自动控制-第九章-传递函数的状态空间实现

《现代控制理论》教案9－1中国科学技术大学自动化系2019-12-17日第九章传递函数的状态空间实现§9.1实现与最小实现一、实现问题的提法我们知道，对于一个线性定常系统，可以用传递函数矩阵进行输入输出描述)(ˆ)(ˆ)(ˆsssuGy(9.1.1)如果系统还是集中的，则还可以用状态空间方程来描述DuCxyBuAxx(9.1.2)如果已知状态空间方程(9.1.2)，则相应的传递矩阵可由DBAICG1)()(ˆss(9.1.3)求出，且求出的矩阵是唯一的。现在，我们来研究它的反问题，即由给定的传递矩阵来求状态空间方程，这就是所谓的实现问题。事实上，对于时变系统也有实现问题，只是它的输入输出描述不再是传递矩阵。定义9.1：实现传递矩阵)(ˆsG称为是能实现的是指存在一个有限的维状态方程（9.1.2）或简记为{A,B,C,D}，使得DBAICG1)()(ˆss且{A,B,C,D}称作)(ˆsG的实现。注意：一个线性定常系统的分布系统可以用传递矩阵来描述，但不能描述为有限维的状态方程。所以说并非所有的)(ˆsG都是能实现的。二、实现的不唯一性仔细回忆一下我们在状态变换和规范分解时得到的结论可知：尽管对于给定系统{A,B,C,D}，它的传递函数矩阵)(ˆsG是唯一的；但反过来，对于给定系统的传递函数矩阵)(ˆsG，求它的状态空间实现{A,B,C,D}，结论便不唯一。因为我们知道，状态变换前后，系统的状态空间方程可能大相径庭，但其传递函数矩阵却是相同的；同样，不能控或不能观系统，经规范分解后的整个系统与其中的既能控又能观的子系统均是其传递函数的一个实现。所以，如果)(ˆsG是能实现的则其有无穷多各个实现，且不一定具有相同的维数。《现代控制理论》教案9－2中国科学技术大学自动化系2019-12-17日三、最小实现尽管每一个传递函数阵，可以有无限多个实现。我们感兴趣的是这些实现中维数最小的实现，即所谓最小实现，也叫不可约实现、最小维实现、最小阶实现。因为在实用中，最小实现阶数最低，在进行运放模拟和系统仿真时，所用到的元件和积分器最少，从经济性和可靠性等角度来看也是必要的。最后，我们还不证明地给出一个关于最小实现的定理：定理9.1：实现状态空间方程{A,B,C,D}是传递函数矩阵)(ˆsG的最小实现的充要条件是{A,B,C,D}既能控又能观。传递函数矩阵)(ˆsG的所有最小实现，互相间是代数等价的。《现代控制理论》教案9－3中国科学技术大学自动化系2019-12-17日§9.2传递函数的实现本节主要讨论正则有理分式传递函数的实现问题。设传递函数为nnnnnnnnnnnssssbsbsbsbsbsusysg12211012211)(ˆ)(ˆ)(ˆ(9.2.1)作一简单的代数变换，便可得：)()()(ˆ012211012211spsqbsssssssbsgnnnnnnnnnnn(9.2.2)设系统{A,b,c,d}是)(ˆsg的一个实现，则有)()()()(ˆ1spsqbdssgnbAIc(9.2.3)上式应对任意的s都成立，令s则可得到nbd这就是说：对一般正则有理分式的传递函数，其实现的d阵（标量）是唯一的，且)(ˆlimsgds(9.2.4)于是，本节的以下内容仅讨论传递函数)(ˆsg为严格正则有理分式的情况。§9.2.1能控标准型实现一、基本形式回忆第七章第二节，在那里，我们以一个四阶传递函数为例，给出了由传递函数出发建立系统的状态空间方程的一般方法。不难证明：状态空间方程xxx121012101000100001000010nnyu(9.2.5)是传递函数012211012211)(ˆssssssssgnnnnnnnnn(9.2.6)的一个实现。不难发现该实现的系统矩阵与控制矩阵的二元组(,)Ab合在一起正好构成能控标准型，故称上述实现是能控标准型实现。例7-5设线性定常单输入－单输出系统的传递函数为0122334012233)(ˆ)(ˆ)(ˆssssssssusysg《现代控制理论》教案9－4中国科学技术大学自动化系2019-12-17日试求该系统的状态空间方程。解：引入一个新变量)(tv，它的拉氏变换式定义为)(ˆ1)(ˆ0122334susssssv即)(ˆ)(ˆ)(0122334susvssss(2.3)于是，我们有)(ˆ)(ˆ)()(ˆ012233susvssssy(2.4)定义状态变量为)()()()(:)()()()(:)(4321tvtvtvtvtxtxtxtxtx即)(ˆ1)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ:)(ˆ32324321svssssvssvssvssvsxsxsxsxsx(2.5)显然433221,,xxxxxx(2.6)它们与（2.1）无关，而直接由（2.5）中定义得到。