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1 自动控制原理浙江大学控制学院 6 Principle of Automatic Control 第八章 CHAPER 8 线性定常系统的状态空间分析法 By Hui Wang 浙江大学控制科学与工程学院

2 提纲 Outline of Chapter 8 回顾与简介 状态空间模型及求解 能控性和能观性 线性变换和标准型 系统的状态反馈 系统的状态观测.. 自动控制原理浙江大学控制学院 6

3 能控性和能观性 物理概念 能控性定义与判定 能观性定义与判定 能控性 & 能观性与传递函数 离散系统能控性与能观性 对偶原理 自动控制原理浙江大学控制学院 6 3

4 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性定义 一个完全状态能控的系统是对于任意初始时刻 t, 每个状态都可以在有限的时间内 t f >t, 由无约束的容许控制向量 ut, 将初始状态 t 转移到任意最终状态 t f 也就是说输入 ut 在幅值上没有限制. 从定义中可以看出, 状态方程中输入 ut 影响每一个状态变量. 由状态方程的解可以得到 t Φ t t t Φ t B u d t t 4

5 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性定义 考虑线性连续时间系统 : t A t Bu t n n n 式中 : t R, A R 且初始条件为 t t 如果是单输入系统 : n ut R, B R, B可写作 b 如果是多输入系统 : u t R r, B R n r 如果施加一个无约束的控制信号 ut, 在有限的时间间隔 内, 使初始状态转移到任一终止状态, 则称由式 描述的系统在 t t 时是状态能控的 如果每一个状态都能控, 则称该系统为状态 完全能控的, 简称系统能控 t t t f 5

6 自动控制原理浙江大学控制学院 6 6 如何来判定一个系统是完全能控的? 对于 d B t t t t t t t u Φ Φ 设 t, 以及终态向量 t f = d B e e f f f t t t u A A d B e f t r r n n n n ] [ u A 或对于线性系统, 问题等效于求解 n 个代数方程 若有解, 即意味着可以找到 u 使得任意的 在有限的时间内到达原点, 也即系统为能控的 否则系统为不能控?? 关键!? 能控性和能观性 : 能控性判定

7 自动控制原理浙江大学控制学院 6 a a a f n n n 凯莱 - 哈密顿定理 : 若 n 阶矩阵 A 的特征多项式为则 : I a A a A a A A f n n n 推论 : 矩阵 A 的 m 次幂可表示为 A 的 n- 阶多项式 d B e f t u A d B A f t n u d B A f t n u Power function 幂函数? 推论 : 矩阵指数 e At 可表示为 A 的 n- 阶多项式 n m A A m n n At e t A 能控性和能观性 : 能控性判定 d B e f t r r n n n n ] [ u A 7

8 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性判定 凯莱 - 哈密顿定理 : 若 n 阶矩阵 A 的特征多项式为 n n n f a a a 则 : f A A a A a A a I 推论 : 矩阵 A 的 m 次幂 m>=n 可表示为 A 的 n- 阶多项式 假设 推论 : 当 n n n n n m n时, 成立 A an A a A ai n i m i n时成立, 即 A b A m i 时, 有 A A b A b A b I i n n b A b A b A n n n n bn an A a A ai b A b A c A 矩阵指数 e 可表示为 A的 n 阶多项式 3 3 n A A A e I A A! 3! n m A A, m n A 8

9 能控性和能观性 : 能控性判定 对于矩阵 Y, rany t f 下列说法等价 A e Bu d r t n f A Bu d 在 Y的所有列向量中, 最多可找出 r个线性无关 独立 的向量 n t f A Bu d n t f n 线性方程组 B AB AB A Bu d 有解的充要条件是 t n f n 记 u d, 则 A B n B AB A B n n ran B AB A B ran B AB A B n n R 都有,,, n 满足上面方程组的充要条件是 ran n B AB A B n 自动控制原理浙江大学控制学院 6 9

10 自动控制原理浙江大学控制学院 6 对于 r 维输入 ut, 上式中的被积函数可以表示为 t d f u 则初始状态可以表示为 n n n B A AB B B A 按照状态完全能控的定义, 每个模态必须直接受输入 ut 的影响. 那么这个条件是什么? t i i e v C Q 能控性判别矩阵是否找得到 u, 也即上述 n 个线性方程解是否有解? 其条件即为状态完全能控的条件 能控性和能观性 : 能控性判定 f n t A B d u

11 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性判定 能控性条件 若一个系统是完全能控的, 则能控性矩阵 Q C 具有如下特性 Ran QC Ran 对于单输入系统来说, 矩阵 B 是一个向量, 可写为 b, 方程 Q C 的维数为 nn. 多输入系统的 Q C 的维数? 能控标准型 n B AB A B n * -- 这是一个系统完全能控的充分必要条件. 根据完全能控的条件, 若一个 SISO 系统是能控标准型, 也就是 说系统矩阵 A 具有相伴型 友矩阵, 并且控制向量 b=[ ], 那么能控性矩阵 Q C 是满秩 n 的, 没有必要进行能控性验证. 换句话说, 若一个系统是能控的, 则它总能够转化为能控标准型.

