状态反馈与输出反馈参考文档.ppt

Ch.6 线性系统综合 1 本 章 简 介 (1/1) 本 章 简 介 ? 本章章讨论线性系统的系统综合问题。 ? 主要介绍状态空间分析方法在系统控制与综合中的应用 , 主要内容为 ? 状态反馈与极点配置、 ? 系统镇定、 ? 系统解耦、 ? 状态观测器， ? 以及带观测器的状态反馈闭环系统。 ? 最后介绍基于 Matlab 的线性系统的系统综合问题求解及 闭环控制系统的运动仿真问题的程序设计与仿真计算。 2 目录 (1/1) 目 录 ? 概述 ? 6.1 状态反馈与输出反馈 ? 6.2 反馈控制与极点配置 ? 6.3 系统镇定 ? 6.4 系统解耦 ? 6.5 状态观测器 ? 6.6 带状态观测器的闭环控制系统 ? 6.7 Matlab 问题 ? 本章小结 3 概述 (1/12) 概述 ? 系统综合是系统分析的逆问题。 ? 系统分析问题即为对已知系统结构和参数 , 以及确定好 系统的外部输入 ( 系统激励 ) 下 , 对系统运动进行定性分析 ? 如能控性、能观性、稳定性等 和定量运动规律分析 ? 如系统运动轨迹、系统的性能品质指标等。 的探讨。 ? 而系统综合问题为已知系统系统结构和参数 , 以及所期 望的系统运动形式或关于系统运动动态过程和目标的某 些特征 , 所需要确定的是则需要施加于系统的外部输入 的大小或规律。 4 概述 (2/12) ? 一般情况下 , 控制理论发展与控制系统设计的追求目标 为解析的反馈控制作用规律 ( 反馈控制律 ) 。 ? 对复杂的动力学被控系统 , 在解析反馈控制规律难于 求解的情形下 , 需要求系统的数值反馈控制规律或外 部输入函数的数值解序列 ( 开环控制输入 ) 。 ? 系统综合首先需要确定关于系统运动形式，或关于系统运 动动态过程和目标的某些特征的性能指标函数 , 然后据此确 定控制规律。 ? 综合问题的性能指标函数可分为优化型和非优化型性能 指标 , ? 两者差别在于 : 5 概述 (3/12) ? 优化性能指标是一类极值型指标 , 综合的目的是 使该性能指标函数取极小 ( 极大 ) ； ? 而非优化型性能指标是一类由不等式及等式约 束的性能指标凸空间 , 一般只要求解的控制规律 对应的性能指标到达该凸空间即可。 ? 对优化型性能指标，需要函数优化理论和泛函理论求解 控制规律； ? 而对非优化型性能指标一般存在解析方法求解控制 规律 , 如极点配置方法。 6 概述 (4/12) ? 对于非优化型性能指标 , 按照对闭环系统期望的运动形式从 不同的角度去规定性能 , 可以有多种提法和形式。 ? 常用的非优化型性能指标提法有以下几种。 ? 以系统渐近稳定作为性能指标 , 相应的综合问题为镇 定问题。 ? 以一组期望的闭环系统极点位置或极点凸约束区域 ( 空间 ) 为性能指标 , 相应的综合问题为极点配置问题。 ? 对线性定常系统 , 系统的稳定性和各种性能的品 质指标 ( 如过渡过程的快速性、超调量、周期 性 ), 在很大程度上是由闭环系统的极点位置所 决定的。 7 概述 (5/12) ? 因此 , 在进行系统设计时 , 设法使闭环系统的极点 位于 s 平面上的一组合理的、具有所期望的性能 品质指标的期望极点上 , 可以有效地改善系统的 性能品质指标。 ? 将一个 MIMO 系统通过反馈控制实现一个输入只控 制一个输出的系统综合问题称为系统解耦问题。 ? 系统解耦对于高维复杂系统尤为重要。 ? 以使系统的输出 y ( t ) 无静差地跟踪一个外部信号 y 0 ( t ) 作为性能指标 , 相应得综合问题称为跟踪问题。 8 概述 (6/12) ? 优化型性能指标一般定义为关于状态 x ( t ) 和输入 u ( t ) 的积分型 性能指标函数或关于末态 x ( t f ) 的末值型性能指标函数。 ? 而综合的任务 , 就是要确定使性能指标函数取极值的控制 规律 , 即最优控制律。 ? 相应地性能指标函数值则称为最优性能。 9 概述 (7/12) ? 系统综合问题 , 无论是对优化型还是非优化型性能指标函数 , 首先存在 2 个主要问题。 ? 一个是控制的存在性问题 , 即所谓可综合条件、控制规律 存在条件。 ? 显然 , 只有对可综合的问题 , 控制命题才成立 , 才有必 要去求解控制规律。 ? 对不可综合的问题 , 可以考虑修正性能指标函数 , 或 改变被控系统的机理、结构或参数 , 以使系统可综合 条件成立。 10 概述 (8/12) ? 另一个是如何求解控制规律 , 即构造求解控制律的解析求 解方法或计算机数值算法。 ? 利用这些算法 , 对满足可综合条件的系统 , 可确定控 制规律 , 如确定相应的状态反馈或输出反馈矩阵。 ? 以现代技术的观点 , 这些方法应方便地