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文档简介
1、1,定义:若存在一个任意的控制向量 , 能在有限的时间 内,把系统从初始状态 (t0可为0)转移到终止状态 ,则称系统状态在t0时刻是能控的;若系统对任意一个初始状态都能控,则称系统的状态完全能控的,或简称系统是能控的.,第二节 能控性定义及其判别准则,线性定常能控性的定义,设线性定常系统的状态方程为:,2,由定义可知: 1) 系统能控性定义中的初始状态x(t0)是状态空间中任意的非零有限点,控制的目标是状态空间的原点. 2) 如果在时间区间t0,t1内存在控制向量u(t),使系统从状态空间坐标原点推向预先指定的状态x(t1),则称状态能达。系统的能控性与能达性是等价的。,3,1) 对于线性时
2、变系统,由于A(t),B(t)是时变矩阵,系统状态向量 的转移,与初始时刻 的选取有关。,注意:,2)在上述定义中提到的控制向量u(t)是任意的,其选择并非唯一的,关心的只是能否将系统状态从x(t0)转移到x(t1),并不关心转移的运动轨迹。,4,2. 线性定常连续系统的能控性判别准则,判别线性系统能控性的问题实际是判别状态方程式解的存在问题。根据系统状态方程和任意指定的初始状态,能否求得任意的控制向量,把初始状态 在有限的时间内转移到状态空间的原点。,状态方程的解的表达式为:,(1)卡尔曼(Kalman)准则:,5,6,若对任意给定的初始状态 ,都能解出 ,则系统具有能控性。要求矩阵 的秩为
3、n。(n为系统阶次,系统矩阵A的维数),能控性矩阵,7,A,B称为能控对。 参考例题可看到: 能控标准型的能控性矩阵是三角阵,可证明系统是完全能控的。,8,例:以三阶系统为例,证明具有能控标准型状态方程的系统必定是状态完全能控的。,9,上式是一个三角形矩阵,其对角线元素为1,可以证明,无论 为何值,此矩阵均为满秩,故给定系统为状态完全能控的。,10,(2)吉伯特(Gilbert)准则:,卡尔曼能控性准则物理含义不很明显,下面介绍Gilbert准则。当系统的状态方程可化为对角线型或亚当标准型时,此方法比较方便。,下面给出将状态方程化为对角线型或亚当标准型的方法,同时根据能控性定义,给出吉伯特准则
4、。,11,设矩阵A的各特征值互不相同,则有一个nn维非奇异阵V将A化为对角线矩阵 ,首先考虑单变量系统(线性定常),其状态方程为:,即,12,用这种相似变换后得到的状态方程中状态变量是彼此解耦的,即每个状态变量都不受其它状态变量的影响,而只受控制作用的直接控制,显然,系统状态能控的条件是控制矩阵每个元素均不为零, 即,13,推广到多变量系统,变换后,状态方程为:,14,以上能控性条件只适用于特征值不同的系统,一般说来,这种系统状态方程能化为对角线型。 注意:某些具有重根特征值的矩阵也可变换为对角线阵。此时,上述条件不适用。,吉伯特准则: 对于一个具有不同特征值的控制系统,系统矩阵A 化为对角线
5、矩阵以后,状态完全能控的条件是, 矩阵中的行向量不为0。,15,若系统矩阵A有重特征值,并且可以用一个非奇异矩阵V将其变换为亚当标准型矩阵时,有:,16,在这种情况下,Gilbert提出的系统状态完全 能控的条件为: V-1B中与每个亚当块最后一行相对应的行向量不为0; V-1B中与不同特征值相对应的各行中元素不全为0;,解释: 第二个条件完全和无重特征值情况一致; 第一个条件只考察与亚当块最后一行对应的那一行,其它行可以为零。,17,以上述亚当矩阵J为例,假设是单变量系统,来说明第一个条件的合理性。,状态方程的前三个式子(对应于三重特征值 )为:,解耦,18,因此对于重根,只需 V-1B 阵中对应亚当块的最后一行不全为0,就可保证该亚当块的其它状态变量能控。,若 ,则从第三式可知, 受 直接控制,第二式中 不受 控制,但包含 , 能控则 能控, 也是同理。,19,例: 用Gilbert准则判断系统的能控性。,20,选择范德蒙矩阵(Vandmont)为变换矩
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