12 能控性和能观性 : 能控性判定 对角标准型 若系统没有重复的极点 i j A B u 设 =z 对角化 模态的能控性判别矩阵 z A z Bu z B ' u 其中 为对角标准型, 其模态是解耦的, 即每个状态 z i 代表一个模态, 并且可以受输入 ut 的直接影响 仅当 B = - B 没有元素都为 的行. 对于没有重复极点的系统, 总是可以将其转换为对角标准型, 因此, 当 B = - B 没有全为零的行时, 系统是完全能控的. 对于具有重复极点的系统? 请查阅参考文献 自行总结 自动控制原理浙江大学控制学院 6

13 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性判定 对角标准型当矩阵对 A,B 不完全能控, 则可以通过变换状态方程使系统矩阵为对角型, 从而确定不能控部分 控制矩阵 B = - B 中出现零行表明对应的模态 mode 是不能控的 PBH 检验法 PBH 秩判据 : 线性定常连续系统完全能控的充分必要条件是 : 对 矩阵 A 的所有特征值 λ i i=,,n, 有 I A B n ran i 或, ran si A B n s 复数域 S 3

14 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性判定 PBH 检验法 {A,B} 能控的充分必要条件是不存在与 B 的所有列正交的 A 的 左特征向量 p, 即 p p B A p p 证 : 必要性 : 反设存在一个向量 使得 A i B n 则就有 B AB B A B n 从而得到 B AB A B M c 这意味着 ra n M c n i 即系统不完全能控 从而与已知条件相矛盾, 故反设条件不成立, 也即只有零解 对充分性的证明按与上相反思路进行, 请自证, 此略 因为 意味着 Qc 行线性相关 4

15 能控性和能观性 : 能控性判定举例 例 : 证明能控标准型是完全能控的 A a a a a n b 用 PBH秩判据 II s s ransi A b ran n a a a s an 因此, 系统完全能控 自动控制原理浙江大学控制学院 6 ran si A B n, s 复数域 S 5

16 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性判定举例 例 8-3- 系统可以表示为 u 求解 : 系统是否能控? 解 : 能控性矩阵的秩可以表示为 Ran QC Ran b Ab Ran det Qc det[ B AB] 因此系统是不完全能控的. 6

17 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性判定举例 例 8-3- 系统表示为 u 求解 : 系统是否能控? 解 : 能控性矩阵的秩可以表示为 Ran QC Ran b Ab Ran det Qc det[ B AB] 因此系统是完全能控的. 7

18 自动控制原理浙江大学控制学院 6 8 解 : 能控性矩阵的秩可以表示为 C Ran Q Ran Ran B AB A B 因此系统是不能控的. 例 系统可以表示为 u u 求解 : 系统是否能控. 能控性和能观性 : 能控性判定举例

19 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性判定举例 例 : 考虑如图所示电路系统 P476, 有两种条件 : L i L 图中 : = i L, = u c, y= Let : R R R ; R R R u i i R R R 3 u C C R4 根据电路原理 RR R 3 R 4 R R 3 L R R L R R R R 4 C R R 34 C R R L u i L i L =, u C =, y= u C A RR L R R C R R3R R34 R4 R 34 4 R R3 L R R34 C R R34 b L 9

20 能控性和能观性 : 能控性判定举例 例 8-3-4: 考虑如图所示电路系统, 有两种条件 : L u R 3 i L i L i i R R u C C i L =, u C =, y= u C A RR L R R C R Ran Q C R3R R34 R4 R Ran R R3 L R R 34 b L C R R 34 RR RR 3 4 L R R 34 Ran L R4 R R4 LC R34 R 若 R Let : R R R ; R R R b Ab R 4 R R 3 Ran Q n C R R 4 34 R R 自动控制原理浙江大学控制学院 6 系统完全能控

