线性控制系统的能控性与能观测性.ppt

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线性控制系统的能控性与能观测性

第三章 线性控制系统的能控性与能观测性 3.6 线性定常系统的结构分解 例3-17 试用传递矩阵判断下列系统的能控性、能观测性 解:(1) 三个行向量线性无关,系统是能控的。 (2) 三个列向量线性无关,系统是能观测的。 3.5 实现问题 由给定的传递函数(或脉冲响应)建立与输入输出特性等价的系统方程的问题,称为实现问题。 转换时由于状态方程的表示不是唯一的,因此传递函数到状态方程的转换也不是唯一的。一个传递函数可以对应多个状态方程。在实际应用中,常常根据所研究问题的需要,将传递函数化成相应的几种标准形式。 设单输入-单输出系统传递函数为 3.5.1 能控、能观标准形实现 例3-18 已知传递函数为 试采用不同的转换方法到不同标准形式的状态空间方程。 解:1、能控标准形 引入中间变量V(s) 设 得 设 有 可得到如式(3-26)的能控标准形状态空间方程为 2、能观标准形 同样也可以通过设状态变量得到与能控标准形对偶的能观标准形,其表达式为: 实际上,控制系统的能控标准形和能观标准形通常简单地根据式(3-26)、式(3-29)与式(3-31)各参数的对应关系直接写出。 3.5.2 对角标准形或约当标准形实现 设 则有 例3-18 设 则有 设 则有 由 有 由以上各式可写出对角标准形状态空间方程为 例3-18是特征根各不相同时的解法,由于实际系统的特征根还存在有重根的情况,这里分别对这两种情况讨论一下系统对角标准形和约当标准形的实现问题。 一、系统的特征根互异 式中 为系统的互异极点(特征值), 为待定系数。当系数 比较复杂时,可采用公式(3-33)来计算。 这时系统对应的对角标准形状态空间方程可写为 或 设有一个m重根 ,其余 是互异根。 二、系统的特征根具有重根 互异根对应的待定系数 可以由式(3-33)求出,重根对应的待定系数 采用公式(3-37)计算。 此时只能写出该系统如下形式的约当标准形状态空间方程 状态方程 输出方程 例3-19 已知系统传递函数为 写出其对角或约当标准形状态空间方程。 解:系统特征值 可化为约当标准形。 求出式中待定系数 则状态空间方程为 需要注意的是 这里讲的闭环传递函数的分母阶次小于分子阶次的情况(nm) 。如果分母阶次等于分子阶次时( n=m),这时应做一次除法,将传递函数化为带分式的形式,再去求状态方程的表达式。 例3-20 已知系统传递函数为 写出其能控标准形状态空间方程。 解: 此时状态空间方程式带有关联矩阵 能控标准形为 3.5.3 最小实现 通常我们希望实现的维数越低越好。在所有可能的实现中,维数最小的实现称为最小实现。最小实现反映了系统最简单的结构,因此最具有工程意义。 定理3-18 传递函数 的一个实现 为最小实现的充要条件是: 不但能控而且能观。 一般而言,构造最小实现可按如下步骤进行: (1)按给定的系统传递函数阵先找出一种实现;通常,最方便的方法是选取能控标准形实现或能观标准形实现。 (2)对所得实现中,找出其完全能控且完全能观测部分,即为最小实现。 如果系统是不能控、不能观的,那么从结构上看,系统必然包括了能控、不能控和能观、不能观的子系统,因此可以采用线性变换的方法进行结构分解,找到能控或能观的子系统。 我们知道,线性变换不改变系统的能控性和能观测性。因此,可采用线性变换方法将其分解。这里必须解决3个问题: 1、如何分解? 2、分解后系统方程的形式为何? 3、变换矩阵如何确定? 下面介绍结构分解问题。 3.6.1 能控性结构分解 设不能控系统的动态方程为: 经非奇异变换 后,系统的动态方程可写 系统的传递函数矩阵 设能控性判别矩阵的秩为 ,选出其中 个线性无关列,再加任意 个线性无关列,构成非奇异变换阵 能控子系统动态方程为 不能控子系统动态方程为 非奇异变换阵 的求取 使 例3-21 对下列系统进行能控性分解。 能控性矩阵的秩 可知系统不完全能控 [例] 判别如下系统的能观测性: 故此系统是状态完全能观测的 [解]: 构造能观测性判别矩阵,并判断其秩: 2、判据二(标准型法) [前提条件]:线性非奇异变换不改变系统的能观测性 定理:设线性系统 具有两两相异的特征值

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