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文档简介
1、第8章 系统形状空间分析法8.4节和8.5节内容n系统特征方程及解n关于系统类似变换n关于系统可观性、可控性判别的n形状反响极点配置n形状观测器8.1 系统形状方程的解n形状转移矩阵)(11AsILetAt假设形状方程是齐次的,即有:)0()(xetxAxxAtd)(BueXe) t (Xt0)t (A0AtEX1a=0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6;x0=1;1;1;t=0:0.1:10;for i=1:length(t) x(:,i)=expm(a*t(i)*x0;endplot3(x(1,:),x(2,:),x(3,:);grid onAxx 1110 x6116100010A
2、系统的特征方程、特征值及特征向量n特征方程:|sI-A|=0n特征值及特征向量:V,D=eigA特征向量矩阵特征值矩阵A*V = V*DEX2 知控制系统求控制系统的特征方程A=2 1 -1;1 2 -1;-1 -1 2;I=1 0 0;0 1 0;0 0 1;syms s %符号计算det(s*I-A)s=solve(det(s*I-A) %求解ans = s3-6*s2+9*s-4s = 4 1 1211121112AEX2 求控制系统的特征值及特征向量V = -0.4082 0.7071 0.5774 -0.4082 -0.7071 0.5774 -0.8165 0 -0.5774D =
3、 1.0000 0 0 0 1.0000 0 0 0 4.0000V,D=eig(A)Veig=inv(V)*A*VVeig = 1.0000 0 -0.0000 -0.0000 1.0000 0.0000 -0.0000 0 4.0000符号计算Symbolic Toolboxans = 4 1 1eigensys(A)特征值及特征向量s=determ(s*I-A) s = s3-6*s2+9*s-4矩阵行列式的值EIGENSYS Obsolete Symbolic Toolbox function. V,D = EIGENSYS(A) is the same as V,D = eig(sy
4、m(A)8.2 传送矩阵GCsI-A-1B+DA=0 1;0 -2;B=1 0;0 1;C=1 0;0 1;D=0;syms sI=1 0;0 1;G=C*inv(s*I-A)*BG = 1/s, 1/s/(s+2) 0, 1/(s+2)8.3 线性变换n形状方程的线性变换n ss2ss(sys,T)DuzCTyuTBzTATz11DuCXyBuAXXDuZCTyBuZATZT111DuZCyuBZAZ11CTCTBBTATATxz zTx1EX3A=0 -2;1 -3;B=2 0;C=0 3;P=6 2;2 0;%变换矩阵变换矩阵x=PzP1=inv(P);A1=P1*A*P %z坐标系的模
5、型坐标系的模型B1=P1*BC1=C*PA1 = 0 1 -2 -3B1 = 0 1C1 = 6 0The eigenvalues of system are unchanged by the linear transformation: (线性变换不改动系统的特征值)det()det(AsIAsI约当规范形ncanon(sys,model)ncanon(sys,companion)EX4利用特征值及范德蒙特矩阵求约当阵A=0 1 0;0 0 1;2 -5 4;V,D=eig(A)P=1 0 1;1 1 2;1 2 4P1=inv(P);J=P1*A*PV = -0.5774 0.5774 -
6、0.2182 -0.5774 0.5774 -0.4364 -0.5774 0.5774 -0.8729D = 1.0000 0 0 0 1.0000 0 0 0 2.0000P = 1 0 1 1 1 2 1 2 4J = 1 1 0 0 1 0 0 0 2符号计算Jo=jordan(A)Jo = 2 0 0 0 1 1 0 0 18. 4 系统的可控性和可观性MATLAB提供函数分别计算能控性矩阵和能观测性矩阵可控性矩阵CO=ctrb(A,B)可观测性矩阵OB=obsv(A,C)BABAABBCO1n21n2CACACACOB可控性断定A=1 1 0;0 1 0;0 1 1;B=0 1;1
7、 0;0 1;n=length(A)CO=ctrb(A,B);rCO=rank(CO);if rCO=n disp(System is controllable)elseif rCOn disp(System is uncontrollable)end n = 3 CO = 0 1 1 1 2 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 2 1 rCO = 2 System is uncontrollable可观测性断定A=-3 1;1 -3;B=1 1;1 1;C=1 1;1 1;D=0;n=length(A);OB=obsv(A,C);rOB=rank(OB)if rOB=n disp(S
8、ystem is observable)elseif rOBn disp(System is unobservable)endOB= 1 1 1 1 -2 -2 -2 -2rOB = 1System is unobservable可控规范形bAbAAbbS1n2假设S为非奇特,逆矩阵存在,设为TnT2T11ssscS那么,变换矩阵为P1nTnTnTnAsAssPA=-2 2 -1;0 -2 0;1 -4 0;B=0 1 1;n=length(A);CAM=ctrb(A,B);if det(CAM)=0 CAM1=inv(CAM);endP=CAM1(3,:);CAM1(3,:)*A;CAM1(
