第5章 状态反馈与状态观测器5.1 引言 5.2 状态反馈与输出反馈5.3 反馈控制对能控性与能观测性的影响5.4 闭环系统极点配置5.5 状态观测器5.6 采用状态观测器的状态反馈系统5.7 5.8 MATLAB在闭环极点配置及状态观测器设计中的应用5.9 线性控制系统理论的工程应用举例 1状态反馈与状态观测器5.1引言对一个性能不好甚至不稳定的被控系统，如何设计系对一个性能不好甚至不稳定的被控系统，如何设计系统的状态反馈控制律，使闭环系统稳定且具有优良的统的状态反馈控制律，使闭环系统稳定且具有优良的动态响应。动态响应。 状态反馈状态反馈状态观测器设计状态观测器设计2状态反馈与状态观测器图5-1 多输入多输出系统的状态反馈结构 52状态反馈与输出反馈3状态反馈与状态观测器（5-3） 将式（5-3）代入式（5-1）,可得采用状态反馈构成的闭环系统状态空间表达式为 （5-4） D=05-14状态反馈与状态观测器（5-5） 式（5-5）可简记为 ，其对应的传递函数矩阵为 （5-6） 5状态反馈与状态观测器5.2.2输出反馈（5-7） 式中，v为为r维参考输入列向量；y为为m维输出列向量；H为 维输出反馈实数增益矩阵。 6状态反馈与状态观测器 若D=0，（5-8） 式（5-8）可简记为 ，其对应的传递函数矩阵为 （5-9） 7状态反馈与状态观测器 在被控系统D=0时，比较两种基本反馈控制律（只要取 的状态反馈即可达到与线性非动态输出反馈H相同的控制效果。8状态反馈与状态观测器5.3反馈控制对能控性与能观测性的影响 定理5-1 状态反馈不改变被控系统 的能控性，但不一定能保持系统的能观性。 定理5-2 输出反馈不改变被控系统 的能控性与能观性。 9状态反馈与状态观测器 证明 5.2节已说明，输出反馈H可等效为 的状态反馈，又由定理5-1知，状态反馈不改变被控系统的能控性，故输出反馈不改变被控系统的能控性。 可从系统能观性的PBH秩判据出发证明输出反馈不改变被控系统 的能观性。显然，对复数域C上的所有s,下式成立，即 （5-14） 5.4闭环系统极点配置10状态反馈与状态观测器 证明 先证必要性。由定理5-1知，若 不能控，则其不能控极点及其对应的不能控模态不能通过状态反馈改变。证毕。 再证充分性。以下充分性证明过程实际上给出了单输入单输出系统设计反馈增益矩阵的规范算法。 (1)若被控系统 状态完全能控，且设其特征多项式和传递函数分别为 11状态反馈与状态观测器（5-16） （5-17） 可通过如下变换（设 为能控标准型变换矩阵） （5-18） 将 化为能控标准型 ，即 12状态反馈与状态观测器（5-19） 式中， （5-20） 13状态反馈与状态观测器 (2)针对能控标准型 引入状态反馈 （5-21） 式中， ，可求得对 的闭环系统 的状态空间表达式仍为能控标准型，即 （5-22） 式中， 14状态反馈与状态观测器（5-23） 则闭环系统 的特征多项式和传递函数分别为 （5-24） 15状态反馈与状态观测器（5-25） 式（5-24）、（5-25）表明， 的n阶特征多项式的n个系数可通过 即 的特征值可任选。独立设置，故若被控系统 能控，则其状态反馈系统极点可任意配置。 又16状态反馈与状态观测器 (3)事实上，由给定的期望闭环极点组 ，可写出期望闭环特征多项式 （5-26） 令式（5-24）与式（5-26）相等，可解出能控标准型 使闭环极点配置到期望极点的状态反馈增益矩阵为 （5-27） 17状态反馈与状态观测器(4) 将式（5-18）代入式（5-21）得 （5-28） 则原被控系统 即对应于状态x引入状态反馈使闭环极点配置到期望极点的状态反馈增益矩阵为 （5-29） 18状态反馈与状态观测器2. 采用状采用状态反反馈配置配置闭环极点的方法极点的方法 方法一 规范算法规范算法 对状态完全能控的单输入单输出被控系统 ,可采用以上状态反馈任意配置极点充分条件证明过程所给出的规范算法确定实现闭环极点配置目标的反馈增益矩阵F，即在根据式（5-16）、（5-26）分别确定开环系统 特征多项式和期望闭环特征多项式系数的基础上，先用式（5-27）求出能控标准型 对应的 下的状态反馈增益矩阵 ；然后再根据式（5-29）将 变换为原状态x下的状态反馈增益阵F ，即 19状态反馈与状态观测器(5-30) 式中, 为按式（5-18）将 化为能控标准型 的变换矩阵 的逆矩阵，即 （5-31） 20状态反馈与状态观测器 方法二 解联立方程解联立方程 设状态反馈增益阵 ，则闭环系统 的特征多项式为 （5-34） 而由给定的期望闭环极点组 ，可确定如式（5-26）所示的期望闭环特征多项式。