现代控制理论-4.1g 线性连续系统的能控性

O
QO
QO
1
h1 h2
2
数,记为R。
Q1
Q2
图中h1(t)和h2(t)分别为水槽液面高度,Q1(t)和Q2(t)分 别为流量。
该双水槽系统的状态能控性可分析如下:
对本例的流体力学系统,假设对两个水槽的流入和流出的 水流体已处于平衡。
wk.baidu.com面仅考虑流量QO的变化量QO所引起的水槽水位 的变化。
所以,无论是从理论还是实践,经典控制理论和技术一般 不涉及到能否控制和能否观测的问题。
概述(5/5)
现代控制理论中着眼于对表征MIMO系统内部特性和动态 变化的状态进行分析、优化和控制。
状态变量向量的维数一般比输入向量的维数高,这里存 在多维状态能否由少维输入控制的问题。
此外,状态变量是表征系统动态变化的一组内部变量,有 时并不能直接测量或间接测量,故存在能否利用可测量 或观测的输出输出的信息来构造系统状态的问题。
下面通过实例来说明能控性的意义 。
能控性的直观讨论(5/12)
例 某并联双水槽系统如图4-2所示,其截面积均为A,它们通
过阀门O均匀地输入等量液体,即其流量QO相同。
O
QO
QO
1
h1 h2
2
Q1
Q2
图4-2并联双水槽系统
能控性的直观讨论(6/12)
当阀门1和2的开度不变时, 设它们在平衡工作点邻域 阀门阻力相等并可视为常
卡尔曼在60年代初首先提出状态能控性和能观性。其 后的发展表明,这两个概念对回答被控系统能否进行控 制与综合等基本性问题,对于控制和状态估计问题的研 究,有着极其重要的意义。
系统能控性指的是控制作用对被控系统的状态和输出 进行控制的可能性。
能控?
r维u(t)
状态 n维x(t)
m维y(t)
能控?
能控性的直观讨论(8/12)
选上述方程中变化量h1和h2为状态变量,将状态变量 带入方程中并消去中间变量Q1和Q2消去,则有

x1 x2


1
AR 1
AR
x1 x2

1 A
Qo
1 A
Qo
解上述状态方程,可得
x1 (t )

exp
-t AR
目录(1/1)
概述(1/5)
概述
本章讨论线性定常系统的定性分析--结构性问题和系统综 合问题,主要内容有: 结构性问题--能控性、能观性、对偶原理 结构分解 能控规范形和能观规范形 系统实现 系统综合问题--状态反馈和状态观测器
概述(2/5)
动态系统的能控性和能观性是揭示动态系统不变的本质特 征的两个重要的基本结构特性。
线性连续系统的能控性(1/2)
4.1 线性连续系统的能控性
本节主要讨论线性定常连续系统的状态能控性和输出能控
性问题。
关键问题:
重点喔!
1. 基本概念: 状态能控性和输出能控性
2. 基本方法: 状态能控性和输出能控性的判别方法
3. 状态能控性的物理意义和在状态空间中的几何意 义
能控性的直观讨论(1/12)
因此,给定输入,则一定会存在唯一的输出与之对应。
反之,对期望输出信号,总可找到相应的输入信号 (即控制量)使系统输出按要求进行控制,不存在能 否控制的问题。
此外,输出一般是可直接测量,不然,则应能间接测量。
否则,就无从对进行反馈控制和考核系统所达到的 性能指标。
因此,在这里不存在输出能否测量(观测)的问题。
能控性的直观讨论(7/12)
由各水槽中所盛水量的平 衡关系和流量与压力(水面 高度)的关系,有
O
QO
QO
1
h1 h2
2
Q1
Q2

A1 A2
dh1
dt dh2
dt
QO Q1 QO Q2
h1 RQ1 h2 RQ2
其中代表平衡工作点附近的变化量。
概述(3/5)
能观性反映由能直接测量的输入输出的量测值来确定 反映系统内部动态特性的状态的可能性。
状态
u(t)
x(t)
y(t)
能观测?
为什么经典控制理论没有涉及到这两个结构性问题?
概述(4/5)
这是因为经典控制理论所讨论的是SISO系统输入输出的分 析和综合问题,它的输入输出间的动态关系可以唯一地由传 递函数所确定。
因此,对该系统,无论如何控制流入的流量QO(t),都不能 使两水槽的液面高度的变化量h1(t)和h2(t)在有限时 间内同时为零,即液面高度不完全能进行任意控制。
上面用实际系统初步说明了能控性的基本含义,能控性在系 统状态空间模型上的反映可由如下两个例子说明。
能控性的直观讨论(10/12)
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
Ch.4 线性系统的能控性和 能观性
本章简介(1/1)
本章简介
本章讨论线性系统的结构性分析问题。 主要介绍 动态系统的状态空间模型分析的两个基本结构性质 ----状态能控性和能观性,以及 这两个性质在状态空间模型的结构分解和线性变换 中的应用, 并引入能控规范形和能观规范形, 以及实现问题与最小实现的概念。 本章最后介绍基于Matlab的控制系统的结构性分析问 题的程序设计与计算。

x1

1 A
t 0
exp
t -τ AR
Qo
(
)d
x2 (t)

exp
-t AR

x2

1 A
t 0
exp
t -τ AR
Qo
(
)d
能控性的直观讨论(9/12)
由上述解可知,当初始状态x1(0)和x2(0)不等时,则x1(t)和 x2(t)的状态轨迹完全不相同,即在有限时间内两条状态 轨线不相交。
4.1.1 能控性的直观讨论
状态能控性反映输入u(t)对状态x(t)的控制能力。 如果状态变量x(t)由任意初始时刻的任意初始状态引起 的运动都能由输入(控制项)来影响,并能在有限时间内 控制到空间原点,那么称系统是能控的, 或者更确切地说,是状态能控的。 否则,就称系统为不完全能控的。