为导出关于4x的等式，我们把（2.5）代入至（2.3），即可得)(ˆˆˆˆˆ)(ˆ102132434suxxxxsxs在时域中，此即)(1)(][)(32104tuttxx(2.7)而将（2.5）代入至（2.4）又可得到)(ˆ)(ˆ][)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)()(ˆ321010213243012233sussusxsxsxsxsusvssssyx在时域中，此即)()(][)(3210tuttyx(2.8)把（2.6）、（2.7）、（2.8）结合在一起即utudyutu][)(][1000)(10000100001032103210xxcxbAxx(2.9)这就是所要求的状态空间方程。《现代控制理论》教案9－5中国科学技术大学自动化系2019-12-17日二、能控标准型实现的变型要指出的是：在上例中，若状态变量为)()()()(:)()()()(:)(4321tvtvtvtvtxtxtxtxtx即)(ˆ1:)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ:)(ˆ234321sssssxsxsxsxsvx(2.10)则可导出系统的状态空间方程是utudyutu][)(][0001)(01000010000101230123xxcxbAxx(2.11)注：我们称系统(2.9)为)(ˆsg的下友型能控标准型实现，而称(2.11)为)(ˆsg的上友型能控标准型实现。§9.2.2能观标准型实现：一、基本形式为了明确起见，我们记传递函数)(ˆsg的能控标准型实现是},,{ccccbA，即有cccssgbAIc1)()(ˆ由于)(ˆsg是标量，故应有ccccccsssgsgcAIbbAIc11)(])([])(ˆ[)(ˆ这就是说系统},,{cccbcA也是)(ˆsg的一个实现。由此我们又得到一种极重要的传递函数的实现形式},,{},,{cccooobcAcbA。1000,10001000100012101210ononocbA(9.2.7)根据对偶性原理：:{,,}ccccSAbc与:{,,}{,,}oooocccSAbcAcb是一对对偶系统。既然(,)ccAb构成能控标准型，那么由能观标准型的定义，(,)(,)ooccAcAb构成能观标准型，故称oS为ˆ()gs的能观标准型实现。二、能观标准型实现的变型留作习题。《现代控制理论》教案9－6中国科学技术大学自动化系2019-12-17日§9.2.3约当标准型实现将给定的传递函数（我们仍假定为严格正则有理分式）的分母进行分解因式，亦即求出系统的各个极点，然后我们分两种情况讨论该传递函数的约当标准型实现：一、无重极点系统的对角型实现设给定的传递函数为121210121210ˆ()nnnnnnnnnsssgsssss(9.2.8)用部分分式分解的方法可将上式写为121210112112112ˆ()ˆ()ˆ()()()()()()()()()nnknnnknnknnkknnkknkssssysgsussssseeeessss即12112ˆˆˆˆˆ()()()()()()()()()nnkknkeeeeysususususssss(9.2.9)将之用结构图表示出来就是（以四阶为例）：11s21s31s41s1e2e3e4e1x4x3x2xˆ()usˆ()ys按图示方法选取状态变量则：ˆ()()1,2,,()kkkexsuskns(9.2.10)在时域里，即()()()1,2,,kkkkxtxteutkn(9.2.11)同时从图上还可以看出：12nyxxx(9.2.12)故该系统的约当标准型实现为《现代控制理论》教案9－7中国科学技术大学自动化系2019-12-17日1122000000[111]nneeueyxxx(9.2.13)另一方面，式(9.2.9)也可以用如下的结构图来表示11s21s31s41s1e2e3e4e1x4x3x2xˆ()usˆ()ys按图示方法选取状态变量则：1ˆˆ()()1,2,,()kkxsuskns(9.2.14)在时域里，即()()()1,2,,kkkxtxtutkn(9.2.15)但此时，从图上还可以看出：1122nnyexexex(9.2.16)故该系统的约当标准型实现还可以写成1212001001001[]nnuyeeexxx(9.2.17)显然，它与(9.2.13)型式上略有区别，如果一定要区分，可以称(9.2.13)为能控约当型实现，而称(9.2.17)为能观约当型实现。（请同学们思考，为什么可以这样称呼？）二、重极点系统的约当型实现为简单起见，我们仅讨论传递函数中无相极点的情况：即121210ˆ()ˆ()ˆ()()nnnnnsssysgsuss它可分解为：《现代控制理论》教案9－8中国科学技术大学自动化系2019-12-17日122ˆˆˆˆ()()()()()()()nnfffysususussss(9.2.18)它的动态结构图可绘制如下（以四阶为例）按图示方法选取状态变量则：111211ˆˆ()(),1,2,,1()1ˆˆ()()()ˆˆˆˆ()()()()kknnnnxsxsknsxsussysfxsfxsfxs(9.2.19)求其拉氏反变换便有：11211()()()1,2,,()()()()()()()kkknnnnnx