现代控制理论(浓缩版).doc

1、绪论1 经典控制理论与现代控制理论的比较。经典控制理论也称为古典控制理论，多半是用来解决单输入-单输出的问题，所涉及的系统大多是线性定常系统，非线性系统中的相平面法也只含两个变量。经典控制理论是以传递函数为基础、在频率域对单输入单输出控制系统进行分析和设计的理论。它明显具有依靠手工进行分析和综合的特点，这个特点是与20世纪4050年代生产发展的状况，以及电子计算机的发展水平尚处于初级阶段密切相关的。在对精度要求不高的场合是完全可用的。最大成果之一就是PID控制规律的产生，PID控制原理简单，易于实现，具有一定的自适应性与鲁棒性，对于无时间延时的单回路控制系统很有效，在工业过程控制中仍被广泛采用

2、。现代控制理论主要用来解决多输入多输出系统的问题，系统可以是线性或非线性的、定常或时变的。确认了控制系统的状态方程描述法的实用性，是与状态方程有关的控制理论。现代控制理论基于时域内的状态空间分析法，着重实现系统最优控制的研究。从数学角度而言，是把系统描述为四个具有适当阶次的矩阵，从而将控制系统的一些问题转化为数学问题，尤其是线性代数问题。而且，现代控制理论是以庞得亚金的极大值原理、别尔曼的动态规划和卡尔曼的滤波理论为其发展里程碑，揭示了一些极为深刻的理论结果。面对现代控制理论的快速发展及成就，人们对这种理论应用于工业过程寄于乐期望。但现代控制在工业实践中遇到的理论、经济和技术上的一些困难。所以

3、说，现代控制理论还存在许多问题，并不是“完整无缺”，这是事物存在矛盾的客观反应，并将推动现代控制理论向更深、更广方向发展。如大系统理论和智能控制理论的出现，使控制理论发展到一个新阶段。2 控制一个动态系统的几个基本步骤有四个基本步骤：建模，基于物理规律建立数学模型；系统辨识，基于输入输出实测数据建立数学模型；信号处理，用滤波、预报、状态估计等方法处理输出；综合控制输入，用各种控制规律综合输入。第一章 控制系统的状态空间表达式 状态空间表达式n阶 A称为系统矩阵，描述系统内部状态之间的联系；为输入（或控制）矩阵，表示输入对每个状态变量的作用情况；C输出矩阵，表示输出与每个状态变量间的组成关系，直

4、接传递矩阵，表示输入对输出的直接传递关系。 状态空间描述的特点考虑了“输入状态输出”这一过程，它揭示了问题的本质，即输入引起了状态的变化，而状态决定了输出。状态方程和输出方程都是运动方程。状态变量个数等于系统包含的独立贮能元件的个数，n阶系统有n个状态变量可以选择。状态变量的选择不唯一。从便于控制系统的构成来说，把状态变量选为可测量或可观察的量更为合适。建立状态空间描述的步骤：a选择状态变量；b列写微分方程并化为状态变量的一阶微分方程组；c将一阶微分方程组化为向量矩阵形式，即为状态空间描述。状态空间分析法是时域内的一种矩阵运算方法，特别适合于用计算机计算。 模拟结构图（积分器加法器比例器）已知

5、状态空间描述，绘制模拟结构图的步骤：积分器的数目应等于状态变量数，将他们画在适当的位置，每个积分器的输出表示相应的某个状态变量，然后根据状态空间表达式画出相应的加法器和比例器，最后用箭头将这些元件连接起来。 状态空间表达式的建立 由系统框图建立状态空间表达式：a将各个环节（放大、积分、惯性等）变成相应的模拟结构图；b每个积分器的输出选作，输入则为；c由模拟图写出状态方程和输出方程。 由系统的机理出发建立状态空间表达式：如电路系统。通常选电容上的电压和电感上的电流作为状态变量。利用KVL和KCL列微分方程，整理。由描述系统的输入输出动态方程式（微分方程）或传递函数，建立系统的状态空间表达式，即实

