自动控制理论及应用 课件 刘妹琴 第6、7章 连续控制系统的状态空间法、离散控制系统分析与设计

第6章连续控制系统的状态空间法《现代控制工程》本章引言2现代控制理论以状态空间法为基础，用时域法或者频域法来研究系统的动态特性，并以状态空间描述作为数学模型。本章将具体讨论连续控制系统的状态空间法，首先分析连续系统的能控性与能观性，然后介绍连续系统的结构分解，给出连续系统的状态反馈控制器、状态观测器的设计方法。

6.1连续系统的能控性与能观性分析16.2连续系统的线性变换与结构分解26.3连续系统的状态反馈控制器设计36.4连续系统的状态观测器设计43第6章

连续控制系统的状态空间法6.1连续系统的能控性与能观性分析4在现代控制理论中，能控性和能观性是两个重要的概念，是卡尔曼（Kalman）在1960年首先提出来的，它们是最优控制和最优估计的设计基础，分别揭示了系统的控制量对状态的支配能力和输出量对状态的测辨能力。现代控制理论是建立在状态空间描述的基础上的。在系统的状态空间描述中，引入了表征系统运动信息的状态量，有两个问题必然会引起人们的关心，其一是系统能否在合适的控制量作用下在有限的时间间隔内从任意的初始状态运动到希望的终止状态；其二是根据有限时间间隔内的输出量的测量值能否确定出系统的状态值。这就是系统的能控性和能观性问题。6.1连续系统的能控性与能观性分析5一.系统能控性和能观性的直观示例二.连续系统能控性及其判据三.连续系统能观性及其判据四.对偶原理一.系统能控性和能观性的直观示例6为了对系统的能控性和能观性概念有一个初步理解，首先通过几个具体的例子来直观地说明它们。【示例1】考虑线性系统当线性系统为

一.系统能控性和能观性的直观示例7【示例2】考虑线性系统当线性系统为

一.系统能控性和能观性的直观示例8

图6-1示例3的电路及其状态变量图（a）电路；（b）状态变量图可写出系统的状态方程为一.系统能控性和能观性的直观示例9

图6-2示例4的电路及其状态变量图（a）电路；（b）状态变量图系统的状态方程为输出方程为二.连续系统能控性及其判据101.能控性定义

线性时变连续系统的状态方程为零输入分量零初值分量二.连续系统能控性及其判据11

二.连续系统能控性及其判据12

关于状态能控及系统能控的定义，有如下几点值得注意：

二.连续系统能控性及其判据132.能控性基本判据

是状态在能控子空间上的投影向量，为状态的能控分量；

状态空间内的任一向量x都可以表示为在上述两个子空间的投影向量之和，即：

是状态在正交补空间上的投影向量，为状态的不能控分量；这二个向量正交，它们的内积为零，即：

示例3的能控子空间二.连续系统能控性及其判据142)能控性基本判据

各元素全为0，的行向量组线性无关

二.连续系统能控性及其判据153.定常系统能控性判据考虑线性定常系统的状态方程

上面判据都适用，不再强调“某一时刻”。凯莱-哈密顿定理：二.连续系统能控性及其判据16【例6-1】已知线性定常连续系统的状态方程为试判别其能控性。解：将和代入能控性矩阵，得其秩rankQc=2=n，系统状态完全能控。二.连续系统能控性及其判据17【例6-2】判别示例3所示电路系统的能控性。解：示例3所示系统的状态方程为

其能控性矩阵为二.连续系统能控性及其判据18【例6-3】试判别下列状态方程所表示的线性定常连续系统的能控性。解：求得系统的能控性矩阵为

另外，在判别一个方矩阵是否满秩时，通过计算它的行列式是否等于零是较方便的方法。对于一个线性系统来说，经过线性非奇异状态变换后，其状态能控性不变。二.连续系统能控性及其判据19定理6-3

（

对角线规范型判据）

如果线性定常系统的系统矩阵A具有互不相同的特征值，则系统状态能控的充要条件是，系统经线性非奇异变换后，A阵变换成对角规范型，它的状态方程（2）能控性判据的第二种形式（特征值规范型判据）

二.连续系统能控性及其判据20【例6-4】试判别下列系统的能控性（1）（2）（3）（4）（5）二.连续系统能控性及其判据21【例6-4】试判别下列系统的能控性解：直接应用定理6-3可得，（1）系统能控，（2）系统不能控，（3）系统能控，（5）系统不能控。（4）的系统矩阵虽为对角阵，但由于对角线上元素不互异，所以不可以用定理6-3判据。实际上，该系统的能控性矩阵为不是满秩阵，系统不能控。二.连续系统能控性及其判据22

约当规范型判据1：A为约当阵且不同约当块具有不同对角元素时，系统状态完全能控的充要条件是输入矩阵B的与每个约当块末行对应的行元素不全为0。系统能控系统不能控系统能控1）2）3）二.连续系统能控性及其判据23

约当规范型判据2：A为约当阵，但不同约当块具有相同对角元素时，系统状态完全能控的充要条件是输入矩阵B的与每个约当块末行对应的那些行彼此线性无关。系统不能控系统能控系统不能控1）2）3）二.连续系统能控性及其判据24系统能控4）

当A既有相异的对角元素，又有约当块时，可联合应用上述三个判据进行判别。系统能控1）二.连续系统能控性及其判据25系统能控2）二.连续系统能控性及其判据264.定常系统的输出能控性设系统的状态空间表达式为式中，x，u，y分别是n，p，q维向量；A，B，C是相应维数的矩阵。

系统输出完全能控的充分必要条件是矩阵的秩为q。二.连续系统能控性及其判据27【例6-5】判断系统是否具有状态能控性和输出能控性。解：系统的状态能控性矩阵的秩为1，所以系统是状态不能控的。的秩为1，等于输出变量的个数，因此系统是输出能控的。而矩阵注意：从上边的例子可以看出，状态能控性与输出能控性之间没有必然的联系。三.连续系统能观性及其判据28系统的能观性表示系统输出量对状态量的反映能力，回答系统是否能够通过输出量的测量值来确定状态值的问题。对于一个系统而言，输出量总是可以直接测量的，而状态量的各个分量往往不能全部通过直接测量得到。在状态量不能直接测量的情况下，必须研究从能测量的输出量间接获取不能直接测量的状态量的问题，而首先要研究的是系统是否具备这种能力，即能观性。三.连续系统能观性及其判据291.能观性定义

