现代控制理论第三章1-2

第三章线性系统的能控性和能观性本章简介本章讨论线性系统的结构性分析问题。主要介绍动态系统的状态空间模型分析的两个基本结构性质----状态能控性和能观性,以及这两个性质在状态空间模型的结构分解和线性变换中的应用,并引入能控规范形和能观规范形,以及实现问题与最小实现的概念。动态系统的能控性和能观性是揭示动态系统不变的本质特征的两个重要的基本结构特性。卡尔曼在60年代初首先提出状态能控性和能观性。其后的发展表明,这两个概念对回答被控系统能否进行控制与综合等基本性问题,对于控制和状态估计问题的研究,有着极其重要的意义。系统能控性指的是控制作用对被控系统的状态和输出进行控制的可能性。状态n维x(t)r维u(t)m维y(t)能控?能控?能观性反映由能直接测量的输入输出的量测值来确定反映系统内部动态特性的状态的可能性。状态x(t)u(t)y(t)能观测?为什么经典控制理论没有涉及到这两个结构性问题?这是因为经典控制理论所讨论的是SISO系统输入输出的分析和综合问题,它的输入输出间的动态关系可以唯一地由传递函数所确定。因此,给定输入,则一定会存在唯一的输出与之对应。反之,对期望输出信号,总可找到相应的输入信号(即控制量)使系统输出按要求进行控制,不存在能否控制的问题。此外,输出一般是可直接测量,不然,则应能间接测量。否则,就无从对进行反馈控制和考核系统所达到的性能指标。因此,在这里不存在输出能否测量(观测)的问题。所以,无论是从理论还是实践,经典控制理论和技术一般不涉及到能否控制和能否观测的问题。现代控制理论中着眼于对表征MIMO系统内部特性和动态变化的状态进行分析、优化和控制。状态变量向量的维数一般比输入向量的维数高,这里存在多维状态能否由少维输入控制的问题。此外,状态变量是表征系统动态变化的一组内部变量,有时并不能直接测量或间接测量,故存在能否利用可测量或观测的输入输出的信息来构造系统状态的问题。本章讨论线性定常系统的定性分析--结构性问题主要内容有:结构性问题--能控性、能观性、对偶原理结构分解能控规范形和能观规范形系统实现3.1线性连续系统的能控性本节主要讨论线性定常连续系统的状态能控性和输出能控性问题。关键问题:1.基本概念:状态能控性和输出能控性2.基本方法:状态能控性和输出能控性的判别方法本节首先从物理直观性来讨论状态能控的基本含义,然后再引出状态能控性的定义。本节讲授顺序为:能控性的直观讨论状态能控性的定义线性定常连续系统的状态能控性判别线性定常连续系统的输出能控性线性时变连续系统的状态能控性3.1.1能控性的直观讨论状态能控性反映输入u(t)对状态x(t)的控制能力。如果状态变量x(t)由任意初始时刻的任意初始状态引起的运动都能由输入(控制项)来影响,并能在有限时间内控制到空间原点,那么称系统是能控的,或者更确切地说,是状态能控的。否则,就称系统为不完全能控的。下面通过实例来说明能控性的意义。该电路系统中,电源电压u(t)为输入变量,并选择两电容器两端的电压为状态变量x1(t)和x2(t)。试分析电源电压u(t)对两个状态变量的控制能力。例1某电路系统的模型如图3-1所示。uR+++--C1C2x1x2-RRR图3-1电路系统由电路理论知识可知,若图3-1所示的电桥系统是平衡的(例Z1=Z2=Z3=Z4),电容C2的电压x2(t)是不能通过输入电压u(t)改变的,即状态变量x2(t)是不能控的,则系统是不完全能控的。uR+++--C1C2x1x2-RRR若图3-1所示的电桥系统是不平衡的,两电容的电压x1(t)和x2(t)可以通过输入电压u(t)控制,则系统是能控的。由状态空间模型来看,当选择两电容器两端电压为状态变量x1(t)和x2(t)时,可得如下状态方程:2221111111xRCxuRCxRCxuR+++--C1C2x1x2-RRR由上述状态方程可知,状态变量x2(t)的值,即电桥中电容C2的电压,是自由衰减的,并不受输入u的控制。具有这种特性的系统称为状态不能控的。uxxxxx212112例2给定系统的状态空间模型与结构图分别为状态变量x1的运动只受初始状态x1(0)的影响,与输入无关,即输入u(t)不能控制x1(t)的运动,而且x1(t)不能在有限时间内衰减到零。因此,状态x1(t)不能控,则整个系统是状态不完全能控的。1/s-1-22x1x1/syuuxxxuxxx21221122由该状态方程可知,状态变量x1(t)和x2(t)都可由输入u单独控制,可以说,x1(t)和x1(t)都是单独能控的。对该状态方程求解后可得x1(t)-x2(t)=e-3t[x1(0)-x2(0)]即状态x1(t)和x2(t)总是相差一个固定的,不受u(t)控制的函数值。例3给定系统的状态空间模型为因此,x1(t)和x2(t)不能在有限时间内同时被控制到零或状态空间中的任意状态,只能被控制在满足由状态方程解所规定的状态空间中的曲线上。所以,虽然状态x1(t)和x2(t)都是单独能控的,但整个系统并不能控。前面几个例子,可通过直观分析来讨论系统的状态能控性,但对维数更高、更复杂的系统,直观判断能控性是困难的。下面将通过给出状态能控性的严格定义,来导出判定系统能控性的充要条件。x1(t)-x2(t)=e-3t[x1(0)-x2(0)]3.1.2状态能控性的定义由状态方程x’(t)=A(t)x(t)+B(t)u(t)及其第2章的状态方程求解公式可知,状态的变化主要取决于系统的初始状态和初始时刻之后的输入,与输出y(t)无关。