6、现问题。实现是非唯一的。方法：微分方程系统函数模拟结构图状态空间表达式。熟练使用梅森公式。注意：a如果系统函数分子幂次等于分母幂次，首先化成真分式形式，然后再继续其他工作。 b模拟结构图的等效。如前馈点等效移到综合反馈点之前。p28 c对多输入多输出微分方程的实现，也可以先画出模拟结构图。5状态矢量的线性变换。也说明了状态空间表达的非唯一性。不改变系统的特征值。特征多项式的系数也是系统的不变量。特征矢量的求解：也就是求的非零解。状态空间表达式变换为约旦标准型（为任意矩阵）：主要是要先求出变换矩阵。a互异根时，各特征矢量按列排。b有重根时，设阶系统，为单根，对特征矢量，求法与前面相同， 称作的广

7、义特征矢量，应满足。系统的并联实现：特征根互异；有重根。方法：系统函数部分分式展开模拟结构图状态空间表达式。6由状态空间表达式求传递函数阵的矩阵函数表示第j个输入对第i个输出的传递关系。状态空间表达式不唯一，但系统的传递函数阵是不变的。子系统的并联、串联、反馈连接时，对应的状态空间表达及传递函数阵。方法：画出系统结构图，理清关系，用分块矩阵表示。7离散系统的状态空间表达式及实现（模拟结构图）8时变系统：四个矩阵是时间t有关的。非线性系统：各微分方程组的右端含有状态变量的非线性项。利用泰勒级数可以线性化。第二章 控制系统状态空间表达式的解一线性定常系统齐次状态方程（）的解：二矩阵指数函数状态转移

8、矩阵1表示到的转移。5个基本性质。2的计算：a定义；b变换为约旦标准型 ,c用拉氏反变换 记忆常用的拉氏变换对 d应用凯莱-哈密顿定理三线性定常系统非齐次方程（）的解：。可由拉氏变换法证明（当然给出拉氏变换法的求解思路）。求解步骤：先求，然后将B和u(t)代入公式即可。特殊激励下的解。四线性时变系统的解状态转移矩阵用来表示。的计算：当时，；通常不等。不满足乘法可交换条件时，一般采用级数近似法：解为：五离散时间系统状态方程的解（递推法和Z变换法）递推法为状态转移矩阵；满足解为，直接计算有一定困难，可采用这样的步骤：先将原状态方程化为约旦标准型，求变换矩阵T，再求出，再得到。当然，。Z变换法公式不

9、用记忆，现推最好。；可见z;计算的用到的内容：部分分式展开（先除z后乘z）；ZT对六连续时间状态空间表达式的离散化定常系统的离散化a. ；b.近似离散化即时变系统的离散化略第三章线性控制系统的能控性和能观性一能控性及能观性定义（线性连续定常、时变系统，离散时间系统）二线性定常系统的能控性判别（具有一般系统矩阵的多输入系统）判别方法（一）：通过线性变换若A的特征值互异，线性变换（）为对角线标准型，能控性充要条件：没有全为的行。变换矩阵T的求法。若A的特征值有相同的，线性变换（）为约当标准型，能控性充要条件：对应于相同特征值的部分，每个约当块对应的中最后一行元素没有全为的。中对应于互异特征根部分，

10、各行元素没有全为的。变换矩阵T的求法。这种方法能确定具体哪个状态不能控。但线性变换比较复杂，关键是求、。判别方法（二）：直接从，判别能控的充要条件是能控性判别矩阵的秩为n。在单输入系统中，是一个的方阵；而多输入系统，是一个的矩阵，可通过三线性定常系统的能观性判别判别方法（一）：通过线性变换若A的特征值互异，线性变换（）为对角线标准型，能观性充要条件：中没有全为的列。变换矩阵T的求法。若A的特征值有相同的，线性变换（）为约当标准型，能控性充要条件：对应于相同特征值的部分，每个约当块对应的中第一列元素没有全为的。对应于互异特征根部分，对应的中各列元素没有全为的。变换矩阵T的求法。这种方法能确定具体