三.连续系统能观性及其判据302.能观性基本判据是状态在不能观子空间上的投影向量，为状态的不能观分量；(1)不能观子空间：系统能观性考察的是状态空间中是否所有的非零状态都能观。

把状态空间中全体不能观状态的集合称为不能观子空间，记作，它是系统状态空间X

的一个线性子空间。在状态空间X中还可以得到不能观子空间的正交补空间，记作，它也是系统状态空间X

的线性子空间，同样有

状态空间内的任一向量x都可以表示为在上述两个子空间的投影向量之和，即：是状态在正交补空间上的投影向量，为状态的能观分量；直和三.连续系统能观性及其判据31

示例4中，只有满足的状态是不能观的，如图是不能观子空间，是不能观子空间的正交补空间。

直线上的状态都是不能观的，它们在上的投影向量为零，在上的投影向量非零。

不位于直线上的状态点x

在上的投影向量非零，为，在上的投影向量为。

可见，由系统的输出测量值所确定的初始状态值是过状态点x与直线平行的一条直线。即同样的输出测量值对应了无数个初始状态，但是如果要确定距离状态空间原点最近（范数最小）的初始状态，则只有唯一的一个，为，位于正交补空间上。

可以认为不能观子空间以外的状态都是能观的，在最小范数的意义下，将正交补空间称为能观子空间，其上的是完全能观状态。三.连续系统能观性及其判据32(2)能观性基本判据：上面系统的输出响应可表示为：由不能观状态的定义可得：各元素全为0，的列向量组线性无关

能观性基本判据：系统在时刻状态完全能观的充要条件是维时间函数矩阵的n个列向量线性无关，其中。(3)能控性与能观性的对偶关系能控性基本判据：的n个行向量线性无关能观性基本判据：的n个列向量线性无关的n个列向量线性无关

的n个行向量线性无关三.连续系统能观性及其判据33

则系统的能控性等价于的能观性，系统的能观性也等价于的能控性。称满足上述关系的两个系统互为对偶系统。两个系统对偶系统：且有：或互为转置逆而它们的系统矩阵满足关系：互为对偶系统的框图：三.连续系统能观性及其判据34对偶性原理：互为对偶的系统和，它们的能控性和能观性也成对偶关系，即系统的能控性等价于系统的能观性，系统的能观性等价于系统的能控性。

对偶性原理给我们研究系统的能控、能观性带来很大方便。对于定常系统有：对偶系统与能达性等价

三.连续系统能观性及其判据35（1）能观性判据的第一种形式设线性定常系统的状态空间表达式为

定理6-4

线性定常连续系统状态完全能观的充分必要条件是能观性矩阵的秩为n。3.

定常系统能观性判据二.连续系统能控性及其判据36【例6-6】判断下列系统的能观性。解：系统的能观性矩阵为它的秩为2，所以系统是完全能观的。二.连续系统能控性及其判据37【例6-7】判断示例4所示电路系统的能观性。解：示例4所示系统的状态方程为

它的能观性矩阵为三.连续系统能观性及其判据38定理6-5（

对角线规范型判据）

若线性定常系统的系统矩阵A有互不相同的特征值，则系统状态完全能观的充要条件是，经线性非奇异变换把矩阵化成对角规范型后，系统的状态空间表达式为

（2）能观性判据的第二种形式（特征值规范型判据）三.连续系统能观性及其判据391）系统不能观2）3）系统能观系统不能观三.连续系统能观性及其判据40

约当规范型判据1：A为约当阵且不同约当块具有不同对角元素时，系统状态完全能观的充要条件是输出矩阵C的与每个约当块首列对应的列元素不全为0。1）系统能观系统不能观系统能观2）3）三.连续系统能观性及其判据41

约当规范型判据2：A为约当阵，但不同约当块具有相同对角元素时，系统状态完全能观的充要条件是输出矩阵C的与每个约当块首列对应的那些列彼此线性无关。1）系统能观，C矩阵的第1、3列线性无关2）系统不能观，C矩阵的第1、3列线性相关

这里把一个对角元素视为阶次为1的约当块

三.连续系统能观性及其判据423）系统能观，C矩阵的第1、3、4列线性无关，第5、7列也线性无关

当A既有相异的对角元素，又有约当块时，可联合应用上述三个判据进行判别。系统能观1）三.连续系统能观性及其判据432）系统能观6.2连续系统的结构分解44一.线性定常系统的能控规范型与能观规范性二.连续系统的结构分解三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系一.线性定常系统的能控规范型与能观规范性451.化能控系统的状态方程为能控规范型

一.线性定常系统的能控规范型与能观规范性461.化能控系统的状态方程为能控规范型

一.线性定常系统的能控规范型与能观规范性472.化能观系统的状态方程为能观规范型

将能观的（A,c）代数等价为能观规范型的状态变换的构造公式为

一.线性定常系统的能控规范型与能观规范性482.化能观系统的状态方程为能观规范型

一.线性定常系统的能控规范型与能观规范性49【例6-9】试分别用状态变换方法将能控能观的单输入单输出线性定常连续系统转化为能控规范型和能观规范型。解：先给出系统的特征多项式

一.线性定常系统的能控规范型与能观规范性50（1）构造化能控规范型的状态变换矩阵相应地故能控规范型为（2）构造化能观规范型的状态变换矩阵相应地故能观规范型为二.连续系统的结构分解51

图6-4一个系统可能的4个子系统只有完全能控能观的系统，其系统的状态空间模型与系统的传递函数（矩阵）描述才完全等价，这种情况下的传递函数（矩阵）才包含系统所有动态特性的信息。可以通过非奇异线性变换把系统分解成四个明显的子空间。这个分解就称为系统的结构（规范）分解或不变子空间分解，“不变”的含义是指系统的能控性与能观性以及相应的子空间维数不因线性变换而改变。二.连续系统的结构分解52如果系统不完全能控，可将系统中的状态变量分成能控状态变量1.能控子空间分解代入系统状态方程得状态变量与不能控。设不完全能控系统的状态方程为假设系统具有如下特性则可以找到非奇异线性变换T，令二.连续系统的结构分解53式中有1.能控子空间分解展开可得p维的能控子系统状态空间表达式

不能控但非完全不能控的系统可以分解为一个p维的能控子系统和一个𝑛−𝑝维的完全不能控子系统，这种分解便称为能控性分解。二.连续系统的结构分解54任何进行能控分解的系统具有两个重要特性：1.能控子空间分解图6-5能控性分解示意图