因此研究讨论状态能控性问题,即输入u(t)对状态x(t)能否控制的问题,只需考虑系统在输入u(t)的作用和状态方程的性质,与输出y(t)和输出方程无关。对线性连续系统,有如下状态能控性定义。定义3-1若线性连续系统x’(t)=A(t)x(t)+B(t)u(t)对初始时刻t0(t0T,T为时间定义域)和初始状态x(t0),存在另一有限时刻t1(t1t0,t1T),可以找到一个控制量u(t),能在有限时间[t0,t1]内把系统状x2x10x(t0)x(t0)x(t0)态从初始状态x(t0)转移到原点,即x(t1)=0,则称t0时刻的状态x(t0)能控;若对t0时刻的状态空间中的所有状态都能控,则称系统在t0时刻状态完全能控;若系统在所有时刻状态完全能控,则称系统状态完全能控,简称为系统能控。即,若逻辑关系式t0Tx(t0)t1T(t1t0)u(t)(t[t0,t1])(x(t1)=0)为真,则称系统状态完全能控。若存在某个状态x(t0)不满足上述条件,称此系统是状态不完全能控的,简称系统为状态不能控。对上述状态能控性的定义有如下讨论:1.控制时间[t0,t1]是系统状态由初始状态转移到原点所需的有限时间。对时变系统,控制时间的长短,即t1-t0的值,与初始时刻t0有关。对于定常系统,该控制时间与t0无关。所以,对于线性定常系统状态能控性,可不必在定义中强调“在所有时刻状态完全能控”,而为“某一时刻状态完全能控,则系统状态完全能控”。即,若逻辑关系式t0Tx(t0)t1T(t1t0)u(t)(t[t0,t1])(x(t1)=0)为真,则称线性定常连续系统(A,B)状态完全能控。2.在上述定义中,对输入u(t)没有加任何约束,只要能使状态方程的解存在即可。如果矩阵A(t)和B(t)以及向量u(t)的每个元素都是t的分段连续函数,则状态方程存在唯一解。u(t)为分段连续的条件,在工程上是很容易满足的。3.在状态能控性定义中,对状态转移的轨迹未加以限制,这表明能控性是表征系统状态运动的一个定性特性。3.1.3线性定常连续系统的状态能控性判别线性定常连续系统状态能控性判据有许多不同形式,下面分别讨论常用的代数判据模态判据1.代数判据（秩判据）定理3-1(线性定常连续系统能控性秩判据)线性定常连续系统(A,B)状态完全能控的充要条件为:如下定义的能控性矩阵Qc=[BAB…An-1B]满秩,即rankQc=rank[BAB…An-1B]=n□[证明]：证明目标：对系统的任意的初始状态，能否找到输入u(t)，使之在的有限时间内转移到零。则系统状态能控。],[0ftt)(0tx0)(ftxttdButtxtttx0)()()()()(00已知：线性定常非齐次状态方程的解为：fttdButtx0)()()(00（2）由（1）式得：0)()()()()(000fttfffdButtxtttx将代入上式：ftt（1）10)()(njjjtAAtae由凯利－哈密顿定理有：100)(0)()(0njjjtAAtaet（3）fffffttnnttttttjnjjttnjjjdutaBAdutaABdutaBdutaBAdBuAtatx00000)()()()()()()()()()()(01101000101000（4）将（3）式代入（2）式得：1,1,0,)()(00njdutaUfttjj（5）令：（6）将（5）式代入（4）式得：UUUUBAABBBUAABUBUtxTTTTnnnnM)()(110111100（4）由以上可以看出式（6）中各参数维数如下：维向量为维为维向量为维为维为维向量为1nr,1rnrnM,rn,rn1n)(0UUABBtxj式（6）是关于U的非齐次方程组。由线性代数知识知道，其有解的充要条件是系数矩阵和增广矩阵的秩相等，即：)(M)M(0txrankrank由于x(t0)任意，所以，必须有：nrank)M([证毕]UUUUBAABBBUAABUBUtxTTTTnnnnM)()(110111100321001000101aaaxxu例3-1试判断如下系统的状态能控性解由状态能控性的代数判据有212121110100aaaAaAbbb212121001rankrankrank0131cQAAanaaabbb故因此,该系统状态完全能控。uxx1-1-1112310020231例3-2试判断如下系统的状态能控性4-4-2-2-442245231-1-1112][2BAABB将上述矩阵的第3行加到第2行中去,则可得矩阵000044224523001112显然其秩为2。而系统的状态变量维数n=3,所以状态不完全能控。解由状态能控性的代数判据有2.模态判据在给出线性定常连续系统状态能控性模态判据之前,先讨论状态能控性的如下性质:线性定常系统经线性变换后状态能控性保持不变。下面对该结论作简单证明。设线性变换阵为P,则系统(A,B)经线性变换后为,并有BPBAPPA1-1-~~(,)ABxPx])(...r[]~~...~~~r[1-1-1-1-1-1-1-BPAPPBAPPPBPBABABnn由于]...r[])...[r(]...r[1-1-1-1-1-1-1-BAABBBAABBPBAPABPBPnnn因此系统的状态能控性等价于(A,B)的状态能控性,即线性变换不改变状态能控性。(,)AB基于上述结论,可利用线性变换将一般状态空间模