11、哪个状态不能观。但线性变换比较复杂，关键是求、。判别方法（二）：直接从，C判别能观性的充要条件是能观性判别矩阵的秩为n。在单输入系统中，是一个的方阵；而多输入系统，是一个的矩阵，可通过四离散时间系统的能控性与能观性能控性充要条件的秩为n。能控性充要条件的秩为n。五时变系统的能控性与能观性（与定常系统不同）在上状态能控的充要条件是格拉姆矩阵非奇异。与一样么？这种方法要求先计算出状态转移矩阵，如果无法写成闭解，则失去工程意义。使用信息，其中，如果存在某个时刻，使得，则系统在上是状态完全能控的。能观性判别与能控性类似，也可以使用格拉姆矩阵，但工作量太大。可使用信息：，其中，如果存在某个时刻，使得，则

12、系统在上是状态完全能观测的。六能控性与能观性的对偶原理若，则与对偶。对偶系统的传递函数阵是互为转置的。且他们的特征方程式是相同的。与对偶，则能控性等价于能观性，能观性等价于能控性。时变系统的对偶原理？七能控标准型和能观标准型对于状态反馈，化为能控标准型比较方便；对于观测器的设计及系统辨识，能观标准型比较方便。 能控标准型（如果已知系统的状态空间表达式）判别系统的能控性。计算特征多项式，即可写出。求变换矩阵，。求，计算，也可以验证是否有。 能控标准型 判别系统的能控性。计算特征多项式，即可写出。求变换矩阵。求，计算，也可以验证是否有。 能观标准型判别系统的能观性。计算特征多项式，即可写出。求变换

13、矩阵。求，计算，也可以验证是否有。 能观标准型判别系统的能观性。计算特征多项式，即可写出。求变换矩阵，。求，计算，也可以验证是否有。 如果已知传递函数阵，可直接写出能控标准型和能观标准型的状态空间表达。能控标准型：能观标准型：八线性系统的结构分解1按能控性分解（状态不完全能控，即），通过非奇异变换完成。，前个列矢量是M中个线性无关的列，其他列矢量保证非奇异的条件下是任意的。2按能观性分解（状态不完全能观，即），通过非奇异变换完成。，前个行矢量是N中个线性无关的行，其他行矢量保证非奇异的条件下是任意的。3按能控性和能观性分解（系统是不完全能控和不完全能观的），采用逐步分解法，虽然烦琐，但直观。步

14、骤：首先按能控性分解（能控状态，不能控状态）。对不能控子系统按能观性分解（不能控能观状态，不能控不能观状态）。将能控子系统按能观性分解（能控能观状态，能控不能观状态）。综合各步变换结果，写出最后的表达式。 另一种方法：化为约当标准型，判断各状态的能控性能观测性，最后按4种类型分类排列。九传递函数阵的实现问题1实现的定义：由写出状态空间表达式，甚至画出模拟结构图，称为传递函数阵的实现问题。 条件：传递函数阵中每个元的分子分母多项式都是实常数；元是s的真有理分式。注意：如果不是有理分式，首先求出直接传递矩阵。2能控标准型和能观标准型实现 单入单出系统，是有理分式，可直接根据分子分母多项式系数写出能控标准1型和能观标准2型实现。多输入多输出系统，是矩阵，将整理成和单入单出系统传递函数相类似的形式，即；此时的是维常数阵。其能控标准型和能观标准型实现与单入单出系统类似，只是各矩阵中的0变为全零矩阵，1变为单位矩阵I，常数变为常数乘单位矩阵，即。注意：能控标准型实现的维数是；能观标准型实现的维数是。3最小实现（维数最小的实现）为最小实现的充要条件是是完全能控能观的。步骤：对给定的，初选一种实现（能控标准型或能观标准型），假设选能控标准型，判断是否完全能观测，若完全能观测则就是最小实现；否则进行能观性分解，进一步找出能控能观部分，即为最小实现。注意：传递函数阵的实现不是唯一