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第2章 线性系统的可控性与可观测性.ppt

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第二章 线性系统的可控性与可观测性 可控性 可观测性 线性定常连续系统的可控性判据 输出可控性 线性定常连续系统的可观测性判据 线性离散系统的可控性和可观测性 可控性、可观测性与传递函数(矩阵)的关系(*) 线性时变系统的可控性和可观测性(*) 可控性、可观测性的物理概念 例 已知某个系统的动态方程如下 例 右图所示桥式电路,选取电感电流iL和电容端电压uC作为状态变量,u为网络输入,输出量y=uc。 系统中只要有一个状态不可控或不可观测,便称该系统不完全可控或不完全可观测,简称该系统不可控或不可观。 例 下图所示两个网络, 2.1 可控性 考虑线性时变系统的状态方程 补充说明(对u(t)的限制) 状态可达与系统可达 2.2 可观测性 可观测性是表征状态可有输出完全反映的性能,所以应同时考虑系统状 态方程和输出方程 则式(2-103)可写为 系统完全可观测 2.3 线性定常连续系统的可控性判据 1 格拉姆矩阵判据 必要性: 已知系统完全可控,欲证W(0,t1)为非奇异。 由此又可导出 再利用式(2-112),由式(2-115)可以得到 2 凯莱-哈密顿定理 设n阶矩阵A的特征多项式为 B(λ)的元素均为 (n+1)阶多项式,根据矩阵加法规则将其分解为n个矩阵之和,即 由方程两端 λ同幂项系数相等的条件有 推论1 矩阵A的k( k≥n )次幂,可表示为A的(n-1)阶多项式 推论2 矩阵指数eAt可表为A的(n-1)阶多项式 则有 同理 3 秩判据 线性定常连续系统(2-107)完全可控的充要条件 式(2-130)又可表示为 从而对任意t10有 例2-17 试用可控性判据判断图2-26所示桥式电路的可控性。 这时状态方程变为 系统不可控,u不能控制x2,x2是不可控状态变量。 例2-18 网络如图2-27所示,试用可控性判据判断其可控性。 例2-19 试用可控性判据判断图2-25所示网络的可控性 例2-20 例2-21 判断下列状态方程的可控性 4 PBH 秩判据 进而可得 例2-22 已知线性定常系统的状态方程为 5 PBH 特征向量判据 6 约当规范型判据 其中 续 例2-23 已知线性定常系统的对角线规范型为 例2-24 给定线性定常系统的约当规范型如下,试判定系统的可控性。 2.4 输出可控性 1 输出可控性定义 2 输出可控性判据 令 记 例2-25 判断下列系统的状态可控性、输出可控性 2.5 线性定常连续系统的可观测性判据 已知M(0,t1)非奇异,即M-1(0,t1)存在,故由式(2-159)得 2 秩判据 例2-26 判断下列系统的可观测性 3 PBH秩判据 5 约当规范型判据 例2-27 已知线性定常系统的对角线规范型为 例2-28 已知系统的约当规范型为 2.6 线性离散系统的可控性和可观测性 1 线性离散系统的可控性和可达性 线性定常离散系统的可控性判据 设单输入线性定常离散系统的状态方程为 例2-29 设单输入线性定常离散系统状态方程为 设单输入线性定常离散系统状态方程为 例2-30 双输入线性定常离散系统的状态方程如下,试判断其可控性,并研究使 x(1)=0 的可能性。 2 线性离散系统的可观测性 设离散系统为 例2-31 判断下列线性定常离散系统的可观测性,并讨论可观测性的物理解释。其中输出矩阵取了两种情况。 3 连续动态方程离散化后的可控性和可观测性 2.7 可控性、可观测性与传递函数(矩阵)的关系 1 SISO系统 传递函数G(s)所具有的相应特点 式(2-222)中 C(sI – A)-1 乃是初始状态至输出向量之间的传递矩阵,这可由下列动态方程经过拉氏变换来导出。 ⑵ A阵约当化的情况 ⑶ 传递函数描述与状态空间描述 例2-36 已知下列动态方程,试研究其可控性、可观测性与传递函数的关系 例2-37 设二阶系统结构如图所示,试用状态空间及传递函数描述判断系统的可控性与可观测性,并说明传递函数描述的不完全性。 2 MIMO系统 ⑴ 多输入-多输出系统可控性判据 ⑵ 多输入-多输出系统可观测性判据 总结 例2-38 试用传递矩阵判据判断下列双输入-双输出系统的可控性、可观测性。 例2-39 试用传递矩阵判据判断下列SISO系统的可控性、可观测性 2.8 线性时变系统的可控性、可观测性 前言 1 格兰姆(Gramian)矩阵及其在时变系统中的应用 ⑴ F 的列向量相关性 ⑵ 时变列向量的线性无关性 2 时变系统的可控性 定常系统可控性与时变系统可控性的关系 3 时变系统的可观测性 定常系统可观测性判据与时变系统可观测性判据的关系 4 可控性判据小结
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