六最小维状态观测器

1、六、最小维状态观测器六、最小维状态观测器0:(52 9 )fngemrrrprqlrlqzzuywzy 上一节研究了kx观测器的一般形式：根据定理(5-12)，存在rn 矩阵p ,使得 k=ep+mc根据定义5-1，k=i 时称（5-29）为状态观测器。21. 1.状态观测器的维数状态观测器的维数 现在提出的问题是：状态观测器的维数 r 是否可以降低？可能的最小值是多少？因为维数的降低，意味着观测器可具有较为简单的形式，从而使工程实现更加方便。因此研究降维状态观测器以及最小维状态观测器的设计问题就成为观测器理论的重要课题之一。 考虑 n 维线性时不变动态方程 abc xxuyx若假定rankc

2、=q，那么输出y实际上已经给出了部分状态变量的估计。显然，为了估计全部状态，只须用一个低阶的观测器估计出其余的状态变量就可以了，也就是说，状态观测器的维数显然可比n低。定理定理5-17 若系统（a, b, c）可控可观测，且 rankc=q 则系统的状态观测器状态观测器的最小维数是 nq证明 根据观测器的结构条件（参见定义5-1和定理5-12），对于状态观测器要求pk=epmcemicn其中p是rn阵，且满足pafp=gc。要使上式有解，应有 pcran kn故p的最小维数 rmin=nqcrankqpranknq而已知所以注：注：定理5-12的证明中没有用到 (a, c) 可观测的假设。但下

3、面的分析将表明，只有 (a, c)可观测方可保证所设计的状态观测器之（f, e)可观测。又因为prn的行数与观测器的维数 r 必须一致，故知r=nq 这就是观测器的最小维数。 证完。证完。 2. 最小维数状态观测器的构造最小维数状态观测器的构造 不妨假定c=c1 c2，这里c1,c2分别是qq和q(nq)矩阵，而且rankc1=q。 分以下几个步骤来具体建立最小维数的状态观测器。1）取等价变换 ，变换矩阵 t 定义为p14 txx1112112100cccc cttiin qn q显然t是满秩的。这时（542）式可化为 11111212221222(543)baabaaxxuxx1110cct

4、 tctiqyxxxxx特点：特点：经变换后，有 显然输出 y 直接给出了 ，状态估计的问题就化为只需对nq维向量 进行估计就可达到状态重构的 目的。 1x2x1，yx2222212111221aabaabxxyuyyxu2）导出关于 的状态方程和输出方程，为进一步构造状态观测器作准备。为此，将(5-43)重新写成：2x记 111abyyyu：812 2ayx则于是我们得到222 221212 2()aabaxxyuyx(5-44)或者进一步写成 如下nq 维系统：2222212122aababcayxxxxuuyxyx 因此，我们只要构造上述系统的观测器就可以了。立即会产生的问题是：2212

5、(,)aa是否可观测？因为根据定理5-10，这是上述系统全维观测器存在并可任意配置极点的充要条件。我们有引理引理 若（a，c）可观测，则 也可观测。 2212()aa,证明：考虑下列pbh检验矩阵：对任意的s，它列满秩的充要条件是后nq列也满秩。但2212()aa,即 可观测。证完。证完。12122222221200iaaaiiaiaiasrankrankrankss111221220aiaa- iaaiciqsss 列n q2222212122yxxxxuuyxyx aababca22221222122()bag aabguyxxyu 3）建立nq 维系统的全维（nq）状态观测器 根据全维状

6、态观测器的一般方程，可立即写出它的观测器方程为：111abyyyu将代入上式，得到1212222221222122111()()aag aabgabxxxyuyyu或：222122222122111()()ag aabgagbxyxuyyu22gzxy得到2221222121211222122()()()()545ag abg bag aag aguzzy（）记p14讨论：讨论：a）因为111yyyuab：其中包括了y 的微分。为了避免经微分将 y 中的噪声放大，故有以上变换。b）令 222:xxx2222122()ag axx故只要设计g2，使得上述系统矩阵所有特征值有负实部，就有222:0