21 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控性判定举例 例 8-3-4: 考虑如图所示电路系统, 有两种条件 : Let : R R R ; R R R u L i L i i R R R 3 u C C R4 A RanQ RR L R R C R C Ran L R3R R34 R4 R 34 Ran 4 b R LC R R R3 L R R34 C R R34 Ab RR RR L R R 4 R R 34 b L i L i L =, u C =, y= u C 若 R R 4 R R 3 Ran QC n R R 4 34 R R 系统不能控

22 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 输出能控性判定 输出能控性, 其实它是与状态能控性完全无关, 仅是当需要控制输出量时, 借用了状态能控性的概念 输出能控性定义 : 在有限的时间间隔 t [t, t f ], 存在无约束的分段连续控制函数 ut, 能使任意初始输出 yt 转移至任意最终输出 yt f, 则称该系统是输出完全能控的, 简称输出能控 输出能控性矩阵 : n S CB C A B CA B D 输出能控的充要条件 设输出变量数为 q: o R a n S o R a n n CB C A B CA B D q

23 能控性和能观性 物理概念 能控性定义与判定 能观性定义与判定 能控性 & 能观性与传递函数 离散系统能控性与能观性 对偶原理 自动控制原理浙江大学控制学院 6 3

24 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能观性定义 一个完全能观的系统是指, 存在有限的时刻 t f t t, 系统的输 出能唯一的确定每个状态的初始值 t. 这就意味着每个状态 t 都会影响输出 yt: y t C t C Φ t t t C Φ t B u t t d 其中初始状态 t 是以前控制输入对系统的影响结果. A 考虑零输入时的状态空间表达式 y C 式中 : n m nn R, y R, A R, C R 如果每一个状态 都可通过在有限时间间隔 t t t 内, 由 观测值确定, 则称系统为状态完全能观测的, 常简称能观的 mn t 4

25 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能观性判定 在下面讨论完全能观测性条件时, 可以只考虑零输入系统 这是因为, 若采用如下状态空间表达式 A Bu y C Du 则 从而 t At A t o t e e Bu d t At A t o y t Ce C e Bu d Du 由于矩阵 A B C 和 D 均为已知,ut 也已知, 所以上式右端的 最后两项为已知, 因而它们可以合并至被量测值 yt 中 因此, 为研 究能观性的充要条件, 只考虑零输入系统就可以了 5

26 能控性和能观性 : 能观性判定 只考虑零输入系统, 将其重写为 A; y C 易知, 其输出向量为 At y t Ce 将 At e 因而 或 写为 A 的有限项的形式, 即 n y t t CA e At n t A y n t t C t CA n t CA 显然, 如果系统是能观测的, 那么在 自动控制原理浙江大学控制学院 6 时间间隔内, 由输出 yt, 就可由上式唯一地确定出 输出 yt 必须受到每个状态变量 i t 的 影响 这就必须对 CA 有限制 可以证明, 这就要求 n nm 维能观测 性矩阵 t t t RanQO Ran n C A C A C n 6

27 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能观性判定 可以看出, 当能观性矩阵 Q O 满足下列条件时系统完全能观, 故有能观性条件 或 Ran QO Ran n C A C A C n C CA Ran QO Ran n n CA 这是能观性的充分必要条件对于单输入单输出系统, 矩阵 C 是一维行向量, 可以表示为 c, 且能观性矩阵的维数为 n n. 7

28 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能观性判定 能观性条件或 Ran Q O Ran C CA n CA Ran QO Ran n n C A C A C n 根据完全能观性条件, 若 SISO 系统是能观标准型形式, 也就是说, 系统矩阵 A 是相伴阵 友矩阵 的转置, 且观测行矩阵 c=[ ], 那么能观性矩阵 Q o 满秩 ranq o = n, 不需要进行能观性判定. 换句话说, 若系统完全能观测, 则可将其转换为能观标准型. 8

29 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能观性判定 对角标准型当系统没有重复极点时, 采用对角化方法, A B u y C 令 =z 对角化 z z B ' u 模态的能观性判别矩阵 y C C z C z 其中矩阵 是对角标准型, 若 C =C 的某一列全为零, 则对应的这个模态与任何输出都没有关系, 系统不能观测. 对于没有重复极点的系统, 总可以将其转换为对角标准型, 则当 C 没有全为零的列, 则系统能观测. 对于具有重复极点的系统, 参见相关参考文献 9

