15-输入-输出反馈线性化

非线性控制：输入—输出反馈线性化1课前测验一、分析以下非线性系统的原点是否稳定、是否渐近稳定、是否全局渐近稳定。1、21122221,xxxxxxx；2、1221sin,5xxxx；3、312212sin,xxxxx；4、1122121,1xxxxxx。第13章反馈线性化考虑这样一类非线性系统非线性控制：输入—输出反馈线性化2)()()(xhyuxGxfx是否存在一个状态反馈控制vxxu)()(及变量代换)(xTz把非线性系统转换为等效的线性系统。13.1节通过几个简单例子引入全状态线性化（full-statelinearization）和输入-输出线性化两个概念，并给出其表示方法。所谓全状态线性化是指把状态方程完全线性化，输入-输出线性化则是把输入-输出映射线性化，而状态方程只非线性控制：输入—输出反馈线性化3是部分线性化。13.2节将研究输入-输出线性化，介绍相对阶、零动态和最小相位系统。13.3节将给出一类可反馈线性化的非线性系统的特征。有关可反馈（或可部分反馈）线性化系统的状态反馈控制在13.4节讨论，其中涉及到稳定性和跟踪问题。13.1引言为了引入反馈线性化的感念，首先讨论稳定单摆方程非线性控制：输入—输出反馈线性化4cubxxaxxx21221]sin)[sin(的原点问题。通过观察上面的系统状态方程，可以选择cvxcau]sinsin(1以消去非线性项]sin)[sin(1x，从而得到线性系统vbxxxx2221这样非线性系统的稳定性问题就简化为一个可控线性系统的稳定性问题，我们可以设计一个稳定的线性状态反馈控制非线性控制：输入—输出反馈线性化52211xkxkv使闭环系统2211221)(xbkxkxxx的特征值在左半开平面，则整个状态反馈控制律为)(1]sin)[sin(22111xkxkcxcau消去非线性项的方法普遍适用吗？显然不能希望每个非线性系统都能消去非线性项，但一定存在具有某种结构特性的系统，允许消去非线性项。不难看出，如果通过相减消去非线性项)(x，则控制器u和非线性项)(x必须以非线性控制：输入—输出反馈线性化6乘积形式ux)(出现。如果矩阵)(x在所讨论的区域是非奇异矩阵，则可以通过vxu)(消去，其中)()(1xx是矩阵)(x的逆矩阵。因此，如果能利用反馈消去非线性项，就可以将非线性状态方程转变成一个可控的线性状态方程。考虑如下结构的非线性状态方程：)]()[(xuxBAxx(13.1)其中，A为nn矩阵，B为pn矩阵，矩阵对),(BA是可控矩阵，函数pnRR:和ppnRR:定义在包含原点的定义域nRD上，且矩阵)(x对于每个Dx都是非奇非线性控制：输入—输出反馈线性化7异矩阵。对于系统（13.1），可以通过状态反馈vxxu)()((13.2)将其线性化，其中)()(1xx，得到线性状态方程：BvAxx(13.3)为了实现稳定，可设计Kxv，使得BKA为Hurwitz矩阵。整个非线性稳定状态反馈控制为Kxxxu)()((13.4)假设非线性状态方程不具有形如式(13.1)的结构，是否意味着就不能通过反馈对系统线性化呢？回答是否定的。非线性控制：输入—输出反馈线性化8回顾前面的内容，系统的状态模型并不是惟一的，它取决于状态变量的选择，即使所选择的一种状态变量不能使系统状态方程具有形如式(13.1)的结构，还可以选择其他状态变量。例如，对于系统uxxxax21221sin不能简单选取u消去非线性项2sinxa。但是，如果先通过变换12211sinxxazxz改变状态变量，则1z和2z满足非线性控制：输入—输出反馈线性化9)(cos212221uxxazzz非线性项可以通过控制vxaxu221cos1消去，当2/2/2x时，上式有明确定义。要求出新坐标系),(21zz中的状态方程，可通过逆变换，即用),(21zz表示),(21xxazxzx21211sin非线性控制：输入—输出反馈线性化10上式当aza2时有定义。变换后的状态方程为)(sincos2121221uzazazzz当用变量代换)(xTz将状态方程从x坐标系变换到z坐标系时，映射T必须是可逆的，即必须存在逆映射)(1T，使得对于所有)(DTz，有)(1zTx，这里D是T的定义域。此外，由于z和x的导数应该是连续的，因此要求)(T和)(1T必须连续可微。具有连续可微逆映射的连续可微映射称为微分同胚。如果雅可比矩阵]/[xT在点Dx0是非奇异矩阵，则根非线性控制：输入—输出反馈线性化11据反函数定理①，存在一个0x的邻域N，使得限定在N内的T是N上的微分同胚。如果映射T是nR上的微分同胚，且nnRRT)(，则称T为全局微分同胚映射②。至此我们可以给出可反馈线性化系统的定义。定义13.1一个非线性系统uxGxfx)()((13.5)其中nRDf:和pnRDG:在定义域nRD上足够光①参见文献[10]的定理7.5。②当且仅当对所有nRx，]/[xT是非奇异矩阵，且T是正则的，即当)(limxTx时，T是全局微分同胚映射（证明参见文献[165]或文献[212]）。非线性控制：输入—输出反馈线性化12滑①。如果存在一个微分同胚映射nRDT:，使得)(DTDx包含原点，且可以通过变量代换)(xTz将系统(13.5)转化为下形式：)]()[(xuxBAzz(13.6)其中，),(BA是可控的，且对于所有Dx，)x为非奇异矩阵，则称系统(13.5)是可反馈线性化的（或可输入/状态线性化）。