4-1线性系统的能控性和能观性

2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性4线性系统的能控性和能观性2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性本章知识点本章讨论线性定常系统的定性分析--结构性问题和系统综合问题,主要内容有:结构性问题--能控性、能观性、对偶原理能控规范形和能观规范形2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性•能控性、能观性和稳定性一样，是控制系统的重要性能，是实现各种控制和状态估计的基础，在控制理论中起着核心的作用。状态方程x’=Ax+Bu输出方程y=Cx控制器uxy图状态反馈控制设计控制器u(t)=kx(t)，使状态x(t)达到预期的状态。但首要的问题是，系统的状态能否被控制？即输入能否控制状态的变化？如果能控制，才谈得上采用某个u(t)将x(t)控制到新状态。如果不能控制，则无论采取什么控制信号也不可能达到目的。这便是系统的能控性问题。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性•另一方面，为了实现各种状态反馈控制，系统的全部状态应该能够被测量，但实际系统的状态x(t)通常是难以测量的，往往需要从能够被测量的输出y(t)中估计出来。状态估计的任务就是设计状态估计器，从输出y(t)中估计出状态x(t)，以实现状态反馈。但首要的问题是，从输出y(t)中能否估计出状态x(t)？如果y(t)不能完全反映系统的状态x(t)，也就无法实现状态估计，这便是系统的能观性问题。状态方程x’=Ax+Bu输出方程y=Cx控制器uxy图采用状态估计器的状态反馈控制状态估计器xˆ2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性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?2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性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?2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性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。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性现代控制理论中着眼于对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。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性4.1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3.状态能控性的物理意义和在状态空间中的几何意义2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性4.1.1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。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性例某电桥系统的模型如图4-1所示。该电桥系统中,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。uR+++--C1C2x1x2-RRR图4-1电桥系统2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性•若图4-1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。由电路理论知识可知,若图4-1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-RRR2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性2221111111xRCxuRCxRCx–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。•因此,该电压的值不能在有限时间内衰减至零,即该状态变量是不能由输入变量控制到原点。•具有这种特性的系统称为状态不能控的。uR+++--C1C2x1x2-RRR2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性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x2(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。补充例给定系统的状态空间模型为2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性因此,x1(t)和x1(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2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。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性4.1.2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3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,我们有如下状态能控性定义。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性定义4-1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)控制到原点,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;2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性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。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性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”。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性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,对输入u(t)和状态x(t)所处的空间都没有加任何约束条件。在实际工程系统中,输入变量空间和状态空间都不为无限制条件的线性空间,因此上述能控性的定义对工程实际系统还需作具体的分析。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性4.1.3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,讨论常用的代数判据2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性代数判据定理4-1(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下述条件之一成立:1.矩阵函数e-AtB的各行函数线性独立,即不存在非零常数向量fRn,使得fTe-AtB02.如下定义的能控性矩阵Qc=[BAB…An-1B]满秩,即rankQc=rank[BAB…An-1B]=n2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性定理4-1给出的是线性定常连续系统状态能控性充要的两个判据,可直接用于能控性判定。由于检验e-AtB的各行是否函数线性独立相对困难一些,因此实际应用中通常用定理4-1的条件2。条件2我们亦称为线性定常连续系统状态能控性的代数判据。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性321001000101aaaxxu例4-1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212121110100aaaAaAbbb2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性212121001rankrankrank0131cQAAanaaabbb故–因此,该系统状态完全能控。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性uxx1-1-1112310020231例4-2试判断如下系统的状态能控性2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性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2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性4.1.4线性定常连续系统的输出能控性在控制系统分析和设计中,系统的被控制量往往不是系统的状态变量,而是系统的输出变量。因此,有必要研究系统的输出能否控制的问题。经典控制理论讨论的为SISO系统输入输出的分析和综合问题,其输入输出间动态关系可以唯一地由传递函数所确定。因此,对给定的期望输出响应,输入则唯一地确定,不存在输出能否控制的问题。但对于MIMO系统,由于输入向量和输出向量是多维的,因此,存在r维的输入能否控制m维的输出的能控性问题。2020/1/21第4章线性系统的能控性和能观性•定义4-2若线性定常连续系统(A,B,C,D),–对初始时刻t0(t0T,T为系统的时间定义域)和任意初始输出值y(t0),•存在另一有限时刻t1(t1t0,t1T),可以找到一个输入控制向量u(t),•能在有限时间[t0,t1]内把系统从初始输出y(t0)控制到原点,即y(t1)=0,则称系统输出完全能控,简称为系统输出能控。•即,若数学逻辑关系式y(t0)t1Tu(