30 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能观性判定 对角标准型 当矩阵对 A, C 不完全能观测时, 可以通过转换状态和输出方 程, 使系统矩阵是对角标准型, 从而获得不能观的模态. C =C 全为零的列表明相应的状态是不能观测的 3

31 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能观性判定 PBH 检验法 PBH 检验法 :{C,A} 能观的充分必要条件是不存在与 C 的所有行正交的 A 的特征向量, 即 Ap p Cp p 证明方法此略 请自己证明 PBH 秩判据 :{C,A} 能观的充分必要条件是对所有的 s ran C si-a n 证明此略 可参见郑大钟 线性系统理论 一书 3

32 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能观性判定举例 例 系统表示为 判断 : 系统是否能控和能观? y u 解 : 能控性矩阵 & 能观性矩阵为 RanQC Ran C Ran QO Ran Ran CA 因此系统是完全能控和能观. 3

33 自动控制原理浙江大学控制学院 6 33 因此系统是完全能控的. 解 : C Ran Q Ran Ran b Ab A b 例 系统表示为判断 : 系统是否能控和能观? 5 4,, 6 6, 3 C B A 注意 : det C Ran Q 3 能控性和能观性 : 能观性判定举例

34 自动控制原理浙江大学控制学院 6 34 因此系统不完全能观. Solution: O 4 5 Ran Q Ran Ran C CA CA 注意 : det O Ran Q 能控性和能观性 : 能观性判定举例例 系统表示为判断 : 系统是否能控和能观? 5 4,, 6 6, 3 C B A

35 能控性和能观性 物理概念 能控性定义与判定 能观性定义与判定 能控性 & 能观性与传递函数 离散系统能控性与能观性 对偶原理 Allelomorph principium 自动控制原理浙江大学控制学院 6 35

36 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数 SISO 系统状态完全能控 能观的条件也可用传递函数描述 : 状态完全能控能观的充要条件是在其传递函数中不出现相消现象 如果发生相消, 那么在被消去的状态中, 可能出现下列三种情况或之一 : 系统不能控不能观 ; 系统不能控 ; 3 系统不能观 所以, 对于已知的 SISO 系统, 可以根据传递函数判别系统是否完全能控能观 36

37 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数 如图所示, 只有子系统 S CO 满足传递函数的定义 Y s G s U s u S O S CO y 因此, 对于一个完全能控能观 SISO 系统, 传递函数中没有零极点对消情况. S C S u Fig. 一个系统的四种可能的子系统 37 自动控制原理浙江大学控制学院 6

38 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数 描述一个 SISO 动态系统的状态方程不是惟一的, 即实现问题 A bu y c G s c si A b c adj si d et si A A b N D s s n 阶多项式 SISO 系统实现 {A,b, c} 称为 Gs 的最小实现, 当且仅当 Ns 与 Ds 无公因子 Gs 的 n 阶实现 {A,b, c} 能控能观的充要条件是 Gs=Ns/Ds 无公因子, 即无零极点对消现象 38 自动控制原理浙江大学控制学院 6

39 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数 实现问题 : 已知传递函数模型 Gs, 求一个状态空间模型 t A t bu t y t c t du t 使 c si A b d G s 最小实现问题 : 已知传递函数模型 Gs, 求一个完全能控 完全能观的状态空间模型 t A t bu t y t c t du t 使 c si A b d G s 在实现问题中, 状态空间模型的阶数大于或等于传递函数模型的阶数在最小实现问题中, 状态空间模型的阶数等于传递函数模型的阶数 39

40 自动控制原理浙江大学控制学院 6 4 例 系统表示为判断 : 系统是否能控和能观. 5 4,, 6 6, 3 C B A 3 y 3 u y 5 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例

41 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例 例 系统表示为 3, A 6, 6 B, C 4 5 判断 : 系统是否能控和能观. 解 : 方程为能控标准型, 肯定能控! 再从传递函数的观点 X s si U s A B s s 3 4 自动控制原理浙江大学控制学院 6 s s s X s Ys X s X3 s U s s s s 3 以及 s s X s X s X s Y s Y s X s s s 4 U s X s U s s s s 3 Y s U s C si A B s 因此, 系统是完全能 s s 4 s s 3 控但不能观测的.

