计算机控制系统第四章1ppt课件

1、第4章 基于状态空间模型的极点配置设计方法基于状态空间模型设计控制系统方法： 1、极点配置方法*-设计控制规律 设计观测器 2、最优设计方法-最优控制和最优估计，即LQGLinear Quadratic Gaussian设计问题。 *设计方法基本思路：目的极点）模型设计4.1 连续控制对象模型的离散化一、不带延时的连续控制对象模型的离散化)()()()()(tCxtytButAxtx （1）设连续控制对象的模型可用如下的状态方程描述：其中设 x 为 n 维状态向量，u 为 m 维控制向量，y 为 r 维输出向量。设在连续的对象前面有零阶保持器，即TktkTkutu) 1( )()(（2）将控制

2、对象与保持器一起进行离散化处理，得到离散系统模型。对式1求解：BuAxx两边同乘 ，得到AteBueAxxeAtAt)(由于)()(txedtdAxxeAtAt于是BuetxedtdAtAt)(两边积分，有：ttAAttdBuedxedd00)()(其中)()( )()( )(00000txetxexexeddxeddAtAtttAttAAtt因此，有：ttAAtAtdBuetxetxe00)()()(0两边同乘 ，有：tttAttAdBuetxetx00)()()()(0)(Ate（3）令 ，由2式，得TktkTt) 1( ,0TkkTTkTAATkBudekxekx)1()()()() 1

3、(（4）令 ，（4式化为：)()() 1(kGukFxkx（5）TkTt其中TAtATdtBeGeF0 ,（6）式1中，输出方程的离散形式为：)()(kCxky（7）故连续模型等效离散状态方程是：)()()()() 1(kCxkykGuxFxkx（8）二、包含延时的连续控制对象模型的离散化)()()()()(tCxtytButAxtx（1）设连续控制对象的模型为：其中设 x 为 n 维状态向量，u 为 m 维控制向量，y 为 r 维输出向量， 是控制作用的延迟时间即：各控制量延时时间相等）。0 0 lTmmlT含义：延迟时间不一定是采样周期的整数倍。设的整数TktkTkutu) 1( )()(

4、（2）零阶保持器：式1解为：（3）上式中，令 ，那么设 ，并将2式代入，有tttAttAdBuetxetx00)()()()(0)(TktkTt) 1( ,0TkkTTkTAATdBuekxekx)1()()()() 1(（4）T0 ,TkTTAATTAATdmlTTkTBuekxedTkTBuekxekx00)()( )()() 1(（5）（一当 时：)()()(lkulTkTuTlTkTu0m)()( )()() 1( 0lkGukFxlkBudekxekxTAATutK-lK-l+1T（6）) 1()( ) 1()()()(21kukxlkukxlkukxlnnn写成标准形式：令增广状态

5、令)( )()()(1kxkxkxkxlnn那么6式变为：)()() 1(kuGkxFkx（7）其中000000000000IIGFFIG000（8）( )( )( )y kCx kCx k式1中的输出方程离散化为：（9）其中0CC 于是，有(1)( )( )( )( )x kFx kGu ky kCx k（10）m0Tm0（二当 时：0m由5式：TAATdmlTTkTBuekxekx0)()() 1(当 时，) 1()()(lkuTlTkTumTlTkTuutK-lK-l+1Tk-l+2TmTmT0当 时，)()()(lkulTkTumTlTkTuutK-lK-l+1Tk-l+2) 1()(

6、)( )() 1()() 1(0lkuGlkuGkFxlkBudelkBudekxekxbaTmAmAAT所以，有（11）其中mAbTmAaATBdeGBdeGeF0（12）上式说明， 的求解最终归结为计算矩阵指数及其积分。若令：tAAtBdetGetF0)( ,)(则式12可以写成：)()()()(000)(mGBdeGmTGmFBdeeBdeBdeGTFeFmAbTmmTAmAmTmAAaAT)( m令baGGF、（13）通过增广矩阵将11式写成标准离散状态方程的形式：（1l = 1时：式11变为：)() 1()() 1(kuGkuGkFxkxba（14）令) 1()(1kukxn那么)(

7、)()(00) 1() 1(11kuIGkxkxGFkxkxbnan（15）上式中令：IGGGFFkxkxxban ,00 ,) 1() 1(1同时令：0CC 则标准离散状态方程为：(1)( )( )( )( )x kFx kGu ky kCx k（16）（2l 1时：令) 1()( ) 1()()()(21kukxlkukxlkukxlnnn得到标准离散状态方程如式16），即(1)( )( )( )( )x kFx kGu ky kCx k其中0000000000000IIGGFFba)()()()(1kxkxkxkxlnnIG0000CC （17）三、矩阵指数及其积分的计算TAtATdtB