（1）子系统完全能控；（2）能控子系统与原系统有相同的传递函数。以单输入系统为例，给出进行能控性分解所需的变换矩阵T。

二.连续系统的结构分解55【例6-10】已知线性定常连续系统如下，请将该系统按能控性分解。解：首先计算该系统能控矩阵的秩

二.连续系统的结构分解56变换矩阵T，按能控性分解后的状态方程与输出方程分别为其中，能控子系统为完全不能控子系统为二.连续系统的结构分解57

2.能观子空间分解展开可得q维的能观子系统的状态空间表达式与n-q维不能观子系统的状态空间表达式分别为左式中有二.连续系统的结构分解58任何进行能观分解的系统具有两个重要的特性：2.能观子空间分解

图6-6能观性分解示意图（1）子系统（2）能观子系统与原系统有相同的传递函数。完全能观；

二.连续系统的结构分解59【例6-11】已知线性定常连续系统如下，请将该系统按能观性分解。解：首先计算该系统能观矩阵的秩

二.连续系统的结构分解60则有能观测子系统的动态方程为不能观测子系统的动态方程为无论是按能控性分解还是按能观性分解，由于变换阵并不唯一，所以分解后的状态空间也不唯一，但能控或能观的子空间维数不会因为线性变换而发生改变。二.连续系统的结构分解61具体的分解过程一般是先对系统进行能控性分解，再继续对已经分解出来的能控与不能控子系统进行能观性分解（亦可先能观分解再能控分解），最后得到分解后的系统，其中3.能控能观子空间分解图6-6能控能观分解示意图二.连续系统的结构分解62能控能观子系统:能控不能观子系统:不能控能观子系统:不能控不能观子系统:三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系63系统的传递函数矩阵描述了系统的输入输出特性，可以表示为

传递函数矩阵G(s）的一个实现

为最小实现的充要条件是

既能控又能观。系统的传递函数矩阵与能控能观子系统的传递函数矩阵是等价的。可见，传递函数矩阵只反映了系统中既能控又能观的那部分，它是系统的一种不完全描述；而状态空间描述不仅反映系统的能控能观部分，还反映出系统能控不能观、不能控能观、不能控不能观的各部分，是系统结构的一种完全描述。系统的能控性、能观性与系统传递函数（矩阵）是否存在零极点相消现象有必然联系。三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系641.单输入单输出系统对于线性定常单输入单输出系统Σ(𝐴,b,c)，有如下结论:

三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系65【例6-12】已知系统的传递函数，试分析系统的能控、能观性。解：系统传递函数有零极点相消现象，相消的极点是s=1，所以系统不是既能控又能观的。图6-7例6-12的一种系统结构图及状态变量图（a）系统结构图；（b）状态变量图（1）采用如图6-7（a）所示的系统结构图系统的状态空间表达式为系统从控制到状态的传递关系三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系66存在零极点相消，系统不能控。系统的状态空间表达式为图6-8例6-12的一种系统结构图及状态变量图（a）系统结构图；（b）状态变量图（2）采用如图6-8（a）所示的系统结构图系统从状态到输出的传递关系存在零极点相消，系统不能观。三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系672.多输入多输出系统对于多输入多输出线性定常系统Σ(𝐴,B,C)，当预解矩阵不存在分子、分母可以相消的公因子时，系统传递函数矩阵可表示为

此时有如下结论：三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系682.多输入多输出系统当预解矩阵存在可以相消公因子时，系统传递函数矩阵可表示为

此时有如下结论：三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系69【例6-13】已知线性定常系统，试分析该系统的能控、能观性。解：先求出预解矩阵为

预解矩阵为不存在可以相消公因子的情况。三.能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系703.能控、能观系统外部稳定性与内部稳定性的等价系统的外部稳定性和内部稳定性在一定的条件下是等价的，对于线性定常系统，这个条件就是系统必须既能控又能观。当线性定常系统既能控又能观时，传递函数不会出现零极点相消现象，传递函数的全部极点等价于系统矩阵A的所有特征值。这时，如果系统在平衡状态是渐近稳定的，则它也必是外部稳定的，反之亦然。系统的外部稳定性完全等价于系统的内部稳定性。由于传递函数会出现零极点相消现象，因此传递函数的全部极点有时并不等价于系统矩阵A的所有特征值，系统的外部稳定不能保证系统的内部稳定。6.3连续系统的状态反馈控制器设计71一.状态反馈控制系统组成二.状态反馈控制系统极点任意配置的条件三.单输入系统极点配置算法四.状态反馈对系统能控性和能观性的影响一.状态反馈控制系统组成72状态反馈是以系统的状态量为反馈量的一种控制形式，具有一系列优点。考虑被控对象（或开环系统）为取系统的控制量为状态反馈控制系统的结构如图6-9所示。图6-9状态反馈控制系统的结构

一.状态反馈控制系统组成73将控制量u的公式代入，即得采用状态反馈控制后的闭环系统的状态空间表达式为

二.状态反馈控制系统极点任意配置的条件74

下面以单输入单输出的情况证明该结论。证明：(1)必要性，采用反证法。

引入状态反馈式中，表示新状态空间中的反馈行向量。二.状态反馈控制系统极点任意配置的条件75将状态反馈代入状态空间表达式，得闭环系统的系统矩阵为相应的系统特征多项式为表明状态反馈不能改变系统不能控部分的极点，即不能控的系统不能通过状态反馈任意配置它的全部极点。或者说，系统要通过状态反馈配置其全部极点，它必须是状态完全能控的。二.状态反馈控制系统极点任意配置的条件76

设状态反馈行向量取值为

引入状态反馈二.状态反馈控制系统极点任意配置的条件77得闭环系统的状态方程为

对应的闭环系统特征多项式为三.单输入系统极点配置算法78

方法一

解联立方程求状态反馈矩阵各元素。其具体步骤是：

（3）由闭环系统动态方程写出闭环系统的特征多项式

三.单输入系统极点配置算法79

解：（1）由系统的能控性矩阵，可判定被控对象能控，可以通过状态反馈控制实现极点任意配置。（2）由给定的期望极点求得期望的特征多项式为（3）闭环系统的特征多项式为三.单输入系统极点配置算法80解联立方程，得状态反馈行向量得联立方程为