42 自动控制原理浙江大学控制学院 6 4 解 : 若系统表示为能观标准型形式那么, 如果如上述实现, 则系统是不能控但是能观的. 例 系统表示为判断 : 系统是否能控和能观. 3 4 s s s s s s U s Y ; y u 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例

43 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例 例 系统表示为 Y s s.5 U s s.5 s 请判断 : 系统是否能控和能观. 解 : 注意到传递函数分子与分母出现对消因子 s+.5, 只有 = 对应模态是能控能观的. 如果系统状态方程为 : y.5.5 u Ran QC Ran b Ab Ran c Ran QO Ran Ran ca 如果如上述实现, 则系统是不能控但是能观的. 43

44 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例 例 系统表示为 Y s s.5 U s s.5 s 请判断 : 系统是否能控和能观. 解 : 若系统的状态方程为 能控标准型 :.5.5 u y.5 则系统是能控的. c.5 Ran QO Ran Ran ca.5 如果如上述实现, 则系统是能控但是不能观的. 44

45 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例 例 系统表示为 Y s s.5 U s s.5 s 请判断 : 系统是否能控和能观. 解 : 若系统状态方程为 能观标准型 : u y 则系统是能观测的..5.5 Ran QC Ran b Ab Ran 如果如上述实现, 则系统是不能控但是能观的. 45

46 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例 例 系统表示为 Y s s.5 U s s.5 s 请判断 : 系统是否能控和能观. 解 : 若系统状态方程为 对角标准型.5 u y 如果如上述实现, 则系统是不能控且不能观的. 可以直接获得 46

47 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例 例 系统表示为 u y 试求 : 特征值 ; 传递函数 Ys/Us; 3 系统是否可控和 / 或可观测 ; 4 将状态方程转换为对角标准型的转换矩阵 ; 5 绘制基于对角标准型的系统仿真图. s 解 : si-a s s 特征值 : =- =-. s s s - si - A s s s 47

48 自动控制原理浙江大学控制学院 6 解 : sb s s s s s s s s c s G 注意有零极点对消因子 s+, 只有模态 =- 是可控可观测的. 3 Ab b RanM c Ran 因此系统是不完全可控但可观测的. ca c RanM o Ran 48 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例

49 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 能控能观性与传递函数举例 解 : 4 对角化矩阵 ; z z u y z 5 独立状态变量和输出方程 z z y z z z z u =- 是一个输入解耦零点, 且系统是不能控的. u S o z z s s S co z z y 对角标准型的优点是所 有模态是完全解耦的. 49

50 能控性和能观性 物理概念 能控性定义与判定 能观性定义与判定 能控性 & 能观性与传递函数 离散系统能控性与能观性 对偶原理 自动控制原理浙江大学控制学院 6 5

51 能控性和能观性 : 离散系统的能控性与能观性 考虑离散系统 : G H u y C Du 离散系统状态能控性的定义 : 在有限时间间隔内,t [, n], 存在无约束的阶梯控制序列 u, u,., un-, 能使系统从任意初态 转移至任意终态 n, 则称该系统是状态完全能控的, 简称是能控的 离散系统状态能控性判别条件 : Ran QC Ran n H GH G H n 自动控制原理浙江大学控制学院 6 5

52 能控性和能观性 : 离散系统的能控性与能观性 考虑离散系统 : G H u y C Du 离散系统能观性的定义 : 已知输入向量序列 u, u,., un- 及有限采样时间内测量到的输出向量序列 y, y,., yn-, 能惟一确定任意初始状态向量, 则称该系统是状态完全能观的, 简称是能观的 能观性反映的是由输出确定状态 的能力 离散系统状态能观性判别条件 : 或 C CG Ran QO Ran n n CG n Ran QO Ran C G C G C n 自动控制原理浙江大学控制学院 6 5

53 自动控制原理浙江大学控制学院 6 对于 C, 系统是能观的. 判断 : 系统对于 C 是否能观? 4 3 M o c G c G c o 3 detm det 4 3 当 t= y 当 t=+ 3 y 当 t=+ 3 4 y 3 步之后, 所有 能观. 例 系统表示为 Hu G, i C y i,,, 3 C C H G 其中能控性和能观性 : 离散系统的能控性与能观性 53

54 能控性和能观性 : 离散系统的能控性与能观性 例 系统表示为 G Hu y C i i, 其中 判断 : 系统对于 C 是否能观? G 3, H, C C, RanQ o C G C G C Ran 3 因此, 对于 C, 系统是不能观的. 当 t= y 3 当 t=+ y y 当 t=+ 3 步之后, 仍然不能观. 3 3 自动控制原理浙江大学控制学院 6 54