为将闭环极点配置在期望位置，应令式（5-34）与式（5-26）相等，即令 ，由两个n阶特征多项式对应项系数相等，可得n个关于 的联立代数方程，若 能控，解联立方程可求出唯一解 。 21状态反馈与状态观测器 【例5-2】被控系统 的状态空间表达式为 试设计状态反馈增益矩阵F，使闭环系统极点配置为 和 ，并画出状态变量图。 解 (1)所以被控系统状态完全能控，可通过状态反馈任意配置闭环系统极点。 22状态反馈与状态观测器 (2) 确定闭环系统期望特征多项式 闭环系统期望极点为 ，对应的期望闭环特征多项式为 则， ， (3)求满足期望极点配置要求的状态反馈增益矩阵 方法一 规范算法 23状态反馈与状态观测器 被控系统 的特征多项式为 则 ， 根据式（5-27），能控标准型 对应的 下的状态反馈增益阵 为 按式（5-18）将 化为能控标准型 的变换矩阵 为 24状态反馈与状态观测器则 根据式（5-29），原状态x下的状态反馈增益阵F应为 25状态反馈与状态观测器 方法二 解联立方程解联立方程 对被控系统 ，引入 状态反馈后的闭环系统 特征多项式为 令 ，即 ，比较等式两边同次幂项系数得如下联立方程 解之得 ， 26状态反馈与状态观测器 (4) 据被控系统状态空间表达式和所设计的状态反馈增益矩阵F，可画出状态反馈后的闭环系统状态变量图如图5-3所示。 图5-3 例5-2图 27状态反馈与状态观测器3. 采用状采用状态反反馈进行部分极点配置行部分极点配置 若被控系统 状态不完全能控,采用状态反馈只能将其能控子系统的极点配置到期望位置,而不可能移动其不能控子系统的极点。换言之, 对状态不完全能控的n阶系统 而言,若期望配置的n个极点中包含了其全部的不能控极点,那么这一组闭环极点是可以采用状态反馈进行配置的(这时实质上只是配置了被控系统的能控极点);否则,就不能采用状态反馈配置n个极点。 28状态反馈与状态观测器5.4.2采用线性非动态输出反馈至参考输入配置闭环系统极点 定理5-4 完全能控的系统不能靠引入式（5-7）所示的线性非动态输出反馈控制来任意配置闭环系统的极点。 对定理5-4以单输入单输出系统为例加以说明。这时,输出反馈矩阵为反馈放大系数(标量)H,由经典控制理论的根轨迹法,改变反馈放大系数H时的闭环极点变化的轨迹是起于开环极点,终于开环零点或无限远点的一组根轨迹,即闭环极点不能配置在复平面的任意位置。 29状态反馈与状态观测器 定理5-5 对完全能控的单输入单输出系统 ,通过带动态补偿器的输出反馈实现极点任意配置的充要条件为: (1) 完全能观; (2) 动态补偿器的阶数为n-1。 5.4.3镇定问题 若被控系统 通过状态反馈(或输出反馈)能使其闭环极点均具有负实部,即闭环系统渐近稳定,则称系统是状态反馈(或输出反馈)可镇定的。 30状态反馈与状态观测器 定理5-6 线性定常系统 采用状态反馈可镇定的充要条件是其不能控子系统为渐近稳定。 定理5-7 线性定常系统 采用输出反馈可镇定的充要条件是 结构分解中的能控且能观子系统是输出可镇定的;而能控不能观、能观不能控、不能控且不能观的三个子系统均为渐近稳定。 31状态反馈与状态观测器 【例5-3】被控系统 的状态空间表达式为 试设计状态反馈增益矩阵F，使闭环系统得到镇定。该被控系统采用输出反馈可否镇定? 解 为能控标准型,显然能控,故可采用状态反馈使闭环系统镇定。若设期望极点为 , ,则对应的期望闭环特征多项式为 32状态反馈与状态观测器 由规范算法可确定满足期望极点配置要求的状态反馈增益矩阵 ,对应的闭环系统状态变量图如图5-4(a)所示。但若 采用线性非动态输出反馈, 则闭环系统 的特征多项式为 可见, 引入反馈放大系数为h的线性非动态输出反馈后的闭环特征多项式仍缺项, 不论如何选择反馈放大系数h,均不能使闭环系统镇定,即该系统采用线性非动态输出反馈不可镇定。33状态反馈与状态观测器 由图5-4(a)可画出图5-4(b)所示的状态反馈闭环系统等效方块图,其等效为在输出反馈控制回路中嵌入反馈动态补偿器H(s) ,即若采用 的输出动态反馈可达到与引入线性状态反馈 一样的控制效果(将闭环极点配置在 , ) 。但从H(s)的结构看,其包括比例环节和一阶微分环节,在物理上较上述状态线性反馈复杂且难于实现。 图5-4 例5-3图 34状态反馈与状态观测器5.5状态观测器 状态反馈实现的前提是获得系统全部状态信息,然而,状态变量并不一定是系统的物理量, 选择状态变量的这种自由性本是状态空间综合法的优点之一,但这也使得系统的所有状态变量不一定都能直接量测;另一方面,有些状态变量即使可测,但所需传感器的价格可能会过高。