAB中 可直接采用工具箱中的place 和acker 函数进行设计 这里不在赘述 65 8 2 5系统解耦 在多变量系统中 如果传递函数阵不是对角矩阵 则不同的输入与输出之间存在着耦合 即第i输入不但会对第i输出有影响 而且还会影响到其他的输出 就给控制系统的设计造成了很大的麻烦 故在多变量控制系统的设计中就出现了解耦控制方法 66 假设控制系统的状态空间表达式为 8 25 其中A n n B n r C m n D m r引入状态反馈 8 26 其中R为r 1参考输入向量 在解耦控制中实际还应要求r m 亦即系统的输入个数等于输出个数 这时闭环系统的传递函数矩阵可以写成 67 若闭环系统的m r矩阵G s 为对角的非奇异矩阵 则称该系统是动态解耦的系统 若G 0 为对角非奇异矩阵 且系统为稳定的 则称该系统是静态解耦的 在给定的控制结构下 若系统的D矩阵为0 则闭环传递函数阵G s 可以简化成 8 28 68 由上式可见 若H矩阵为奇异矩阵 则G s 矩阵必为奇异的 所以为使得系统可以解耦 首先应该要求H为非奇异矩阵 对于给顶系统 状态方程可以写成为其中 69 首先这里将给出能解耦的条件 可以证明 若按下面方法生成的矩阵B 为非奇异的 若取H B 1 则由前面给出的控制格式得出的系统能解耦原系统 8 29 式中C C Cm为C矩阵的行向量 参数d d dm是在保证B 为非奇异的前提下任选区间 0 n 1 上的整数 若确定了di参数 则可以直接获得解耦矩阵 70 例8 11对如下系统进行解耦解MATLAB程序为Example8 11 m 71 执行后可得H 1 00000 1 33330 3333K 1 0000001 66671 33333 0000n1 01 0000 0 0000 0 000000 00000 00000 0000d1 1 0000 0 0000 0 00000n2 000000 00001 00000d2 1 0000 0 0000 0 00000 72 亦即系统解偶后的传递函数阵为解耦控制系统的目的是将原模型变换成解耦的模型 而并不必去考虑变换之后的响应品质 因为响应品质这类问题可以在解耦之后按照单变量系统进行设计补偿 单回路的设计当然可以采用单变量系统的各种方法 例如可以采用超前滞后补偿 PI设计以及PID设计等 并能保证这样设计出来的控制器不会去影响其他回路 73 8 2 6状态估计器或观测器 假设控制系统的状态空间表达式为函数estim 将生成下述状态和输出估计器 74 在MATLAB中 函数estim 的调用格式如下est estim A B C D L 其中A B C D为系统系数矩阵 L为状态估计增益矩阵 状态估计增益矩阵L可由极点配置函数place 形成 或者由Kalman滤波函数kalman生成 利用以上命令可生成给定增益矩阵L下的状态空间模型A B C D的输出估计器est 75 例8 13利用例8 7所得的状态观测器的反馈阵L 求其系统的状态估计器 解MATLAB程序为 A 010 001 6 11 6 b 0 0 1 C 100 L 3 7 1 est estim A b C 0 L 执行后得est 3 00001 00000 7 000001 0000 5 0000 11 0000 6 0000 76 8 2 7系统控制器 假设控制系统的状态空间表达式为利用函数reg 可生成下述控制器 77 在MATLAB中 函数reg 的调用格式为est reg A B C D K L 其中A B C D为系统系数矩阵 K为状态反馈增益矩阵 L为状态估计增益矩阵 利用以上命令可生成给定状态反馈增益矩阵K及状态估计增益矩阵L下的状态空间模型A B C D的控制器est 假定系统的所有输出可测 78 例8 14利用例8 7所得的状态观测器的反馈阵L 求其系统的控制器 假设状态反馈阵K 124 解MATLAB程序为 A 010 001 6 11 6 b 0 0 1 C 100 K 124 L 3 7 1 est reg A b C 0 K L 执行后得est 310 701 4 13 10 79 8 3最优控制系统设计 MATLAB控制系统工具箱中也提供了很多函数用来进行系统的最优控制设计 相关函数如表8 3所示 80 8 3 1状态反馈的线性二次型最优控制 设线性定常系统的状态空间表达式为 8 31 式中A n n B n r C m n并设目标函数为二次型性能指标 8 32 式中Q t 为n n半正定实对称矩阵 R t 为r r正定实对称矩阵 一般情况下 假定这两个矩阵为定常矩阵 它们分别决定了系统暂态误差与控制能量消耗之间的相对重要性 S为对称半正定终端的加权阵 它为常数 81 当x tf 值固定时 则为终端控制问题 特别是当x tf 0时 则为调节器问题 当t0 tf均固定时 则为暂态过程最优控制 最优控制问题是为给定的线性系统式 8 31 寻找一个最优控制律u t 使系统从初始状态x t0 转移到终端状态x tf 且满足性能指标式 8 32 最小 它可以用变分法 极大值原理和动态规划等三种方法中的任一种求解 这里我们采用极大值原理求解u t 82 MATLAB的控制系统工具箱中也提供了完整的解决线性二次型最优控制的函数 其中命令lqr 和lqry 可以直接求解二次型调节器问题及