可画出闭环系统的状态变量图如图6-10所示。图6-10例6-14闭环系统的状态变量图三.单输入系统极点配置算法81方法二由极点配置定理充分性的证明可知，对于单输入系统，先变换为能控规范型可以为求解状态反馈行向量k带来方便。其具体步骤是：

（2）求得开环系统的特征多项式（3）由给定的一组期望极点，求得期望的特征多项式（4）求得被控对象具有能控规范形式的状态空间中的状态反馈行向量

三.单输入系统极点配置算法82极点配置可图示如下：三.单输入系统极点配置算法83对于例6-14，用方法二求解的过程是：（1）判别能控性。（2）求得开环系统的特征多项式（3）期望的特征多项式已求，为（4）求得新状态空间中的状态反馈行向量为三.单输入系统极点配置算法84（5）变换矩阵为（6）求得状态反馈行向量为与方法一求得的结果一样。三.单输入系统极点配置算法85说明：（1）实现多输入系统极点配置的状态反馈矩阵K不是唯一的，满足闭环极点期望值的K都是极点配置的正确值，但是其元素取值较小的矩阵K更具工程意义。（2）在安排闭环极点位置时，既要考虑具有较大负实部的闭环极点，使过渡过程加快，也要考虑这将使所需的控制量幅值增大，导致系统响应的幅值增大。三.单输入系统极点配置算法86【例】已知系统方块图如下图所示，试设计状态反馈增益k,使得闭环系统满足下列性指标：超调量

p5%，调整时间ts5s（5%允许误差时）。解：（1）由题目给出的期望的性能指标确定系统的期望的特征多项式，根据第三章给出的表达式取三.单输入系统极点配置算法87取则期望的闭环主导极点为：极点

3应选择远离主导极点（或原点），这里有

3=100。因此期望的闭环特征多项式为：（2）建立系统的状态空间表达式：（3）可以用以上两种方法求解k，下面以方法一为例求解。三.单输入系统极点配置算法88系统的能控性矩阵为：因此系统完全能控。（4）期望的特征多项式为：（5）由闭环系统动态方程写出闭环系统的特征多项式三.单输入系统极点配置算法89（6）由,利用两个多项式对应系数相等，可以得到3个联立的代数方程，

求得状态反馈增益满足以上瞬态性指标。四.状态反馈对系统能控性和能观性的影响90关于实行状态反馈控制的闭环系统的能控性和能观性，有如下结论：

（2）状态反馈有可能改变系统的能观性。以一个既能控又能观的单输入单输出系统为例，在状态反馈控制下，当配置的极点正好与不变的系统零点相消时，闭环系统不再是既能控又能观的，但系统的能控性没有改变，所以只有系统的能观性改变了。四.状态反馈对系统能控性和能观性的影响91解：开环系统的能控性、能观性矩阵分别为

都是满秩阵，所以开环系统既能控又能观。而闭环系统的能控性、能观性矩阵分别为

传递函数出现了零极点相消现象，消掉的极点-1对应的状态变量不能观。6.4连续系统的状态观测器设计92一.状态重构与全维状态观测器二.降维状态观测器三.引入观测器的状态反馈控制系统一.状态重构与全维状态观测器931.状态重构问题

通常，输入量u和输出量y可以直接量测，故考虑能否通过可直接量测的u和y间接获取状态量。对输出方程进行逐次微分运算，并代之以状态方程，得写成矩阵方程形式，得一.状态重构与全维状态观测器94

1.状态重构问题一.状态重构与全维状态观测器952.全维状态观测器考虑线性定常系统人为地构造一个结构、参数与原系统相同，

这种全维状态观测器不存在任何反馈，故称为开环型全维状态观测器。状态观测误差为在实际应用中这种开环型全维状态观测器存在如下问题：

（2）开环型全维状态观测器参数对原系统参数的任何偏离或摄动都会对状态观测产生不利影响。一.状态重构与全维状态观测器962.全维状态观测器

方程的解为此时状态观测误差的方程为因此，有望通过设计合适的偏差反馈矩阵M来调整全维状态观测器系统矩阵的特征值（也称为全维状态观测器的极点），实现渐近等价指标下的状态重构。图6-11全维状态观测器结构一.状态重构与全维状态观测器972.全维状态观测器

极点任意配置条件系统能采用全维状态观测器重构其状态，并通过偏差反馈矩阵M任意配置全维状态观测器极点的充要条件是原系统完全能观。图6-12全维状态观测器结构的另一种形式一.状态重构与全维状态观测器982.全维状态观测器

一.状态重构与全维状态观测器992.全维状态观测器对于单输出系统，也有类似于单输入系统状态反馈极点配置的两种算法。方法一：通过解联立方程求n维偏差反馈列向量m的各元素，其具体步骤是（2）由给定的一组期望极点，求得期望的特征多项式

一.状态重构与全维状态观测器100解：（1）系统的能观性矩阵为【例6-16】已知线性定常系统，试设计一个极点为-2，-2的全维状态观测器。满秩，系统能观，所以能设计极点任意配置的全维状态观测器。（3）由全维状态观测器方程写出观测器的特征多项式（2）由给定的期望极点，求得期望的特征多项式为一.状态重构与全维状态观测器101

可画出被观测系统及全维状态观测器的状态变量图如图6-13所示。即：图6-13例6-16的被观测系统及全维状态观测器状态变量图一.状态重构与全维状态观测器1022.全维状态观测器方法二：先将单输出系统变换为能观规范型，然后求偏差反馈向量m，其具体步骤是（2）求得开环系统的特征多项式（3）由给定的一组期望极点，求得期望的特征多项式

一.状态重构与全维状态观测器103对于例6-16，用方法二求解的过程是:（2）求得开环系统的特征多项式（3）期望的特征多项式为（4）求得新状态空间中的观测器反馈矩阵为（5）变换矩阵的逆阵为（1）同上，能观性可作判别。一.状态重构与全维状态观测器104求得变换矩阵T为与第一法求得的结果一样。（6）求得状态反馈矩阵为代入全维状态观测器方程，得全维状态观测器为二.降维状态观测器105对一个系统而言，有可能存在一部分状态变量，不需要通过观测器重构的办法得出，只需构造维数小于n的观测器来得出另一部分状态变量，这就是降维状态观测器的基本思想。

于是得出系统在新状态空间的表达式为二.降维状态观测器106

子系统表示为

二.降维状态观测器107

得出在新状态空间中降维状态观测器的方程为

或者写为二.降维状态观测器108图6-16降维状态观测器的结构二.降维状态观测器109降维状态观测器的设计步骤为:

二.降维状态观测器110（4）对于降维观测器方程，按极点配置算法求出矩阵M，并得出降维观测器的方程式。

代入矩阵M，得出重构值的具体表达式。（6）经反变换得出原状态空间中状态量x的重构值二.降维状态观测器111并求出解：（1）由系统的能观性矩阵满秩可判定其能观，并由rankC=2可知降维观测器的维数为1。（2）构造非奇异变换矩阵的逆阵为【例6-17】已知线性定常系统，试设计一个期望极点为-3的降维状态观测器。二.降维状态观测器112其中，有

二.降维状态观测器113

（4）降维状态观测器方程为

二.降维状态观测器114（6）原状态空间中状态量x的重构值为可画出降维状态观测器的状态变量图如图6-15所示。图6-15例6-17的降维状态观测器状态变量图三.引入观测器的状态反馈控制系统1151.系统的构成从结构上看，引入观测器的状态反馈控制系统由三部分组成，分别是

（2）观测器，为讨论方便取全维状态观测器，其表达式为（3）状态反馈控制作用，这里被反馈的状态量是由全维状态观测器提供的状态量重构值，即三.引入观测器的状态反馈控制系统116

图6-16引入观测器的状态反馈控制系统的结构三.引入观测器的状态反馈控制系统1172.系统的特性（1）系统的维数=原系统的维数+观测器的维数。系统的特征值集合=状态反馈系统的特征值集合+观测器的特征值集合。系统矩阵为：引入非奇异变换：有：三.引入观测器的状态反馈控制系统118（2）由上式还可以得出结论：通过K配置系统特征值（闭环极点）和通过M配置观测器特征值（极点）是互相分离的，可以完全独立地进行。这就是分离性原理。

可见，系统的特征值由状态反馈系统的特征值和状态观测器的特征值二部分组成。（3）观测器的引入不改变原状态反馈系统的传递函数矩阵。上面的讨论给出了，同样可得新状态空间的输入矩阵和输出矩阵：非奇异变换不改变传递函数矩阵，所以有：三.引入观测器的状态反馈控制系统119分块矩阵的求逆公式：

必发生了零极点相消现象，相消的n个极点是属于观测器的。由于观测器设计保证了其极点的渐近稳定性，所以零极点相消不影响闭环系统的正常运行。

（4）观测器为渐近等价，观测器动态特性将影响闭环系统动态特性，要求观测器的动态过程快于闭环系统的动态过程是合理的。通常把观测器特征值的负实部取为状态反馈系统特征值的负实部的2～3倍。三.引入观测器的状态反馈控制系统120例6-24已知连续线性系统的状态空间表达式为：（1）能否通过状态反馈将系统的闭环极点配置在s1=

2、s2,3=

1

3j处？若能，则求出状态反馈矩阵；（2）能否设计该系统的状态观测器？若能，则设计出一个极点位于s1=

3、s2=

4、s3=

5处的全维状态观测器；（3）以（1）和（2）的结果，求带有全维状态观测器的状态反馈闭环控制系统的状态空间表达式和闭环传递函数Gc(s)。三.引入观测器的状态反馈控制系统121解：因为系统的能控性矩阵和能观性矩阵：可知系统的状态既完全能控又完全能观，因此能够任意配置极点和设计全维状态观测器。三.引入观测器的状态反馈控制系统122（1）引状态反馈阵为，则有而期望的特征多项式为：比较以上两式s的同次幂系数，可求得引入状态观测器的状态反馈控制为：三.引入观测器的状态反馈控制系统123（2）设观测器的反馈阵，则有而期望的特征多项式为：比较以上两式s的同次幂系数，可求得观测器的状态方程为：三.引入观测器的状态反馈控制系统124（3）闭环系统的状态空间表达式为：三.引入观测器的状态反馈控制系统125代入数值：三.引入观测器的状态反馈控制系统126系统的闭环传递函数为：带有全维状态观测器的状态反馈闭环控制系统的状态变量图本章小结

127系统能控性及判据：能控性的定义、定常系统能控性判据（基本判据和特征值规范型判据）；系统能观性及判据：能观性的定义、定常系统能观性判据（基本判据和特征值规范型判据）、对偶原理；结构分解：能控系统转化为能控规范型、能观系统转化为能观规范型，系统的结构分解，能控性、能观性与传递函数（矩阵）的关系；状态反馈控制器设计：状态反馈配置极点的条件、方法，状态反馈后的系统状态变量图、状态反馈对系统能控性和能观性的影响；状态观测器设计：全维状态观测器极点配置的条件、方法，降维状态观测器极点配置的条件、维数、方法，引入观测器的反馈控制系统的设计（分离原理）。作业

1284月23日上交：6-1(2)(3）,6-3，6-5，6-6，6-76-8(1)

4月28日上交：6-9，6-10，6-12，6-13，

6-15，6-16，6-17第7章离散控制系统分析与设计《现代控制工程》130本章引言计算机控制系统的广泛应用，使得离散系统控制理论具有越来越重要的地位。离散系统与连续系统相比，既有本质上的不同，又有分析研究方法方面的相似性。本章介绍离散系统控制理论，首先讲述采样过程与采样定理，介绍Z变换理论，然后给出离散控制系统的数学描述及求解方法，对离散控制系统的频域与复频域、状态空间进行分析与设计。在此基础上，讨论连续系统与离散系统的关联和区别，最后研究如何应用Matlab进行离散系统的分析与设计。

7.1采样过程与采样定理1

7.2Z变换基础27.3离散控制系统的数学描述及求解3

7.4离散控制系统的频域与复频域分析与设计4

7.5离散控制系统的状态空间分析与设计

5131第7章

离散控制系统分析与设计6

7.6连续系统与离散系统的关联与区别7.1采样过程与采样定理132

实际系统中存在的绝大多数物理过程或物理量，在时间域和在幅值上都是连续的变量，这些连续变量，通常称为模拟信号。将模拟信号按一定时间间隔循环进行取值，从而得到按时间顺序排列的一串离散信号的过程称为采样。

经过采样而得到的离散信号，虽然在时间上是离散的，但在幅值上还是连续的。如果进一步通过模数转换器，把幅值上连续的离散信号变换成数码形式的信号，例如二进制码，这个过程就称为整量化。

时间上离散化、幅值上整量化的信号，称为数字信号。7.1采样过程与采样定理133一.采样过程及其数学描述二.保持器三.采样定理一.采样过程及其数学描述134图7-1计算机控制系统结构图