状态观测或状态重构问题正为了克服状态反馈物理实现的这些困难而提出的,其核心是通过系统可量测参量(输出及输入)重新构造在一定指标下和系统真实状态 等价的估计状态或重构状态 ,且常采用式(5-35)所示的渐近等价指标,即 35状态反馈与状态观测器(5-35) 式中, 为观测误差。实现状态重构的系统(或计算机程序)称为状态观测器, 式(5-35)也称观测器存在条件。当观测器重构状态向量的维数等于或小于被控系统状态向量维数时,分别称为全维状态观测器或降维状态观测器。 36状态反馈与状态观测器5.5.1全维观测器的构造思想 设式(5-2)所示的被控系统 状态完全能观,一条重构状态向量的可能途径是对输出y(t)求导 n-1次,即 (5-36) 37状态反馈与状态观测器 因为 能观,则其能观性判别阵的秩为n,故由式(5-36)一定可选出关于状态变量的n个独立方程,进而获得x(t)的唯一解。可见,只要被控系统能观,理论上可通过输入、输出及它们的导数重构系统状态向量x(t)。但这种方法要对输入、输出进行微商运算,而纯微分器难以构造;且微分器不合理地放大输入、输出测量中混有的高频干扰,以致状态估计值产生很大误差,故从工程实际出发,该方法不可取。 38状态反馈与状态观测器 为避免在状态重构中采用微分运算,一个直观的想法是构造一个与 结构和参数相同的仿真系统 来观测系统实际状态x(t),且让 与 具有相同的输入,如图5-5所示。 图5-5 开环观测器 39状态反馈与状态观测器 显然,在假设矩阵A, B和C在实际被控对象 中及其计算机仿真系统 中相同的前提下,只要设置 的初态与 的初态相同,即 ,则可保证重构状态 与系统的实际状态 始终相同。尽管只要 能观,根据输入和输出的测量值总能计算出系统的初态 ,但每次应用图5-5所示的开环观测器均要计算 并设置 ,计算量太大。另一方面,开环观测器的观测误差 所满足的微分方程为 (5-37) 而由于存在外界扰动和设置误差,通常 ,即 ,这时由式(5-37)可得观测误差 为 40状态反馈与状态观测器(5-38) 式(5-38)表明,只有当 的系统矩阵A的特征值均具有负实部时, 才满足观测器存在条件,即当时间足够长时,观测误差 趋于零,实现状态重构;若 为不稳定系统,则 将不能复现 。一般而言, 开环观测器也无实用价值。 41状态反馈与状态观测器 可应用反馈控制原理对图5-5所示的开环观测器方案进行改进,即引入观测误差 负反馈,以不断修正仿真系统,加快观测误差趋于零的速度。 但 不可直接量测,而 对应 ,且系统输出估计值与实际值的误差 可量测,故引入输出偏差 负反馈至观测器的 处,构成以u和y为输入、 为输出的闭环渐近状态观测器,如图5-6所示,其采用了输出反馈的另一种结构,是一种较实用的观测器结构。 42状态反馈与状态观测器图5-6 闭环(渐近)状态观测器 图5-6中, G为 输出偏差反馈增益矩阵(m为系统输出变量的个数)，且其为实数阵。43状态反馈与状态观测器 由图5-6可得闭环状态观测器的状态方程为 (5-39) 由式(5-39)及待观测系统 的状态方程,可得闭环观测器的观测误差 所满足的微分方程为 (5-40) 设初始时刻 ,式(5-40)的解为 (5-41) 44状态反馈与状态观测器 式(5-40)及式(5-41)表明,若通过选择输出偏差反馈增益矩阵G使A-GC的所有特征值均位于复平面的左半开平面,尽管初始时刻 时 与 存在差异,观测器的状态 仍将以一定精度和速度渐渐逼近系统的实际状态 ,即满足式(5-35)所示的渐近等价指标,故闭环观测器也称为渐近观测器。显然, 观测误差 趋于零的收敛速率由观测器系统矩阵A-GC的主特征值决定,可证明若 能观,则闭环观测器的极点即A-GC的特征值可通过选择偏差反馈增益矩阵G而任意配置。 45状态反馈与状态观测器5.5.2闭环观测器极点配置1. 闭环观测器极点任意配置的充分必要条件器极点任意配置的充分必要条件 定理5-8 图5-6中的闭环状态观测器的极点可任意配置的充分必要条件是被控系统 能观测。 系统能观测,只是其观测器存在的充分条件,并非必要条件。对系统 ,观测器存在的充分必要条件是 的不能观子系统为渐近稳定。 46状态反馈与状态观测器2. 输出偏差反出偏差反馈增益矩增益矩阵G的的设计 全维闭环状态观测器的设计就是确定合适的输出偏差反馈增益矩阵G,使A-GC具有期望的特征值,从而使由式(5-40)描述的观测误差动态方程以足够快的响应速度渐近稳定。 