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自控原理九

第九章 状态空间分析与综合 第九章 线性系统的状态空间综合法 §9.1 线性系统的能控性与能观测性 系数相等得: 全维观测器状态方程: -23.5 -8.5 1/s 1/s u 2 -3 -2 x2 (0) x1 (0) x2 x1 y 1/s 1/s 2 -3 -2 设计状态观测器的目的:用 代替x(t), 实现状态反馈。 状态反馈子系统: 复合系统动态方程: 9-4-2 分离原理 问题:状态观测器的H与状态反馈K的 设计之间是否相互影响? 由图知,具有状态观测器的状态反馈系统 是2n维的复合系统, 其中: 可见, 与状态反馈K及u、v均无关。 状态观测器动态方程为: B I s C A B I s C A + u K _ v H + _ 结构分解——讨论不可控或不可观或既不可控又不可观系统的 规范分解问题。 例如: 由判据可知:该系统既不完全可控,又不完全可观测。 且由动态方程易知:x4 ,x6 不可控; x3 , x5 , x6不可观测。 9-2 线性定常系统结构分解(规范分解)的基本概念 原系统方程 重新排列 状态方程 -4 1 0 0 0 0 1 3 0 -4 0 0 0 0 5 7 0 0 -3 0 1 0 4 3 0 0 0 -1 0 1 1 6 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 3 1 1 4 0 0 0 0 5 2 0 0 即将原系统按可控可观性进行结构分解,分解为4个子系统; 除此以外,还可按可控性分解,或按可观性分解;如按可控性分解: 可控子系统 不可控子系统 简记为: 思考题:求此例的可观性分解。 9-3 反馈结构与极点配置 9-3-1 常见的反馈结构 (1)状态反馈 即将状态变量引到输入端: 引入状态反馈后闭环系统状态方程: 考虑n阶线性定常系统 ——系统矩阵变化 ——输出方程不变 传递函数矩阵 注意K的维数。 K + _ v pxn B I s C A + + u x’ x y px1 nx1 - (2)输出反馈 1)输出反馈至状态微分 原系统: B I s C A + + u x’ x y 引入输出反馈: _ H 传递函数矩阵 2)输出量反馈至参考输入 引入输出反馈: F + _ v 动态方程: 思考:H、F的维数 qx1 nx1 nxq px1 pxq 三种反馈比较: K + _ v B I s C A + + u x’ x y 系统矩阵:A- BK pxn SISO:K为1xn的行向量 K=[k1 k2 … kn] B I s C A H + + u x’ x y _ 系统矩阵:A- HC nxq SISO:H为nx1的列向量 B I s C A + + + _ v u x’ x y F 系统矩阵:A- BFC pxq SISO:F为标量 A- BFC B C | λI-(A-BFC)|=0 A B C | λI-A|=0 A- BK B C | λI-(A-BK)|=0 A- HC B C | λI-(A-HC)|=0 系统矩阵 控制矩阵 输出矩阵 特征方程 无反馈 状态反馈 输出反馈(1) 输出反馈(2) 状态反馈:完全表征系统动态行为,信息量大,可在不增加系统维数 情况下自由支配相应特性。 输出反馈:仅利用状态变量线性组合进行反馈,信息量较小,所引入的补 偿装置使系统维数增加,且有时难以得到所期望的响应特性。 若令K=FC则状态反馈与反馈至输入端的输出反馈等价。 所以状态反馈功能更强。 若已知F,必有一个K与之对应 若已知K,不一定有F与之对应 三种反馈结构比较小结 9-3-2 反馈结构对系统性能的影响 可控性 可观性 稳定性 响应特性 1)对

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