计算机控制技术状态反馈.ppt

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计算机控制技术状态反馈**第1页,共30页,星期日,2025年,2月5日第一节状态反馈及极点配置状态反馈状态反馈极点配置条件和算法状态反馈闭环系统的能控性和能观测性系统的镇定**第2页,共30页,星期日,2025年,2月5日将系统每一个状态变量乘以相应的反馈系数馈送到输入端与参考输人相加,其和作为受控系统的控制输入。一、状态反馈反馈的两种基本形式:状态反馈、输出反馈原受控系统:线性反馈规律:**第3页,共30页,星期日,2025年,2月5日状态反馈闭环系统:反馈增益矩阵:状态反馈闭环传递函数矩阵为:一般D=0,可化简为:状态反馈闭环系统表示:状态反馈系统的特征方程为:**第4页,共30页,星期日,2025年,2月5日极点配置:通过反馈增益矩阵F的设计,将加入状态反馈后的闭环系统的极点配置在z平面期望的位置上。二、状态反馈极点配置条件和算法1、极点配置算法(1)判断系统能控性。如果状态完全能控,按下列步骤继续。1)直接法求反馈矩阵F(维数较小时,n≤3)定理:(极点配置定理)对线性定常系统进行状态反馈,反馈后的系统其全部极点得到任意配置的充要条件是:状态完全能控。注意:矩阵的特征值就是所期望的闭环极点。对不能控的状态,状态反馈不能改变其特征值。**第5页,共30页,星期日,2025年,2月5日(2)求状态反馈后闭环系统的特征多项式:(3)根据给定(或求得)的期望闭环极点,写出期望特征多项式。(4)由确定反馈矩阵K:[例1]考虑线性定常系统其中:试设计状态反馈矩阵K,使闭环系统极点为-2±j4和-10。[解]:(1)先判断该系统的能控性**第6页,共30页,星期日,2025年,2月5日该系统状态完全能控,通过状态反馈,可任意进行极点配置。(2)计算闭环系统的特征多项式设状态反馈增益矩阵为:(3)计算期望的特征多项式**第7页,共30页,星期日,2025年,2月5日由得(4)确定F阵求得:所以状态反馈矩阵K为:[例2]对如下的线性定常系统,讨论状态反馈对系统极点的影响[解]:(1)先判断该系统的能控性由对角线标准型判据可知,特征值为-1的状态不能控。(2)假如加入状态反馈阵F,得到反馈后的特征多项式为:**第8页,共30页,星期日,2025年,2月5日从中可以看出,对于-1的极点,状态反馈不起作用,状态反馈只能通过f2去影响2这个极点。即状态反馈对不能控部分状态,不能任意配置其极点。求将相等繁琐,所以引入第二能控标准型法。2)第二能控标准型法求反馈矩阵(维数较大时,n3)1、首先将原系统化为第二能控标准型2、求出在第二能控标准型的状态下的状态反馈矩阵3、求出在原系统的状态下的状态反馈矩阵**第9页,共30页,星期日,2025年,2月5日证明:原系统:第二能控标准型:其中:式(1)和式(2)比较,得:**第10页,共30页,星期日,2025年,2月5日第二能控标准型:此时的系统不变量和原系统相同。能控标准型下状态反馈后系统矩阵:[第二能控标准型下,状态反馈后闭环系统特征多项式]**第11页,共30页,星期日,2025年,2月5日与理想极点多项式比较,有第二能控标准型下,状态反馈后闭环系统特征多项式为:**第12页,共30页,星期日,2025年,2月5日(1)判断系统能控性。如果状态完全能控,按下列步骤继续。(2)确定将原系统化为第二能控标准型的变换阵若给定状态方程已是第二能控标准型,那么,无需转换第二能控标准型法,求反馈增益矩阵K的步骤:**第13页,共30页,星期日,2025年,2月5日(3)根据给定或求得的期望闭环极点,写出期望的特征多项式:(4)直接写出在第二能控标准型下的反馈增益矩阵:(5)求未变换前原系统的状态反馈增益矩阵:还可以由期望闭环传递函数得到:第二能控标准型法,非常适合于计算机matlab求解期望的闭环极点有时直接给定;有时给定某些性能指标:如超调量和调整时间等)**第14页,共30页,星期日,2025年,2月5日重新求解前面例1:(

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