状态完全能观测的单输入单输出系统,闭环观测器的极点配置设计可仿照5.4节介绍的状态完全能控的单输入单输出系统用状态反馈进行闭环极点配置的设计方法进行;也可基于对偶原理采用在对偶系统中由状态反馈配置闭环极点方法确定状态反馈增益阵F,再根据 确定原系统观测器偏差反馈增益矩阵G。 47状态反馈与状态观测器 若单输入单输出系统 状态完全能观，其特征多项式为 （5-42） 设 为闭环状态观测器系统矩阵期望特征值，对应的期望特征多项式为 （5-43） 48状态反馈与状态观测器 若 为能观标准型,则所需的观测器偏差反馈增益矩阵为 (5-44) 若 不为能观标准型,则可采用如下变换（设 为能观标准型变换阵） （5-45） 49状态反馈与状态观测器将系统化为能观标准型其中, 50状态反馈与状态观测器则先用式（5-44）求出能观标准型 对应的 下的观测器增益矩阵 ,然后再将 下求得的 变换到原状态x下下,即得重构系统 状态x所需的观测器偏差反馈增益矩阵为 (5-46) 式中, (5-47) 51状态反馈与状态观测器 【例5-4】被控系统 的状态空间表达式为 试设计全维状态观测器使其极点为-3，-3。 解 (1)所以，系统状态完全能观，可建立状态观测器, 且观测器的极点可任意配置。 52状态反馈与状态观测器(2) 确定闭环状态观测器系统矩阵的期望特征多项式 观测器系统矩阵 的期望特征值为 ，对应的期望特征多项式为 则 ， ， (3) 求所需的观测器偏差反馈增益矩阵 方法一 规范算法规范算法 在例5-2中已求得系统 的特征多项式为 ,则 ， 53状态反馈与状态观测器 根据式（5-44），能观标准型 对应的 下的状态观测器增益矩阵为 按式（5-47）将 化为能观标准型 的变换矩阵 为 则根据式（5-46），重构系统 状态x所需的观测器偏差反馈增益矩阵G为 54状态反馈与状态观测器方法二 解联立方程解联立方程 与状态反馈闭环系统极点配置的情况类似,若系统是低阶的,将观测器偏差反馈增益矩阵G直接代入所期望的特征多项式往往较为简便。观测器系统矩阵 的特征多项式为 55状态反馈与状态观测器 令 ，即 ，比较等式两边同次幂项系数,得如下联立方程 解之，得 ， (4) 由式(5-39),观测器的状态方程为 56状态反馈与状态观测器图5-7 例5-4图 或 被控系统及全维状态观测器的状态变量图如图5-7(a)或图5-7 (b)所示。 57状态反馈与状态观测器5.5.3降维观测器 若多变量系统能观且输出矩阵C的秩为m,则系统的m个状态变量可用系统的m个输出变量直接代替或线性表达而不必重构,只需建立(n-m) 维的降维观测器(常称为Luenberger观测器)对其余的(n-m)个状态变量进行重构。 设能观测被控系统 的状态空间表达式为 (5-51) 58状态反馈与状态观测器输出矩阵C的秩为m, (n-m) 维降维观测器的一般设计方法如下: 构造 非奇异矩阵T为 (5-52) 式中, 是使矩阵T非奇异而任意选择的(n-m) 个行向量组成的 矩阵。 （1）选）选T使使CT-1=0 I59状态反馈与状态观测器(5-53) 60状态反馈与状态观测器（5-56b） (2) 重构状态的状态方程和输出方程重构状态的状态方程和输出方程（1）选）选T使使CT-1=0 I61状态反馈与状态观测器 由系统 能观,易证明子系统 能观,即 为能观测对,故可仿照全维观测器设计方法,对(n-m)维子系统 设计(n-m)维观测器重构 。式中, 反馈矩阵 为 矩阵,根据定理5-8,通过适当选择 可任意配置系统矩阵 的特征值。但式(5-60)中含有系统输出的导数 ,这是不希望的。为了消去式(5-60)中的 , 将变换 （3）对）对 设计观设计观测器测器62状态反馈与状态观测器(5-61) 代入式(5-60)并整理,得降维观测器方程为 (5-62) 结合 ,整个状态向量 的估值可表示为 (5-64) （4）换回到原系统）换回到原系统63状态反馈与状态观测器64状态反馈与状态观测器【例5-5】设系统 的状态空间表达式为 试设计极点为-4,-4的降维状态观测器。 解 (1)故系统能观。又 ,故可构造 维 降维观测器。 65状态反馈与状态观测器(2) 根据式(5-52),构造 非奇异矩阵T为则, 作变换 ,则将 变换为 ,即 66状态反馈与状态观测器由于 ,故只需设计二维观测器重构 。将 分块,得 (3)求降维观测器的 反馈矩阵 67状态反馈与状态观测器 由降维观测器特征多项式 及期望特征多项式 比较 与 各相应项系数,联立方程并解之,得 68状态反馈与状态观测器(4)在变换后状态空间中的降维观测器状态方程为 则 所对应状态向量 的估值为 69状态反馈与状态观测器(5)将 变换为原系统状态空间,得到原系统 的状态重构为 由降维观测器状态方程可画出其结构图如图5-9所示。 