8、eGeF0 ,1、拉氏变换法可以证明：11()AteLsIA因此，求F、G的步骤如下：（1求得 的逆矩阵（2取其拉氏反变换，获得（3求 F 和 G)(AsI 1)( AsIAte( )01( )ttyx求离散状态控制模型。解：离散状态空间表示为)()()()() 1(kCxkykGuxFxkxTAtATdtBeGeF0 ,10 ,01 ,0101CBA101( )( )( )100ttt xxu采用拉氏变换法计算矩阵F和G：111001()111(1)sssIAsss s110TTATeeeF00110101001111tTTTTAttTTeeeGe dtBdteTeTTe 2、幂级数计算法

9、Ate的幂指数形式为 ! 3! 23322tAtAAtIeAt令 ! 4! 3! 2433220TATAATITdteHTAt于是223322302!3! 2!3! ATTAtA TA TFeIATATA TIA ITIAe dtIAH4.2 按极点配置设计控制规律图 11、 ，为调节系统2、 ，为跟踪系统0)(kr0)(kr首先研究调节系统，然后引入参考输入r(k)，研究跟踪系统。D(z)G(z)r(k)y(k)图 1u(k)控制对象控制规律y(k)图 2u(k)x(k)控制对象观测器y(k)图 3u(k)控制规律控制器)( kx设控制规律反馈的是实际对象的全部状态，而不是重构的状态。)()

10、() 1(kGukFxkxmnRuRx ,控制对象的状态方程为：（1）其中设控制规律为线性状态反馈，即)()(kLxku问题：设计反馈控制规律 L，以使得闭环系统具有所需得极点配置。（2）)()() 1(kxGLFkx0GLFzI将2式代入1式，得到闭环系统状态方程为：（3）闭环系统得特征方程为：（4） 设给定所需要的闭环系统的极点为 ，则闭环系统的特征方程为:), 2 , 1(nii0 )()()(1121nnnnczzzzzz（5）于是，有)(zGLFzIc（6） 上式展开，通过比较 z 的同次幂的系数，可以得到 n 个代数方程：（1对于单输入系统，可以得到L的唯一解；（2对于多输入系统m

11、1），反馈系数阵L共有mn个未知数，而总共 只有n个方程，因此需要附加其他限制条件如输出解耦、干扰解 耦等），才能完全确定控制规律L。 可以证明，对于任意极点配置，L具有唯一解的充分必要条件是控制对象完全能控，即nGFFGGrankn1（7）物理意义： 只有当系统的所有状态都是能控的，才能通过适当的状态反馈控制，使得闭环系统的极点放置到任意指定的位置上。问题：（1如何根据对系统性能的要求来合适地给定闭环系统的极点。（2如何计算L。问题1的解决：1由s平面给出极点，由 求出Z平面中的极点。), 2 , 1(niezTsii2将所有极点放置在原点，即令 ，从而变成最小拍控制。nczz )(3对于二

12、阶系统，由 和 给出阻尼系数 和无阻尼震荡频率 ， 再求出 ，从而得到Z平面极点分布。%sTnnnjs22, 114高阶系统采用二阶模型，即根据性能指标的要求给出一对主导极点， 将其余极点放置在离主导极点很远的位置。5采用高阶标准传递函数模型，如 Butterworth 模型和 ITAE 模型。问题2的解决：1直接展开6式左边行列式，通过方程两边z系数比较求得L中的 各个元素。2计算机辅助求解算法。对式1进行非奇异变换：)()(kPxkx（8）使控制对象的状态方程变成能控标准形，即)()() 1(kuGkxFkx（9）其中1110 0aaIPFPFnn100PGG（10）对于新的状态 ，式2所

13、示的控制规律为：)(kx)()(kxLku（11）其中1 LPL（12）将11式代入9式，得到)() 1(kxHkx（13）其中)()(0 0111nnnLaLaILGFH（14）则闭环系统的特征方程为：0)()(111LazLaznnnn（15）式15与式5比较，得到111 , ,aLaLnnn（16）其向量形式为： 1111aaaLnnnn（17）于是，反馈系数阵为：PLL （18）计算非奇异矩阵 P ：npppP21令), 2 , 1(nipi是矩阵 P 的第 i 个行向量。（19）由式10的第一个等式，有PFPF nnnnpppaaIFpFpFp2111210 0即（20）111213

