现代控制理论课件第4章控制系统的能控性和能观性.ppt

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第四章 控制系统的能控性和能观性 4-1 能控性和能观性问题的提出 能控性是指系统输入量对系统状态的控制能力。 能观性是指通过系统输出量去反映系统状态的可能性 。 4-2 能控性定义及其判别准则 状态的能达性 Gilbert 能控性准则 输出能控性 4-3 能观性定义及其判别准则 线性时变系统的能控性判别准则 线性时变系统的能观性判别准则 4-4 能控性和能观性的对偶关系 4-5 状态向量的线性变换 状态模型的几种标准形式 4-6 系统的结构分解 结构分解定理1 结构分解定理2 Kalman的典型分解定理 系统传递函数的零、极点对消对系统状态能控性和能观性的影响 单输入系统状态完全能控的充要条件是,其输入量和状态向量之间的传函中没有零极点相消的现象。 单输出系统状态完全能观的充要条件是,其状态向量和输出量之间的传函中没有零极点相消的现象。 SISO系统状态完全能控且能观的充要条件是,其输入量和输出量之间的传函中没有零极点相消的现象。 * * 系统的控制作用能否支配系统状态的变化 系统的能控性问题 系统输出能否反映系统的状态 系统的能观性问题 能控性定义:若存在一个任意的控制向量u(t), 能在有限的时间内,把系统从初始状态x(t0)转 移到任意终止状态x(t1),则称系统是状态完全 能控的,或简称系统是能控的。 能达性定义:若存在一个任意的控制向量u(t),能在有限的时间内,把系统从初始状态x(t0)=0(原点)转移到任意终止状态x(t1),则称系统是状态完全能达的。 对于线性定常系统,能控性和能达性是互逆的。 线性定常系统能控的充要条件: 其能控性矩阵的秩为n,或者 B AB …… AnB线性无关。 系统状态完全能控的条件是: 每一个约当块最后一行相对应的各行中的元素不全为零; 不同特征值相对应的各行中的元素不全为零 输出能控性定义:若存在任意的控制向量u(t), 能在有限的时间内,使任意给定初始输出向量 y(t0)转移到状态空间的原点,则此系统是输出 完全能控的。 线性定常系统输出能控的充要条件: 其中,m为输出向量y的维数。 注:对于一个输出能控的系统,其状态 不一定完全能控。在状态能控性和输出 能控性之间没有必然的联系。 能观性定义:如果根据有限时间 t0≤t≤t1内 观测到的输出向量y(t),能够唯一地确定系统 的状态向量x(t),则此系统称为状态完全能观 的,或简称能观的。 线性定常连续系统的能观性准则 系统状态完全能控的充要条件是: Gramian矩阵W(t0,t1)为非奇异矩阵。 系统状态完全能观的充要条件是: Gramian矩阵W(t0,t1)为非奇异矩阵。 对偶原理:当系统1为状态完全能控(能观)时,系统2为状态完全能观(能控)。 对偶系统的传递函数矩阵是互为转置的。 互为对偶系统的特征方程式是相同的。 状态向量的线性变换不影响系统的状态能控性、 能观性和传递函数阵,也不影响系统矩阵的特 征值和系统平衡状态的稳定性。 当A的特征根互异,J为对角线型 ,用n个互异 的特征值对应的n个线性无关的特征向量组成 非奇异变换矩阵,就能将矩阵变换为对角线型。 约当标准型状态模型 当A的特征根有重根,J为约当标准型 。 通过构造广义特征向量确定非奇异矩阵P。 注:系统的状态模型化成约当标准型之后, 采用Gilbert判别准则可以比较直观地确定 系统状态的能控性和能观性。 能控标准型状态模型(第一种形式) 能控标准型状态模型(第二种形式) 能观标准型状态模型(第一种形式) 能观标准型状态模型(第二种形式) 是状态能控的 是状态不能控的 其中,p1,p2,…,pk是能控的k维子系统的能控性 矩阵中k个线性无关的列向量。而在保证P为非 奇异的前提下,其他的n-k个列向量pk+1,…,pn 是完全任意的。 一个状态不完全能控的系统,其传递函数阵所 描述的只是系统能控的那一部分子系统。 是状态能观的 是状态不能观的 其中,p1,p2,…,pl是能控的l维子系统的能观性 矩阵中l个线性无关的行向量。而在保证P为非 奇异的前提下,其他的n-l个行向量pl+1,…,pn 是完全任意的。 一个状态不完全能观的系统,其传递函数阵所 描述的只是系统能观的那一部分子系统。 注:对于多输入多输出系统,上述结论中的 充要条件应改为必要条件。 *

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