70状态反馈与状态观测器71状态反馈与状态观测器5.6采用状态观测器的状态反馈系统 带有全维状态观测器的状态反馈系统如图5-10所示。 图5-10 带有渐近状态观测器的状态反馈系统 72状态反馈与状态观测器 设能控且能观的被控系统 的状态空间表达式为 (5-66) 渐近状态观测器的状态方程为 (5-67) 利用观测器的状态估值 所实现的状态反馈控制律为 (5-68) 将式（5-68）代入式（5-66）、式（5-67）得整个闭环系统的状态空间表达式为 73状态反馈与状态观测器（5-69） 式（5-69）写成矩阵形式，即 (5-70) 这是一个2n维的复合系统。为便于研究复合系统的基本特性，对式(5-70)进行线性非奇异变换 74状态反馈与状态观测器 (5-71) 则（5-72） 根据式（5-72）可得2n维复合系统的特征多项式为 75状态反馈与状态观测器 (5-73) 式（5-73）表明, 由观测器构成状态反馈的2n维复合系统，其特征多项式等于矩阵A-BF的特征多项式 与矩阵A-GC的特征多项式 的乘积。即2n维复合系统的2n个特征值由相互独立的两部分组成：一部分为直接状态反馈系统的系统矩阵A-BF的n个特征值；另一部分为状态观测器的系统矩阵A-GC的n个特征值。复合系统特征值的这种性质称为分离特性。 76状态反馈与状态观测器 只要被控系统 能控能观，则用状态观测器估值形成状态反馈时，可对 的状态反馈控制器及状态观测器分别按各自的要求进行独立设计，即先按闭环控制系统的动态要求确定A-BF的特征值，从而设计出状态反馈增益阵F；再按状态观测误差趋于零的收敛速率要求确定A-GC的特征值，从而设计出输出偏差反馈增益矩阵G;最后，将两部分独立设计的结果联合起来，合并为带状态观测器的状态反馈系统。77状态反馈与状态观测器【例5-6】被控系统 的状态空间表达式为 试设计极点为-3,-3的全维状态观测器，构成状态反馈系统，使闭环极点配置为 和 。 解 由例5-2及例5-4知，此被控系统 能控能观，可分别独立设计状态反馈增益阵F和观测器偏差反馈增益矩阵G。 例5-2中已求出此被控系统采用直接状态反馈使其即为本题所设计的状态反馈增益阵 闭环极点配置为-1+j和-1-j所需的，。78状态反馈与状态观测器 而在例5-4中已求出此被控系统无状态反馈时，即为本题所设计的观测器偏差反馈增益矩阵G。 使观测器极点配置为-3,-3所需的，其 故设计好的闭环系统状态变量图如图5-11所示。 79状态反馈与状态观测器图5-11 例5-6图 80状态反馈与状态观测器 解 因被控系统的传递函数不存在零极点对消,且其为单变量系统,故其能控能观。状态反馈控制与状态观测器可分别独立设计。 【例5-7】设被控系统的传递函数为且假设系统输出量是可以准确测量, 试设计降维观测器，构成状态反馈系统，使闭环极点配置为 。 , 被控系统按能观标准型实现,即有 为 81状态反馈与状态观测器(1)根据闭环极点配置要求设计状态反馈增益阵F 令 ,则 特征多项式为 与期望特征多项式 比较得 (2)设计降维观测器 82状态反馈与状态观测器 为能观标准型,有 ,又输出量y可准确测量, 故只需设计一维观测器重构 ,对应的降维观测器状态方程为 式中, , 基于通常选择观测器的响应速度比所考虑的状态反馈闭环系统快25倍这一经验规则,本例取观测器期望极点为 83状态反馈与状态观测器则降维观测器特征多项式 与期望特征多项式 比较得 则降维观测器状态方程为 又 ,则 所对应状态向量 的估值为 84状态反馈与状态观测器(3)将两部分独立设计的结果联合起来，得带降维观测器的状态反馈系统结构,如图5-12所示。 图5-12 例5-7图 85状态反馈与状态观测器5.7解耦控制 设多变量线性定常系统 的输入向量维数与输出向量维数相等,其状态空间表达式为 （5-74） 式中， 均为m维列向量； 为n维列向量;A,B,C分别为 实数矩阵,且设 。与式（5-74）对应的传递函数阵为 86状态反馈与状态观测器(5-75) 式中, 为m阶严格真有理函数方阵; 为 的第i行第j列元素,表示第i个输出量与第j个输入量之间的传递函数。若系统初始为零状态,则其输入输出关系为 (5-76) 87状态反馈与状态观测器 由式(5-76)可见, 一般情况下,多变量系统的每一输入分量对多个(或所有)输出分量均有控制作用,即每一输出分量受多个(或所有)输入分量的控制。这种第j个输入量控制第i个输出量( )的关系称为输入输出间的耦合作用,这种耦合使多变量系统的控制通常十分困难,例如, 就难以找到合适的输入量,达到控制某一输出分量而不影响其它输出分量的要求。