55 能控性和能观性 : 离散系统的能控性与能观性 连续状态方程离散化后的能控性与能观性 如果采样周期 选择得不妥当的话, 一个能控的连续系统离散化后不一定能保持其能控性 ; 同样, 一个能观的连续系统离散化后也不一定能保持其能观性 例 8-3- 系统表示为 u 分析采样周期的选择对系统能控性的影响. 原系统显然能控 离散化状态方程 s G L [ si A] L sin cos s sin cos H cos G bd sin 55 自动控制原理浙江大学控制学院 6

56 能控性和能观性 : 离散系统的能控性与能观性 例 8-3- 系统表示为 u 离散化状态方程 : G H u cos sin cos sin sin cos u Q c cos cos cos sin H GH sin sin cos sin 当 :,,,, 能控性矩阵为零阵, 系统不能控 当 :,,,, 能控性矩阵秩为, 系统不能控 自动控制原理浙江大学控制学院 6 56

57 自动控制原理浙江大学控制学院 6 例 8-3- 系统表示为, y u o cos Q sin c G c 系统不能观 分析采样周期的选择对系统能观性的影响. o RanQ,,, y 离散化状态方程 : sin cos cos sin sin cos u H G u 原系统显然能观能控性和能观性 : 离散系统的能控性与能观性 57

58 能控性和能观性 物理概念 能控性定义与判定 能观性定义与判定 能控性 & 能观性与传递函数 离散系统能控性与能观性 对偶原理 自动控制原理浙江大学控制学院 6 58

59 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 对偶原理 对偶原理 ---- 由 R.E.Kalman 提出从能控性判别矩阵 Qc 与能观性判别矩阵 Qo 看出, 它们有明显的相似性 -- 存在某种转置关系 -- 数学意义上说 : 能控性与能观性之间存在对偶关系 A Bu 考虑由下述状态空间表达式描述的系统 S : y C 式中 n r m nn nr R, u R, y R, A R, B R, C R 再考虑由下述状态空间表达式定义的对偶系统 S : 式中 z R, v R, w R, A R, C R, B R n m r nn nm rn mn z A z C v w B z 对偶原理 : 当且仅当系统 S 状态能观 状态能控 时, 系统 S 才是状态能控 状态能观 的 59

60 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 对偶原理 系统 S A y C Bu u S B s C y A w S B z s A C v 对偶系统 S : z A z C v w B z 对偶的含义 : 输入端与输出端互换, 信号传递反向, 信号引出点与信号综合点互换, 以及对应矩阵的转置 6

61 自动控制原理浙江大学控制学院 6 能控性和能观性 : 对偶原理 对偶原理的验证 分别写出系统 S 和 S 的状态能控和能观的充要条件 系统 S 状态能控的充要条件是 n nr 维能控性矩阵 Q B AB A B c n [ ] 的秩为 n 系统 S 状态能观测的充要条件是 n nm 维能观性矩阵 Q C A C A C o n [ ] 的秩为 n 系统 S 状态能控的充要条件是 n nm 维能控性矩阵 Q C A C A C c n [ ] 的秩为 n 系统 S 状态能观测的充要条件是 n nr 维能观性矩阵 Q B AB A B o n [ ] 的秩为 n 6

62 能控性和能观性 : 对偶原理 对偶原理的验证 对比上述这些条件, 可以很明显地看出对偶原理的正确性 利用 此原理, 一个给定系统的能观测性可用其对偶系统的状态能控性来检 检和判断 简单地说, 对偶性有如下关系 : A A, B C, C B 例 : 试用对偶原理判定如下系统的能控性 t t bu t 3 解 : 对偶系统 t t 3 y t t 自动控制原理浙江大学控制学院 6 对偶系统能观判别 c ran ran ca 4 对偶系统完全能观, 所以原系统完全能控 6

63 能控性和能观性 物理概念 能控性定义与判定 能观性定义与判定 能控性 & 能观性与传递函数 离散系统能控性与能观性 对偶原理 自动控制原理浙江大学控制学院 6 63

6.3 正定二次型

6.3 正定二次型 6.3 正定二次型 一个实二次型, 既可以通过正交变换化为标准形, 也可以通过拉格朗日配方法化为标准形, 显然, 其标准形一般来说是不惟一的, 但标准形中所含有的项数是确定的, 项数等于二次型的秩 当变换为实变换时, 标准形中正系数和负系数的个数均是不变的 定理 ( 惯性定理 ) 设有二次型 f =x T Ax, 它的秩为 r, 如果有两个实的可逆变换 x=c y 及 x=c z 分别使 f =k

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