14、221 nnnFppFpFppFppFp将上式展开，得到（21）将上式代入19式，得到：1111nFpFppP（22）由式10第二个等式，有1001111GFpFGpGpPGGn（23）两边转置，得到10011GFFGGpn（24）于是，11 EMp其中GFFGGMEn 1100（25）（26）将式17）（22）（25代入式18），参考式10），得到 100 100 100 11111111111111111111111111111nnnnnnnnnnnnnnnnnnFFFIEMFFEMFEMEMFFIEMPPFPFEMFEMEMPFFEMFEMEMPaaaPL（27）参考26式及式5），最后

15、得到)( 10011FGFFGGLcn（28）此即为利用极点配置设计控制规律的计算机求解算法。1/s1/suyx 1yx2sTn1 . 0 , 6 . 3 , 5 . 0要求按调节系统，用极点配置设计方法设计状态反馈控制规律。解：（一求离散化状态方程由图，控制对象状态方程为：BuAxx其中10 0010 21BAxxx离散化状态方程为：)()() 1(kGukFxkx利用级数求和法，得到101 . 01ATeF1 . 0005. 00TAtdtBeG（二闭环系统特征方程S平面的两个极点为：12. 38 . 1122, 1jjsnn利用 ，求得Z平面得两个极点为：sTez 9 .172, 183

16、5. 0jez于是，闭环系统得特征方程为：7 . 06 . 1)()(221zzzzzzzc（1）（三反馈控制规律设状态反馈控制规律为：21LLL 则闭环系统特征方程为：11 . 0005. 0)2005. 01 . 0( 1 . 0005. 0101 . 011001)(2112221LLzLLzLLzGLFzIzc（2）（1）（2两式比较，得到：7 . 011 . 0005. 06 . 12005. 01 . 02112LLLL解方程组，得到5 . 3 ,1021LL于是得到5 . 310L（四利用求求解算法直接求解计算机编程求解）5 . 310 )7 . 06 . 1( 10 )( 10

17、211IFFFGGFFGGLc4.3 按极点配置设计观测器问题的提出：不可能直接反馈系统的全部状态尤其对于高阶系统）。解决的方法： 找到一种算法，利用输入量及其可量测得输出量来重构系统的全部状态（ ），让 替代 。)( ),(kxkx)( )(kxLku)()(kLxku观测器：根据输出量来重构系统状态的算法。模型F,Gu(k)y(k)( kyCx(k)()()()() 1(kCxkykGukFxkx图1开环观测器一、开环观测器对象F,GC)( kx)0(x)0( x控制对象：（1）其中rmnRyRuRx , ,则开环观测器方程为：)()( ) 1( kGukxFkx（2）（1初始条件相等，即

18、 ，则状态重构为：)0()0( xx)()( kxkx（2初始条件不相等，即)0()0( xx有)( )()(kxkxkx（3）（1式中第一式减去2式，有)() 1(kxFkx（4）结论：只要控制对象稳定，即F特征值均在单位圆内，则即使状态初始值 不相等，即 ，经过一段时间，仍然有：)0( )0()0(xxx0)( )()(kxkxkx故 可以作为 x(k) 的状态重构。)( kx问题：（1状态重构误差的动态特性取决于系数矩阵F，不能按需要进行调整。（2F具有不稳定的特征根时，不能采用该类型的状态观测器。（3即使F的特征根在单位圆内，它也往往不具有好的动态特性。缘由：只利用了输入量及模型参数，

19、而没有利用可以量测到的输出量信息。解决方法：充分利用输入量、模型参数和输出量信息，对开环观测器进行重构。模型F,Gu(k)y(k)( kyCx(k)图2 预报观测器对象F,GC)( kxK+_二、预报观测器由图2，可以写出观测器方程为：)( )()()( ) 1( kxCkyKkGukxFkx（5） 上式中，（k+1时刻的状态重构 只利用到了kT时刻的量测量y(k)，因此称式5为“预报观测器”，其中K称为观测器增益矩阵。) 1( kx控制对象状态方程1式与5式相减，得到状态重构误差方程为：)( )( )()( )( )( )()()( )()( ) 1( ) 1() 1(kxKCFkxkxKC