一.采样过程及其数学描述135图7-2采样开关与采样过程若无特殊说明，本书所讨论的时间函数，在t<0时是等于零的。基于这一点，上式可写成或者

上式即是采样信号的定义式二.保持器136

保持器的作用是将离散信号转换为连续信号，此连续信号近似重现了作用在采样器上的信号。最简单的保持器是将采样信号转变成在两个连续采样时刻之间保持常量的信号，如图7-3所示。这种保持器称为零阶保持器，零阶保持器的传递函数为图7-3零阶保持器的输入和输出信号上式可从零阶保持器的输入与输出关系中求得。二.保持器137

根据图7-3表示的零阶保持器的输入与输出的信号关系，设零阶保持器输入信号为一单位脉冲信号，如图7-4所示，则其输出与输入应有如下关系：图7-4零阶保持器的单位脉冲响应对上式求拉普拉斯变换，就可得到零阶保持器的传递函数。三.采样定理138

在设计离散系统时，香农（Shannon）采样定理是一个很重要的定理。因为它给出了从采样信号恢复到原信号所必须满足的最小采样频率。若不满足该频率，则离散信号无法通过保持器进行恢复。采样定理描述如下：图7-5连续信号频谱图

7.2Z变换基础139一.Z变换的定义二.Z变换性质三.Z变换方法四.Z反变换一.Z变换的定义140Z变换在离散系统中的作用，与拉氏变换在连续系统中的作用非常相似。对采样信号的定义式进行拉氏变换，得到

一.Z变换的定义141常用时域函数的Z变换如表7-1所示。表7-1Z变换表一.Z变换的定义142表7-1Z变换表二.Z变换性质143根据Z变换的定义，可得下面比较常用的Z变换性质。（1）移位定理①右移定理（滞后）②左移定理（超前）（3）初值定理（2）终值定理

二.Z变换性质144有关Z变换的更多性质可见表7-2。表7-2Z变换的性质三.Z变换方法1451.级数求和法级数求和法是一种直接从Z变换的定义出发的Z变换方法。

解：根据Z变换的定义，有

【例7-2】求下列函数的Z变换。解：用级数求和法三.Z变换方法1462.部分分式法

对上式进行Z变换，可以得到三.Z变换方法147【例7-3】求下列函数的Z变换。

四.Z反变换148

1.部分分式法

四.Z反变换149

则有查表得故得即四.Z反变换150

2.幂级数法——长除法

四.Z反变换151

长除得对照Z变换的定义，得四.Z反变换152留数法是求Z反变换的一种普遍方法，根据复变函数中的留数理论可以证明：3.留数法解：由留数法的公式，可得：

7.3离散控制系统的数学描述及求解153为了研究离散控制系统的性能，需要建立离散系统的数学模型。常用于描述离散系统的数学模型有差分方程、脉冲传递函数和离散状态空间方程等。与连续系统相似，在一定的条件下，上述模型之间可以相互转换。7.3离散控制系统的数学描述及求解154一.差分方程及其求解二.脉冲传递函数三.离散系统的状态空间模型四.脉冲传递函数与状态空间模型相互转化一.

差分方程及其求解155

在连续系统中，微分方程是基本的时域模型表达形式；在离散系统中，差分方程是基本的时域模型表达形式，描述的是各采样时刻系统输出与输入间的关系，其一般形式为

或者

一.

差分方程及其求解156本节介绍递推法与Z变换法两种差分方程的求解方法1、递推法

由于差分方程本身就是一种递推关系，若已知系统的差分方程，并且给出输出序列的初值和输入序列值，则可以利用递推关系，逐步计算出输出序列。随着计算机的普及，递推法的应用越来越多，但该方法的最大缺点是没有解析解，必须一步步地递推计算。

一.

差分方程及其求解1572、Z变换法求解

与连续系统往往借助拉氏变换求解微分方程类似，离散系统也常利用Z变换求解差分方程，将差分运算转化为以z为变量的代数方程进行代数运算。这种变换主要用到Z变换的超前定理和滞后定理。Z变换求解差分方程的一般步骤为：

一.

差分方程及其求解158

解:根据超前定理，对已知差分方程求Z变换，得

整理后得代入初始条件，得查表得所以有

二.脉冲传递函数159

图7-6开环采样系统二.脉冲传递函数160

1、脉冲传递函数的定义

若已知系统的脉冲传递函数及输入信号的Z变换，则输出信号为

二.脉冲传递函数161

2、脉冲传递函数的代数运算法则线性离散系统的方块图代数运算法则和线性连续系统有很多相似之处，但必须注意采样开关位置对脉冲传递函数的影响。（1）串联环节图7-7环节串联形式（a）两个离散环节的串联；（b）两个串联环节中间无采样器；（c）两个串联环节中间有采样器二.脉冲传递函数162

图7-7（a）为两个离散的环节串联，总的脉冲传递函数等于两个环节的脉冲传递函数的乘积，即图7-7（b）为两个连续环节串联，中间无采样器，其总的脉冲传递函数等于两个环节相乘后再取Z变换，即由采样函数拉氏变换的第二个性质所以图7-7（c）为两个连续环节串联，但中间有采样器，其总的脉冲传递函数等于两个环节分别取Z变换后再相乘，即所以结论可以推广到有相应的类似n个环节串联的情况，请注意区别，特别注意：

二.脉冲传递函数163

解:查表7-1，得输入的Z变换①对图7-7（b）所示系统，由对应公式得脉冲传递函数为输出Z变换为二.脉冲传递函数164

②对图7-7（c）所示系统，由对应公式得脉冲传递函数为输出Z变换为在串联环节之间有无同步采样开关隔离，其串联后总的脉冲传递函数和输出Z变换是不同的，但不同处仅表现在其零点，它们的极点仍然是一样的。二.脉冲传递函数165

图7-8（a）所示为两个离散的环节并联，总的脉冲传递函数为图7-8（b）所示为两个连续环节并联，输入输出均带采样器，总的脉冲传递函数为图7-8（c）所示为分别带采样器的两个连续环节并联，总的脉冲传递函数为图7-8（d）所示的并联形式，其中一个支路有采样器，一个支路没有采样器，此时输入输出的关系为

