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华中科技大学现代控制理论4.6能控规范形和能观规范形
Ch.4 线性系统的能控性和能观性 目录(1/1) 目 录 概述 4.1 线性连续系统的能控性 4.2 线性连续系统的能观性 4.3 线性定常离散系统的能控性和能观性 4.4 对偶性原理 4.5 线性系统的结构性分解和零极点相消 4.6 能控规范形和能观规范形 4.7 实现问题 4.8 Matlab问题 本章小结 能控规范形和能观规范形(1/3) 4.6 能控规范形和能观规范形 由于状态变量选择的非唯一性,系统的状态空间模型具有非唯一性。 若在状态空间的一组特定基底下,系统的状态空间模型具有某种特定形式,则称这种形式的状态空间模型为规范形。 约旦规范形(对角线规范形)就是以系统的特征向量为其状态空间基底所导出的规范形。 从前面讨论中可以看出,一旦把状态空间模型通过线性变换化成约旦规范形,对于状态转移矩阵?(t)求解以及状态能控性和能观性分析都是十分方便的。 能控规范形和能观规范形(2/3) 下面我们将讨论,通过线性变换将SISO系统的状态空间模型变换成 对于系统的状态反馈设计十分方便的能控规范形和 能简化系统的状态观测器设计的能观规范形。 讨论的主要问题: 基本定义: 能控规范I/II形、 能观规范I/II形 旺纳姆能控规范II形 龙伯格能控规范II形 基本方法: 能控规范形和能观规范形的变换方法 能控规范形和能观规范形(3/3) 讲授顺序为: 能控规范形 能观规范形 MIMO系统的能控能观规范形 。 能控规范形(1/16)—能控规范形定义 4.6.1 能控规范形 定义 若SISO系统的状态空间模型为 能控规范形(2/16)—能控规范形定义 若系统矩阵A和输入矩阵B分别为 能控规范形(3/16) 上述能控规范I形和II型的系统矩阵A分别为前面讨论过的友矩阵的转置和友矩阵。 下面讨论如下两个问题: 能控规范形一定是状态完全能控和 一定存在线性变换将状态能控的状态空间模型变换成能控规范形。 能控规范形(4/16) 能控规范形一定是状态完全能控? 由状态能控的代数判据,对能控规范I形和II型,有如下能控性矩阵: 能控规范形(5/16) 由于线性变换不改变状态能控性,而能控规范形一定状态完全能控, 因此,只有状态完全能控的系统才能变换成能控规范形。 下面讨论将完全能控的状态空间模型变换成能控规范形,以及该线性变换的变换矩阵的构造问题。 对此,有如下对能控状态空间模型变换成能控规范I形和II型的定理。 能控规范形(6/16)--能控规范I形定理 能控规范形(7/16)--能控规范I形定理 能控规范形(8/16)--能控规范I形定理 能控规范形(9/16)--能控规范II形定理 能控规范形(10/16) 能控规范形(11/16) 能控规范形(12/16) 因此,有 Ti=T1Ai-1 i=2,3,…,n 即能控性变换矩阵Tc2为 能控规范形(13/16) 能控规范形(14/16)—例4-19 是非奇异矩阵,即该系统为状态完全能控,因此可以将其变换成能控规范形。 能控规范形(15/16) 能控规范形(16/16) 能观规范形(1/9)—能观规范形定义 能观规范形(2/9)—能观规范形定义 能观规范形(3/9) 由上述定义可知: 能观规范形与能控规范形是互为对偶的,即 能观规范I形与能控规范I形互为对偶, 而能观规范II形与能控规范II形互为对偶。 由对偶性原理可知,能控规范形是状态完全能控的,则其对偶系统能观规范形是状态完全能观的。 由于线性变换不改变能观性,而能观规范形一定状态完全能观,因此,只有状态完全能观的系统才能变换成能观规范形。 下面讨论将完全能观的状态空间模型变换成能观规范I/II形,以及该线性变换的变换矩阵的构造问题,对此,有如下定理。 能观规范形(4/9)--能观规范I形定理 能观规范形(5/9)--能观规范II形定理 能观规范形(6/9)—例4-20 由于能观规范形与能控规范形互为对偶,因此,能观规范形变换定理4-26与定理4-27的证明可由能控规范形变换定理4-24与定理4-25的证明直接给出,这里不再赘述。 例4-20 试求如下系统状态方程的能观规范I形与II型 能观规范形(7/9)—例4-20 解 由于系统的能观性矩阵 能观规范形(8/9) (1) 求能观规范I形。 根据定理4-26,系统变换矩阵可取为 能观规范形(9/9) (2) 求能观规范II形。 根据定理4-27,先求变换矩阵,有 MIMO系统的能控能观规范形(1/1) 4.6.3 MIMO系统的能控能观规范形 MIMO线性定常连续系统的能控规范形和能观规范形,相比于SISO系统,无论是规范形形式还是构造方法都要复杂一些。 本节从基本性和实用性出发,仅讨论应用较广的 旺纳姆(Wonham)能控规范II形和 龙伯格(Luenberger
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