当我们要关注某些输出变量时，例如在跟踪控制问题①所谓“足够光滑”是指后面出现的所有偏导数都有定义且是连续的。非线性控制：输入—输出反馈线性化13中，则可用状态方程和输出方程描述状态模型。对状态方程线性化，没有必要对输出方程也线性化。例如，如果系统uxxxax21221sin的输出为2xy，则变量代换和状态反馈控制为11xz，22sinxaz，vxaxu221cos1可得非线性控制：输入—输出反馈线性化14azyvzzz21221sin虽然状态方程是线性的，但由于输出方程是非线性的，因此求解关于y的跟踪控制问题仍然很复杂。观察x坐标系中的状态方程和输出方程可以发现，如果状态反馈控制采用vxu21，就能够将u到y的输入-输出映射线性化，此时线性模型为22xyvx非线性控制：输入—输出反馈线性化15现在就可以用线性控制理论求解这个跟踪控制问题了。上述讨论表明，有时对输入-输出映射进行线性化更有意义，即使以保留一部分状态方程的非线性为代价。这种情况称系统为可输入—输出线性化的。注意应用输入-输出线性化，线性化的输入-输出映射并不能说明系统的全部动态特性。在前面例子中，整个系统表示为2221sinxyvxxax注意，状态变量1x和输出y没有联系，换句话说就是线性非线性控制：输入—输出反馈线性化16化反馈控制使得1x由y是不可观测的。在设计跟踪控制时，应该保证变量1x具有良好性能，即在某种意义上是稳定或有界的。一个仅采用线性输入-输出映射的简单控制设计，可能会导致信号)(1tx不断增长。例如，假设设计一个线性控制器，使输出y稳定在常数值r上，则rtaxtxsin)0()(11，当0sinr时，)(1tx会变得无界，这类内部稳定问题可以用零动态概念解释。13.2输入-输出线性化考虑单输入—单输出系统非线性控制：输入—输出反馈线性化17()()xfxgxu(13.7)()yhx(13.8)其中f，g和h在定义域nRD上足够光滑。映射nRDf:和nRDg:称为D上的向量场。导数y为[()()]()()fghyfxgxuLhxLhxux其中)()(xfxhxhLf称为h关于f或沿f的Lie导数，这种表示方法类似于h沿系统)(xfx轨迹的导数。当重复计算关于同一向量场或非线性控制：输入—输出反馈线性化18一新向量场的导数时，这种新表示法较为方便。例如，要用到以下表示：2110()()(),()()()(),()()()(),()()fgfffffkfkkffffLhLLhxgxxLhLhxLLhxfxxLhLhxLLhxfxxLhxhx如果的0)(xhLg，则)(xhLyf，与u无关。如果继续计算y的二阶导数，记为)2(y，得非线性控制：输入—输出反馈线性化19(2)2()[()()]()()ffgfLhyfxgxuLhxLLhxux同样，如果()0gfLLhx，则(2)2()fyLhx，且与u无关。重复这一过程可看出，如果()hx满足1()0igfLLhx，1,2,,1i；1()0gfLLhx则u不会出现在(1),,,yyy的方程中，但出现在()y的方程中，带一个非零系数，即()1()()fgfyLhxLLhxu上述方程清楚地表明系统是可输入-输出线性化的，因为由状态反馈控制非线性控制：输入—输出反馈线性化201()()fgfLhxvuLLhx把输入-输出映射简化为()yv这是一个积分器链。这时，整数称为系统的相对阶，下面是其定义。定义13.2如果对于所有0xD，有11()0,1,2,,1;()0igfgfLLhxiLLhx(13.9)则称非线性系统（13.7）~（13.8）在区域0xD上具有相对阶，1n。非线性控制：输入—输出反馈线性化21例13.1考虑受控VanderPol方程1222112(1),0xxxxxxu其输出为1yx。计算输出导数，得1222112(1)yxxyxxxxu因此，系统在2上的相对阶为2。当输出2yx时，有2221122[(1)]yxxxxxu系统在202{|0}Dxx上的相对阶为1。非线性控制：输入—输出反馈线性化22例13.2考虑系统11221xxxxuyx计算y的导数，得11yxxy因而，对于所有1n，()1nyyx。在这种情况下，系统不具有符合上述定义的相对阶,因为输出11()()e(0)tytxtx与输入u无关。例13.3一个场控直流电动机，若忽略轴阻尼，其模型为非线性控制：输入—输出反馈线性化23状态方程（见习题1.17）：112213312xaxuxbxkcxxxxx其中，1x、2x和3x分别是场励磁电流、电枢电流和角速度，a、b、c、k和是正常数。对于速度控制，选择输出为3yx，则输出导数为31212122()yxxxyxxxxxu这里()中的各项为x的函数。系统在区域302{|0}Dxx上的相对阶为2。非线性控制：输入—输出反馈线性化24例13.4考虑一个线性系统，其传递函数为110110()mmmmnnnbsbsbHssasa其中mn且0mb。系统的状态模型可取为xAxBuyCx其中非线性控制：输入—输出反馈线性化25012210100000100000001nnnnAaaaaa，10001nB011[00]mnCbbb该线性状态模型是系统（13.7）-（13.8）的特例，其中()