结论可以推广到有相应的类似n个环节并联的情况。

（2）并联环节二.脉冲传递函数166

（3）反馈回路连续系统中，闭环传递函数与相应的开环传递函数之间有着确定的关系，可用一种典型的结构图来描述闭环系统。但在离散系统中,由于采样器在闭环系统中的位置存在多种可能性，因此具有反馈回路的离散系统没有惟一的结构图形式，闭环脉冲传递函数或输出Z变换式也就各不相同。虽然如此，但仍有一些规律可循。设一简单采样系统如图7-9所示，图中采样器以采样周期T同步工作。从图中输入端开始，顺着箭头方向一步步地分析计算。图7-9反馈回路二.脉冲传递函数167

比较器输出端：继续沿箭头方向：对上式两端采样：

整理得：图7-9反馈回路二.脉冲传递函数168

（4）系统中的零阶保持器①零阶保持器的脉冲传递函数由零阶保持器构成的离散系统结构图如图7-10所示。它可等效为如图7-11所示的并联环节离散系统。图7-10零阶保持器图7-11零阶保持器等效结构图按并联环节的加法法则及滞后环节的概念，可得等效的脉冲传递函数零阶保持器的脉冲传递函数为常数1，也即其输出信号与输入信号完全一致。还可看到，零阶保持器无零极点，对系统性能没有影响，只起到恢复信号的作用。二.脉冲传递函数169

②零阶保持器与环节串联：零阶保持器与其他连续环节的串联如图7-12所示，用分解法求其开环脉冲传递函数。图7-12零阶保持器与连续环节串联的开环系统

二.脉冲传递函数170

求系统脉冲传递函数的一般步骤如下：1.确定系统的输入、输出变量；2.写出各连续部分因果关系式，即根据系统的方块图，将通道在各采样开关处断开，写出采样点之前各连续信号拉氏变换式；3.对各表达式采样后取Z变换；4.消去中间变量；5.按定义写出脉冲传递函数或输出Z变换式。

二.脉冲传递函数171

表7-3典型系统的输出Z变换二.脉冲传递函数172

3、脉冲传递函数与差分方程

差分方程是离散系统的时域表达形式，脉冲传递函数是离散系统的Z域（复频域）表达形式，它们之间可以相互转化。若n阶差分方程为：

若已知系统的脉冲传递函数，则可以通过Z反变换得到其差分方程形式。二.脉冲传递函数173

图7-13闭环采样系统解:由图可得闭环系统的脉冲传递函数

代入闭环脉冲传递函数，有：当输入为单位阶跃信号时输出Z变换为对上式作综合除法，便可得作Z反变换，可得系统的单位阶跃响应为三.离散系统的状态空间模型174

与连续系统类似，在状态空间模型中，离散系统也有状态变量、状态向量、状态方程和输出方程的概念和表达形式。不同的是，离散系统用一阶向量差分方程作为状态方程。所以，线性定常离散系统的状态空间表达式为：

三.离散系统的状态空间模型175

图7-14线性定常离散系统框图在连续系统中应用计算机求解问题或者实现控制时，由于计算机只能处理离散的数字量，因此有必要将连续系统的状态空间表达式化为等价的离散系统状态空间表达式，这就是连续系统的离散化问题。连续系统的离散化是通过按一定时间间隔的采样及一定形式的保持实现的，这里认为采样过程满足香农（Shannon）采样定理且保持方式为零阶保持。常用的离散化方法有近似离散化和由连续系统状态解离散化两种。三.离散系统的状态空间模型176

1、近似离散化给定线性连续定常系统的状态方程为在采样周期T较小、且对其精度要求不高时，通过近似离散化，可以把它变成线性离散状态方程，以便求出它的近似解，即在采样时刻的近似值。利用近似等式

或者写为式中上式即为状态方程的近似离散化，通常当采样周期为系统最小时间常数的1/10左右，其近似度已是足够满意的。三.离散系统的状态空间模型177

2、由连续系统状态解离散化线性连续系统的时间离散化问题的数学实质，就是在一定的采样方式和保持方式下，由系统的连续时间状态空间描述来导出其对应的离散时间状态空间描述，并建立起两者的系数矩阵间的关系式。设线性连续系统的状态方程为根据状态方程的求解公式，有为使离散化后的描述具有简单的形式，并保证它是可复原的，引入如下假设:1.采样方式取为以常数T为周期的等间隔采样；2.采样周期T的确定要满足香农采样定理；3.保持器采用零阶保持器，即把离散信号转换为连续信号是按零阶保持方式来实现的。三.离散系统的状态空间模型178线性定常连续系统状态方程的解为：(零阶保持）对照，显然有：三.离散系统的状态空间模型179作变量代换：

三.离散系统的状态空间模型180若采样周期足够小，则可忽略高阶项，可得：只要采样周期足够小，两种离散化方法等价。三.离散系统的状态空间模型181

解:采用由连续系统状态解离散化的方法。首先计算给定连续系统的矩阵指数函数。为此，采用拉氏变换法先定出：再将上式取拉氏反变换，即可得到然后，根据定常系统情形的公式即可求出时间离散化系统的系数矩阵于是时间离散化状态方程为四.脉冲传递函数与状态空间模型相互转化182

1、由状态空间模型求脉冲传递函数矩阵已知线性定常离散系统的状态空间表达式为对它实施Z变换，可得令系统初始条件为零，则有以及式中

四.脉冲传递函数与状态空间模型相互转化183

2、由脉冲传递函数求状态空间模型设系统的差分方程为：

其中

四.脉冲传递函数与状态空间模型相互转化184

按如下形式取状态变量

将上面各式取Z反变换，可得四.脉冲传递函数与状态空间模型相互转化185

上式即为系统的状态方程。又由有即取Z反变换得

写成向量方程的形式，得这就是系统的输出方程。前述两种向量方程合在一起构成了离散系统的状态空间表达式，这显然具有能控规范型形式。7.4离散控制系统的频域与复频域分析与设计186一.离散系统的稳定性分析二.基于Z域的分析与设计三.基于频域特性的分析与设计一.离散系统的稳定性分析1871.从s域到z域的映射连续系统中，通常在s域研究系统的稳定性；离散系统中，可从s域映射到z域的关系入手，在z域研究系统稳定性。根据Z变换的定义有