因此,有必要引入合适的控制律,使输入输出相互关联的多变量系统实现解耦,即实现每个输出分量仅受一个对应输入分量控制,每个输入分量也仅能控制对应的一个输出分量。 88状态反馈与状态观测器 显然, 解耦系统的传递函数矩阵必为对角线形的非奇异矩阵,由此解耦系统的定义出发,使多变量系统实现解耦的基本思路是通过引入控制装置使系统传递函数矩阵对角化,而具体实现方法主要有前馈补偿器解耦、输入变换与状态反馈相结合解耦等。89状态反馈与状态观测器5.7.1前馈补偿器解耦 采用前馈补偿器实现解耦的方法如图5-13所示,在待解耦系统前串联一个前馈补偿器,使串联后总的传递函数阵成为对角形的有理函数矩阵。 图5-13 前馈补偿器实现解耦 图5-13中,待解耦系统和前馈补偿器的传递函数阵分别为 和 ,则串接补偿器后整个系统的总传递函数阵为 90状态反馈与状态观测器 (5-77) 令 (5-78) 显然,只要待解耦系统传递函数阵 满秩,即 的逆 存在,则可采用如式(5-79)所示的前馈补偿器使系统获得解耦,即 (5-79) 式中, 为串接补偿器后解耦系统的对角形传递函数阵,如式(5-78)所示。 串接前馈补偿器解耦的原理虽然简单,但其增加了系统的维数,且其实现受到 是否存在及 物理上是否可实现的限制。 91状态反馈与状态观测器5.7.2输入变换与状态反馈相结合实现解耦控制 采用输入变换与状态反馈相结合方式以实现闭环输入输出间解耦控制的系统结构如图5-14所示。 图5-14 采用输入变换与状态反馈相结合实现解耦 图5-14中, 待解耦系统 状态空间表达式及传递函数阵分别如式(5-74)及式(5-75)所示;状态反馈增益阵F为 实常数阵;输入变换阵K为 实常数非奇异阵;v为m维参考输入信号列向量。 92状态反馈与状态观测器 由图5-14可见,为实现闭环解耦控制,对 采用的控制律为 (5-80) 将式(5-80)代入式(5-74),得图5-14所示闭环系统 的状态空间表达式及传递函数矩阵,即 (5-81)(5-82)因此,待解耦系统 采用式(5-80)所示控制律实现闭环解耦问题在频域中可简单描述如下:寻找适当的状态反馈增益矩阵F和输入变换阵K,使式(5-82)所示的闭环系统 的传递函数阵为对角形矩阵。 93状态反馈与状态观测器 定义 是0(n-1)之间满足下式 (5-83)的最小整数。式中, 为 输出矩阵C的第i行向量, 故相应的 的下标i表示行数 。若对 ,均有 ,则令 。 根据 ,定义 维矩阵 (5-84) 94状态反馈与状态观测器 定理5-9 系统系统 采用式采用式(5-80) 所示所示输入变换与状态反馈相结合控制律可解耦的充要条输入变换与状态反馈相结合控制律可解耦的充要条件是式件是式(5-84)所示矩阵所示矩阵 非奇异非奇异。 95状态反馈与状态观测器 定理5-10 当系统当系统 可以式可以式(5-80) (5-80) 所所示输入变换与状态反馈相结合控制律解耦时示输入变换与状态反馈相结合控制律解耦时, , 若取输若取输入变换阵入变换阵K及状态反馈增益阵及状态反馈增益阵F为为 (5-85) 96状态反馈与状态观测器则所得闭环系统则所得闭环系统 (5-86) 是积分型解耦系统是积分型解耦系统,其传递函数阵为其传递函数阵为 (5-87) 97状态反馈与状态观测器5.8MATLAB在闭环极点配置及状态观测器设计中的应用5.8.1用MATLAB解闭环极点配置问题 MATLAB控制系统工具箱中提供了极点配置函控制系统工具箱中提供了极点配置函数数place( )和和acker( ),可用于求解状态反馈增益矩阵。可用于求解状态反馈增益矩阵。其中其中, 函数函数place( )可求解多变量系统的极点配置问题可求解多变量系统的极点配置问题,但该函数不适用于含有多重期望极点的问题但该函数不适用于含有多重期望极点的问题;函数函数acker( )只适用于设计状态变量数目不多只适用于设计状态变量数目不多( )的单输入单的单输入单输出系统输出系统,可以求解配置多重极点的问题可以求解配置多重极点的问题,但该函数不但该函数不能求解多变量系统的极点配置问题。能求解多变量系统的极点配置问题。98状态反馈与状态观测器 极点配置函数的调用格式为 (5-88)(5-89)式(5-88)和式(5-89)中,A 、B分别为被控系统 的系统矩阵、输入矩阵;P P为由n个期望闭环极点 构成的向量;F为实现闭环极点配置所需的状态反馈增益矩阵。 