7、 xxx则容易验证1220igiqn qyxzx 根据前面的分析，我们有p124）最后，求状态 x 的估计 ： x22gxxyxzy1111 ttxy xxxxxx1这就是 的估计，其中 = ,事实上无须估计。再由，可知给出了 的估计 ：p6151111221111222122122200()()qn qqqqyxzyzyzzyzy icc cemgiicic gccic gc cggi i将其写成观测器的标准形式，并与kx观测器(5-29)相比较：11121222()(5 46)qn qxwzyemc ccic gig 2221222121211222122()()()()(545)zzuy

8、fngag abg bag aag ag 我们看到，这是一个状态观测器，但不是一个n维状态观测器，而是一个nq维的状态观测器，因为 rn qz。111112200qnqqyxz icccgiit t注意：注意：讲义中也可以写成11112200qnqqzxy icccigin-q 维维( (最小维）状态观测器结构图最小维）状态观测器结构图221()bg bu22212()ag a zz112c cin q21211222122()()ag aag agy11222()c icggqwxgnfem0:(52 9 )fngremrnqnzzuywxzy 进而，可以验证式（5-45）及式（5-46）的

9、系数矩阵满足定理5-12的条件（5-32）：0:(52 9 )fngemrrrprql rl qzzuywzy成为（a, b, c）的 kx 观测器的充要条件为存在rn 矩阵p，使得下列条件满足(1) re( )0(1,2, )(2)(3)(4)fpafpgcnpbkepmciirl定理定理5-12 若（a, b）可控，（f, e）可观测，则222122212(1)()fag aaa稳定(因为（，）可观测）；(2)pafp=gc验证：2pgit 为此，取。则n q所以：222ppgitgign qn qxxxy x 2+2222)pggx zy xxyxx 22-+-(021为此，考虑1112

10、22221222122()aagiag agiaa n qn q1111pafptpt tatfpt（）=2112121222222122()g aag aaag agi n q21121222122()011gctg aaag aggctgi0 =n q120(4)2-1ptc-g iipep+mc= em=tt=ii0igck=i q1222(3)bnpb=gitb=gibn qn q；其中，用到了23 emzy111111211112122000temttiicc ctigigi qqn qn qqxxxxzzyy 事实上，若假定（a, b）可控，定理5-12的基本条件：(a, b）可控

11、、 可观测(这由定理5-17（a,c)可观测的假设保证）满足。此时，根据定义5-1可知，当k=i时就构成了一个(n-q)维的状态观测器，而定理5-17表明，它是一个最小维观测器。2212(,)aa定理定理5-185-18 若（a, c）可观测，rankc=q，则对 (a, b, c）可构造 n-q 维状态观测器（5-45）、（5-46），而且观测器的极点可任意配置。若再假定（a, b）可控，则该观测器具有最小维数。结论结论: 以上分析表明，(5-45)、(5-46)确实给出了一个n-q 维的状态观测器。而由定理5-17，这是一个最小维观测器。于是有如下定理：例例5-10 设系统如下：10010

12、100011 ,01 ,01100101abc因rank c=2，故可设计一维观测器。为此，首先作变换：1100100011 ,011001001tt则10010100011 ,02 ,01000101abc111221221212100001011101000102010 aaaabbcc因此，2121212, : ,ttggyy yuu u令g g22212221212112221221 122121 21222(1()()()(1)2)(2)()ag abg bag aag agzg zg ugzuugg g ygyy利用(5-45)12可得一阶状态观测器为：利用(5-46)12，可得111212221212()010111qn qxwzyzgg ygg c ccic gig 最后，需要指出，kx观测器的维数可能会比 nq 低，究竟低到什么程度则尚不清楚。最小阶 kx 观测器的设计仍是一个困难的问题。例题例题 系统方程为2100002100001 1010001100000 10 abc可以证明，当取 k= 0 1 0 1 时（此时的k可用作状态反馈配置极点，下一节中将分析），kx观测器为3