9、3,:)*A*A;P1=inv(P);A1=P*A*P1B1=P*BA1 = 0 1 0 0 0 1 -2 -5 -4B1 = 0 0 1可观测规范形那么,变换矩阵为M=PTT1nTTTTCACACV)(假设V为非奇特,逆矩阵存在,设为1nTTnTT2T11AvAvvV)(cMcAMMA18.5 系统形状反响与形状观测器利用反响构造,研讨在什么条件下能实现闭环系统极点的恣意配置,以到达预期要求。形状反响与形状观测器原理参见Module24,2524.1 The Structure of State Space Feedback Control形状反响控制的构造形状反响控制的构造CXyBuAXX
10、u0 AsI1. State Variable Feedback Control SystemCXyBrxBGAGxrBAXX)()(0)(BGAsI,21ngggGn the number of state variableIf the desired location of the closed-loop poles are , the desired characteristic equation will be n,210)()(21nsssThe eigenvalues of the closed-loop system will be given by),(0)(21ngggGBG
11、AsI0)()()(21nsssBGAsIletWeWe can obtained , to make the closed-loop poles to be located in desired position.), 2, 1(nigiThe principle of designing a state space controller 2. The sufficient and necessary condition of state feedback for closed-loop placement: (形状反响实现极点配置的充要条件The state variables of sy
12、stem are all controllable.25.1 Observer A model of the system under studyP550 Section 2The approach taken to solve the problem is as following :To construct a model of the system under study;Assume (subject to certain restrictions ) that the computed state variables are good approximations to the tr
13、ue state variables;From these computed state variables, a suitable controller for the actual system may be constructed using the techniques described in Module 24. CXyBuAXXuWhere, x are assumed to be unmeasured directly.形状观测器设计uuBAxxCyNow, we construct a model to simulate the origin system , and ass
14、ume the parameter matrix are good approximations toCBA,CBA,CBA,CBA,CXyBuAXXCBAModelXCyuBXAXCBAModeltoEquals,But in model is different from in the origin system ,because is/are unmeasured directly. xxCBA,0 x is called the estimated value of .xxTo decrease the error , ( that is error ), we take to cor
15、rect to make well approach : xyyxxyyxxu)2()() 1 (XCyXCKKCXuBXAyyKuBXAXCXyBuAXX)(: )2() 1 (;XXKCAXKCKCXXAAXXXCCBBAAwheneKCAethenXXename)(,Select the matrix K to make the solution of this equation on error be convergent (收敛的), then, XXore , 0)(:XXKCAXXObserverThe gain matrix K is written as: nkkkK21Th
16、e closed-loop poles of this model (observer) can be selected by selecting the gain matrix K , so that the state variables will be same as in the end.Hence, we can use as the state variables in the state variable feedback system.XXXq The closed-loop system with observerBC AsI+uxyBC AsI+x y K-G-r+形状观测器形状反响25.2 The sufficient and necessary condition of constructing a state variable observerThe state variables of system are all observable.Observability criterion:A system A, C is state observable if and only ifnCACACACrankn12参见539页POLE PLACEMENT VIA AKER
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