20、kxkxFkxCkCxkkGukxFkGukFxkxkxkx（6）分析：（1状态重构误差的动态特性取决于系数矩阵F-KC，而K可调；（2F具有不稳定的特征根时，可通过适当调整K使状态可以重构。（3设计预报观测器的关键在于合理选取观测器的增益矩阵K。求预报观测器的增益矩阵K：状态重构误差的特征方程观测器的特征方程为：0KCFzI（7）其根分布决定观测器性能。给定观测器特征方程的根为 ，则特征方程为：), 2 , 1(nii0 )()()(1121nnnnezzzzzz（8）于是)(zKCFzIe（9） 展开行列式，比较两边z的同次幂的系数，则一共可以得到n个代数方程： （1对于单输入系统r=1）

21、，一般情况下可以获得唯一解；（2对于多输入系统r1），共有nr个未知数，而总共只有 n个方程，故需加限制条件。对于单输入系统可以证明：K具有唯一解的充分必要条件是系统完全能观，即nCFCFCrankn1（10）物理意义： 系统完全能观时，才能通过适当选择增益矩阵K，利用输出量来调整各个状态重构跟随实际状态的响应性能。问题：（1如何给定观测器极点以后讨论）（2如何计算增益矩阵K问题2的解决：（a根据9式，展开左边行列式，通过比较z的同次幂的系数，求出K 的各个元素。（b计算机辅助求解算法。方程9左边矩阵转置转置后行列式不变），故9式变为：)(zKCFzIeTTT（11）将上式与上节6式比较：)(

22、zGLFzIc上节6式)(zKCFzIeTTT)(zGLFzIcFTFGTCLTK)(zc)(ze)( 10011FGFFGGLcn由上节表达式28），即得到：)()( 10011TeTnTTTTTFCFCFCK（12）两边转置，得到：100)(11neCFCFCFK（13）算法完毕。系统能观解：)()()()() 1(kCxkykGukFxkx01 1 . 0005. 0 101 . 01CGF)( )()()( ) 1( kxCkyKkGukxFkx其中设计预报观测器。预报观测器方程为：将观测器的极点配置在原点，那么2)(zze令21kkK于是：221122121)( )1 . 01 ()

23、2( 11 . 01 01100.111001 zzkkzkzzkkzkkzKCFzIe通过系数比较，得到增益矩阵K：10221kkK（一系数比较法（2计算机辅助求解法1021010)(12121CFCFCFCzkkKe三、现时观测器 由预报观测器方程：)( )()()( ) 1( kxCkyKkGukxFkx可知，状态反馈 中，只包含了前一时刻的输出量信息)( )(kxLku) 1( ky，输出信号将不能得到及时的反馈。当采样周期较长时，将影响系统性能。为此，采用如下观测器结构：)1() 1() 1() 1( )()( ) 1(kxCkyKkxkxkGukxFkx（14）（15）此即为现时观

24、测器方程。适用范围：计算延时 （观测器计算与采样周期T相比很小时， 采用现时观测器。求取增益矩阵K：状态重构误差方程为：)( )( )()( )( )()( )()( )()( )()( ) 1() 1() 1()()( ) 1( ) 1() 1(kxKCFFkxkxKCFkxkxFkCGukxCFkCGukCFxKkGukxFkGukFxkxCkCxKkxkGukFxkxkxkx（16）特征方程为：0)(zKCFFzIe（17） 对于单输入系统，K具有唯一解的充分必要条件是系统完全能观，即10式成立。K 的求解方法：（一系数比较法： 将17式展开，通过z的同次幂系数比较，得到n个方程组成方程

25、组，通过解方程组求得增益矩阵K； （二计算机辅助求解算法式9与式17式相比，只是用CF代替C，故参照式13），得到：100)(12neCFCFCFFK（18）四、降阶观测器 前两种观测器为全阶观测器，即观测器阶数等于状态个数。如果输出量是状态的一部分，则没有必要再对它进行重构，只需根据能量测的部分状态重构不能量测的状态，即降阶观测器。 但是，如果可量测的部分包含有严重的噪声，则可采用全阶观测器重构出全部状态，因为观测器起到了滤波的作用。状态向量为：)()()(kxkxkxba（19） 其中 表示能够量测的部分状态，即Y(k)； 表示重构的部分形状，则状态方程为：)(kxa)(kxb)( )()() 1() 1(kuGGkxkxFFFFkxkxbababbbaabaaba（20）)()(0)(kxkxIkyba