一.离散系统的稳定性分析1881.从s域到z域的映射

图7-15S平面与Z平面的映射关系一.离散系统的稳定性分析1891.从s域到z域的映射

一.离散系统的稳定性分析1902.离散系统的稳定性条件线性定常离散系统稳定的充分必要条件是：系统特征方程的所有根，即系统Z传递函数的所有极点都分布在单位圆内部。Z平面的单位圆内部是离散系统特征根分布的稳定域，单位圆周为稳定边界，如图7-16所示。图7-16连续系统与离散系统极点分布稳定区域一.离散系统的稳定性分析191【例7-12】已知闭环离散系统的特征方程，试问系统是否稳定。

该方法也适用于特征方程有重根的情况，但对于阶次较高的系统，这种直接求根的方法不太方便。一.离散系统的稳定性分析1923.离散系统的稳态误差对稳定离散系统而言，稳态误差也是系统分析与设计的重要指标之一。这里的稳态误差指采样时刻的误差值。

（1）采用终值定理计算稳态误差单位负反馈系统如图7-17所示。图7-17闭环离散系统一.离散系统的稳定性分析1933.离散系统的稳态误差假设系统是稳定的，则

一.离散系统的稳定性分析1943.离散系统的稳态误差

（2）采用静态误差系数求稳态误差

一.离散系统的稳定性分析1953.离散系统的稳态误差

对于不同型别的系统结构，有可见，当系统为0型时，稳态误差为有限值；当系统为1型或以上时，可以零稳态误差地跟踪单位阶跃输入。一.离散系统的稳定性分析1963.离散系统的稳态误差

对于不同型别的系统结构，有可见，当系统为0型时，稳态误差为无穷大，无法跟踪单位斜坡输入；当系统为1型时，可以跟踪单位斜坡输入，但存在稳态误差；当系统为2型或以上时，稳态误差为零。一.离散系统的稳定性分析1973.离散系统的稳态误差

对于不同型别的系统结构，有可见，当系统为0型和1型时，稳态误差为无穷大，无法跟踪单位抛物线输入；系统为2型时，稳态误差为有限值；当系统为3型或以上时，稳态误差为零。一.离散系统的稳定性分析198

二.基于Z域的分析与设计1991.劳斯稳定判据离散系统不能直接应用劳斯判据，需要先进行变换。由复变函数的双线性变换，可将Z平面的单位圆内部映射成新复平面的左半平面。令

或者或者即：二.基于Z域的分析与设计200【例7-14】设闭环离散系统如图7-19所示，其中采样周期T=0.1s，试求系统稳定时K取值。

图7‑19闭环离散系统结构图闭环脉冲传递函数为故闭环特征方程为

列出劳斯表

二.基于Z域的分析与设计2012.根轨迹法线性离散系统的特征方程为或者可写成这与线性连续负反馈系统根轨迹的幅值和相位条件相同，因而在Z平面上可完全按照连续系统中的根轨迹作图规则作出系统的根轨迹。差异仅是由于稳定边界的不同而对特征根的位置要求不同。同理，正反馈时的条件也一样的。即下面用图7-20所示的采样控制系统为例来说明根轨迹法的应用。图7-20采样控制系统二.基于Z域的分析与设计202图中有关方块图的内容如下：被控对象零阶保持器比例调节器阶跃干扰纯滞后时间给定值不变按定值调节考虑，可得到输出的Z变换式中二.基于Z域的分析与设计203将上述两个结果代入，得

系统的闭环特征方程为三.基于Z域的分析与设计204

由闭环特征方程求得特征根：系统的开环脉冲传递函数是

二.基于Z域的分析与设计205

或者即：

图7-21根轨迹示意图三.基于频域特性的分析与设计206设闭环离散系统特征方程为

则与连续系统中应用Nyquist稳定判据的条件相符，因此各种频域判据在此都可应用。三.基于频域特性的分析与设计207【例7-13】已知开环脉冲传递函数如下，试求闭环系统的相位裕度。

图7-18系统的开环伪频率特性7.5离散控制系统的状态空间分析与设计208线性离散系统的状态空间分析包括求解离散系统状态方程，能控性与能观性分析，状态反馈控制等。通常，离散系统的状态方程有递推法和Z变换法两种求解方法，前者既适用于定常系统，也适用于时变系统，后者仅适用于定常系统。7.5离散控制系统的状态空间分析与设计209一.离散系统的时域分析二.离散系统的能控性与能观性分析三.离散系统的状态反馈控制一.离散系统的时域分析2101.递推法求解考虑线性定常离散系统

k=0时k=1时k=2时k=k-1时

上式为线性定常离散系统的通解，k表示了给定问题的末时刻。一.离散系统的时域分析211对于线性定常离散系统的状态解，有以下几点说明：

（4）离散系统状态解在形式上与连续系统类似，也由两部分组成：一部分是由系统初始状态引起的零输入响应；另一部分是由系统输入变量作用引起的零状态响应。

一.离散系统的时域分析2122.Z变换法求解

整理后则为再取Z反变换，得由解的唯一性有：一.离散系统的时域分析213

解：用Z变换法求，先求出

一.离散系统的时域分析214取Z反变换，得二.离散系统的能控性与能观性分析2151.能控性本节的讨论基于线性时变离散系统给出能控性和能观性描述，基于线性定常离散系统给出能控性、能观性判据。线性定常离散系统：

二.离散系统的能控性与能观性分析216线性定常离散系统能控性的判据为：系统矩阵G非奇异时，系统状态完全能控的充要条件是

二.离散系统的能控性与能观性分析217【例7-16】已知线性定常离散系统的状态方程，试判断该系统是否能控。解：该系统的控制矩阵H为系统矩阵非奇异，所以满足能控性的充分必要条件，所以该系统能控。系统矩阵G为二.离散系统的能控性与能观性分析2182.能观性线性定常离散系统为：

二.离散系统的能控性与能观性分析219式中，G、C分别为常数系统矩阵、输出矩阵。

线性定常离散系统能观性的判据为：线性定常离散系统状态完全能观的充要条件是

二.离散系统的能控性与能观性分析220【例7-17】判断下列系统的能观测性。解：系统的输出矩阵则有它的秩为3，所以系统是能观测的。系统矩阵系统的能观测性矩阵为三.离散系统的状态反馈控制221离散系统的状态反馈控制涉及到极点配置，其结果是将闭环传递函数的极点（即特征方程的零点）分配到任何所需位置。为了介绍离散系统的状态反馈控制，考虑伺服电机系统，该系统为二阶模型，示例如图7-22所示。图7-22伺服电机系统的结构框图该系统的状态模型为：

三.离散系统的状态反馈控制222由系统的能控性矩阵

其中增益矩阵K为状态模型可进一步写为：三.