99状态反馈与状态观测器5.8.2用MATLAB设计状态观测器 单输入单输出系统全维观测器的极点配置设计可基于对偶原理,应用MATLAB控制系统工具箱中的函数place( )和acker( )直接求解。 【例5-9】 应用MATLAB极点配置函数求解例5-4的全维观测器设计问题。 解 求解程序如MATLAB Program 5_3 100状态反馈与状态观测器%MATLAB Program 5_3 A=1 3;0 -1; C=1 1; P=-3;-3; %由观测器期望极点构成向量PGt=acker(A,C,P); %求对偶系统 的状态反馈增益阵Gt %求系统 的观测器偏差反馈增益矩阵G G=Gt 运行MATLAB Program 5_3程序后,得 ,若再键入如下指令 eig(A-G*C) 可验证状态观测器极点确被配置到期望位置-3 ，-3处。 101状态反馈与状态观测器5.9线性控制系统理论的工程应用举例102状态反馈与状态观测器5.9.1稳态精度与跟踪问题 当单输入单输出被控系统 仅采用状态反馈控制律 时, 闭环系统 对单位阶跃参考输入信号的跟踪误差为 (5-88) 为了提高系统稳态精度, 基于状态空间综合法的一种简单实现方法是除了按极点配置法确定状态反馈增益阵F外,还引入输入变换放大器K,如图5-15所示。 103状态反馈与状态观测器图5-15 带有输入变换的状态反馈系统 由图5-15可见, 单输入单输出被控系统 采用输入变换和状态反馈后的闭环系统传递函数为 104状态反馈与状态观测器(5-89) 对单位阶跃参考输入信号的跟踪误差 (5-90) 可通过设置输入变换放大系数K进行调整。由式(5-90)可推出选择K使系统对阶跃参考输入信号产生零稳态误差的条件为 (5-91) 105状态反馈与状态观测器 以上讨论未考虑系统的外部扰动。但实际系统的外部干扰作用是难免的,致使系统稳态时不能理想跟踪参考输入而产生稳态误差。由经典控制理论知, 单输入单输出系统可采用在系统偏差后面串入积分器作为控制器的一部分来抑制与消除稳态误差,将这一思想应用到多输入多输出系统中,可让m维误差向量e的每一分量后面均串入积分器,构造图5-16所示的状态反馈加状态反馈加积分器校正的输出反馈系统积分器校正的输出反馈系统。 106状态反馈与状态观测器图5-16状态反馈加积分器校正的输出反馈系统 图5-16中, n维列向量d为扰动输入; 分别为n维,r维和m维列向量；A,B,C分别为 实数矩阵; , 分别为 , 实数矩阵。将m个积分器生成的w作为附加状态向量,与原被控系统可构成被控系统增广的动态方程 107状态反馈与状态观测器(5-92) 增广系统的状态反馈控制律为 (5-93) 式(5-93)中的第一项 为被控系统的普通状态负反馈, 第二项 是为改善稳态性能而引入的误差的积分信号。只有式(5-92)所描述的n+m维增广系统状态完全能控, 才可采用式(5-93)所示的状态反馈改善系统的动态和稳态性能。 108状态反馈与状态观测器 容易证明,增广系统能控的充要条件为原被控系统 能控,且 (5-94) 显然, 式(5-94)成立的必要条件为系统的控制维数不得少于误差的维数 ( )且 109状态反馈与状态观测器 将式(5-93)代入式(5-92)可得由式(5-92)和式(5-93)组成的状态反馈增广系统(见图5-16)的动态方程为 (5-95) 式中, 和 由期望的闭环极点配置决定,而且,只要式(5-92)所示增广系统能控,则能实现式(5-95) 所示闭环系统的系统矩阵特征值的任意配置。可以证明,只要 和 选得使式(5-95)的特征值均具有负实部,则图5-16所示闭环系统可消除阶跃扰动及阶跃参考输入作用下的稳态误差。 110状态反馈与状态观测器5.9.2基于状态空间综合法的单倒立摆控制系统设计实例图5-17 单倒立摆控制系统 设有一单倒立摆(摆杆和其上的摆锤)用铰链安装在由伺服电机驱动的小车上,如图5-17所示。这是空间起飞助推器的姿态控制模型,其控制目标是使空间助推器保持在垂直位置。在该例中, 仅考虑倒立摆和小车在图5-17所示平面内运动的二维问题。倒立摆是不稳定的,若不给小车在水平方向施加适当的控制力u, 倒立摆就不能保持在垂直位置而会向左或向右倾倒。 111状态反馈与状态观测器 为简化问题,忽略摆杆质量、伺服电机惯性及摆轴、轮轴、轮与接触面之间的摩擦力及风力,设小车的质量M=2kg, 摆锤的质量m=0.1kg, 摆杆的长度l=0.5m,控制的目的是尽可能地保持倒立摆垂直且使尽可能地保持倒立摆垂直且使小车停留在任意给定但可变更的位置上小车停留在任意给定但可变更的位置上。 112状态反馈与状态观测器 1. 建立被控系统的数学模型 图5-18 受力图 图5-17中, 为摆杆偏离垂线的角度(rad), z为小车水平方向的瞬时位置坐标, 则摆锤重心的水平、垂直坐标分别为 、 。图5-18所示为摆杆-摆锤联合体及小车受力图(忽略摩擦力),其中 、 分别为小车通过铰链作用于摆杆的力的水平、垂直分量(见图5-18(a)及其对应的反作用力(见图5-18 (b) 。 113状态反馈与状态观测器 摆杆-摆锤联合体的运动可分解为重心的水平运动、重心的垂直运动及绕重心的转动这3个运动,由牛顿力学定律,描述这3个运动的方程分别为 (5-96)(5-97)(5-98) 小车的水平运动方程为 (5-99) 114状态反馈与状态观测器 将式(5-96)代入式(5-99)得 (5-100) 将式(5-96) 、式(5-97)代入式(5-98)得 (5-101) 当 很小时,用 可将式(5-100)及式(5-101) 近似为 (5-102) (5-103) 115状态反馈与状态观测器 联立式(5-102) 及式(5-103)并消去 得 (5-104)联立式(5-102) 及式(5-103)并消去 得 (5-105) 定义状态变量 、 、 、 为 116状态反馈与状态观测器 以小车位置z作为系统输出且由式(5-104)、式(5-105),可列写出图5-17车载倒立摆系统的状态空间表达式为 (5-106) 代入设定的M=2kg, m=0.1kg, l=0.5m及 ,则得 117状态反馈与状态观测器(5-107) 2.检查被控系统的结构性质 由特征方程 ,解得特征值为 , 故被控系统不稳定。 118状态反馈与状态观测器因为 故被控系统状态完全能控。 因为 故被控系统状态完全能观。 119状态反馈与状态观测器3. 反馈控制系统设计 为实现既使倒立摆稳定又控制小车位置的控制任务,采用状态反馈加积分器校正的输出反馈系统,如图5-19所示。 图5-19 倒立摆的无静差(1型)位置跟踪系统 120状态反馈与状态观测器 因为被控系统 能控,又控制维数(r=1)不少于误差的维数(m=1)且 ,故满足式(5-94), 即增广系统状态完全能控,因此可采用状态反馈控制律 (5-108) 改善系统的动态和稳态性能,式中, 。则由式(5-95), 图5-19所示闭环控制系统的特征多项式为 121状态反馈与状态观测器 若本例希望在小车的阶跃响应中,调节时间约为45s,超调量不超过17%, 则期望的闭环主导极点对可选为 选择3个期望的闭环非主导极点离虚轴为主导极点的5倍以上,取为-6,即 则期望的闭环特征多项式为 122状态反馈与状态观测器 令式(5-109)与式(5-110)相等,并比较等式两边对应项系数,联立方程求解得状态反馈增益矩阵和积分增益常数 4.所设计的反馈控制系统阶跃响应仿真分析 由式(5-95),在未考虑扰动作用时(设 ),闭环系统对给定输入v(t)为阶跃信号的响应可通过求解下式获得,即 123状态反馈与状态观测器(5-111) 式中, v(t)=1(t) 。MATLAB Program 5_4为求解所设计的反馈控制系统阶跃响应的MATLAB程序。图5-20所示为 、 、 、 、 阶跃响应仿真曲线。 124状态反馈与状态观测器%MATLAB Program 5_4 A=0 1 0 0;0 0 -0.5 0;0 0 0 1;0 0 20.6 0;B=0;0.5;0;-1;C=1 0 0 0;K1=-88.16 -55.93 -212.68 -47.96;K2=-88.16;AA=A-B*K1 B*K2;-C 0;BB=zeros(4,1);1;CC=C 0;DD=0;t=0:0.01:8;y,X,t=step(AA,BB,CC,DD,1,t);x1=X(:,1);x2=X(:,2);x3=X(:,3); x4=X(:,4);w=X(:,5); 125状态反馈与状态观测器subplot(3,2,1)plot(t,x1,k),gridxlabel(t(sec),ylabel(x1)subplot(3,2,2)plot(t,x2,k),gridxlabel(t(sec),ylabel(x2)subplot(3,2,3)plot(t,x3,k),gridxlabel(t(sec),ylabel(x3)subplot(3,2,4)plot(t,x4,k),gridxlabel(t(sec),ylabel(x4)subplot(3,2,5)plot(t,w,k),gridxlabel(t(sec),ylabel(w) 126状态反馈与状态观测器图5-20 、 、 、 、 阶跃响应仿真曲线 返回目录返回目录127状态反馈与状态观测器