实验三系统的能控性与能观性分析及状态反馈极点配置

1/7实验三系统的能控性与能观性分析及状态反馈极点配置实验指导书一、实验目的加深理解能观测性、能控性、稳定性、最小实现等观念，掌握状态反馈极点配置方法，掌握如何使用MATLAB进行以下分析和实现。b5E2RGbCAP1、系统的能观测性、能控性分析；2、系统的最小实现；3、进行状态反馈系统的极点配置；4、研究不同配置对系统动态特性的影响。二、实验原理、内容及步骤1、系统能控性、能观性分析设系统的状态空间表达式如下：1-1）其中A为n×n维状态矩阵；B为n×m维输入矩阵；C为p×n维输出矩阵；D为p×m维传递矩阵，一般情况下为0。p1EanqFDPw系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式(1-2所示：(1-2式(1-2中，表示传递函数阵的分子阵，其维数是p×m；表示传递函数阵的分母多项式，按s降幂排列的后，各项系数用向量表示。DXDiTa9E3d系统的能控性、能观测性分析是多变量系统设计的基础，包括能控性、能观测性的定义和判别。系统状态能控性定义的核心是：对于线性连续定常系统1-1）,若存在一个分段连续的输入函数u(t，在有限的时间t1-t0）内，能把任一给定的初态x(t0转移至预期的终端x(t1，则称此状态是能控的。若系统所有的状态都是能控的，则称该系统是状态完全能控的。RTCrpUDGiT2/7状态能控性判别方法分为2种：一般判别和直接判别法，后者是针对系统的系数阵A是对角标准形或约当标准形的系统，状态能控性判别时不用计算，应用公式直接判断，是一种直接简易法；前者状态能控性分为一般判别是应用最广泛的一种判别法。5PCzVD7HxA状态能控性判别式为：1-3）系统状态能观测性的定义：对于线性连续定常系统1-1）,如果对t0时刻存在ta，t0ta，根据[t0,ta]上的y(t的测量值，能够唯一地确定系统在t0时刻的任意初始状态x0，则称系统在t0时刻是状态完全能观测的，或简称系统在[t0,ta]区间上能观测。jLBHrnAILg状态能观测性判别方法也分为2种：一般判别和直接判别法，后者是针对系统的系数阵A是对角标准形或约当标准形的系统，状态能观性判别时不用计算，应用公式直接判断，是一种直接简易法；前者状态能观测性分为一般判别是应用最广泛的一种判别法。xHAQX74J0X状态能观测性判别式为：1-4）系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的有(1-2式所示关系。已知系统的传递函数阵表述，求其满足(1-2式所示关系的状态空间表达式，称为实现。实现的方式不唯一，实现也不唯一。其中，当状态矩阵A具有最小阶次的实现称为最小实现，此时实现具有最简形式。LDAYtRyKfE[例1.1]对下面系统进行能控性、能观性分析。解：a=[-1-22。0-11。10-1]。b=[201]'。c=[120]Qc=ctrb(a,b%生成能控性判别矩阵=2003/701011-1rank(Qc%求矩阵Qc的秩ans=3%满秩，故系统能控Qo=obsv(a,c%生成能观测性判别矩阵rank(Qo%求矩阵Qo的秩ans=3%满秩，故系统能观测2、状态反馈极点配置一个受控系统只要其状态是完全能控的，则闭环系统的极点可以任意配置。极点配置有两种方法：①采用变换矩阵T，将状态方程转换成可控标准型，然后将期望的特征方程和加入状态反馈增益矩阵K后的特征方程比较，令对应项的系数相等，从而决定状态反馈增益矩阵K；②基于Carlay-Hamilton理论，它指出矩阵状态矩阵A满足自身的特征方程，改变矩阵特征多项式的值，可以推出增益矩阵K，这种方法推出增益矩阵K的方程式叫Ackermann公式。Zzz6ZB2Ltk[例1.2]某控制系统的状态方程描述如下：通过状态反馈使系统的闭环极点配置在P=-30，-1.2,-2.44i位置上,求出状态反馈阵K,并绘制出配置后系统的时间响应曲线。dvzfvkwMI1解：A=[-10-35-50-24。1000。0100。0010]。B=[1。0。0。0]。C=[172424]。D=[0]。disp('原系统的极点为'。p=eig(A'运算结果为：原极点的极点为4/7p=-4.0000-3.0000-2.0000-1.0000P=[-30。-1.2。-2.4+sqrt(-16。-2.4-sqrt(-16]。K=place(A,B,PK=26.0000172.5200801.7120759.3600disp('配置后系统的极点为'配置后系统的极点为p=eig(A-B*K'p=-30.0000-2.4000-4.0000i-2.4000+4.0000i-1.2000rqyn14ZNXIdisp('极点配置后的闭环系统为'%极点配置后的闭环系统为sysnew=ss(A-B*K,B,C,Dstep(sysnew/dcgain(sysnew%极点配置后系统的阶跃响应a=x1x2x3x4x1-36-207.5-851.7-783.4x21000x30100x40010b=u1x11x20x305/7x40c=x1x2x3x4y1172424d=u1y10Continuous-timemodel.图1-1极点配置后系统的阶跃响应3、实验内容1）能控性、能观测性及系统实现a）了解以下命令的功能；自选对象模型，进行运算，并写出结果。gram,ctrb,obsv,lyap,ctrbf,obsvf,mineral；b）已知连续系统的传递函数模型，，当a分别取-1，0，1时，判别系统的能控性与能观测性；6/7c）已知系统矩阵为，，，判别系统的能控性与能观测性；d）求系统的最小实现。2）实验内容原系统如图1-2所示。图中，X1和X2是可以测量的状态变量。图1-2系统结构图试设计状态反馈矩阵,使系统加入状态反馈后其动态性能指标满足给定的要求:(1已知：K=10，T=1秒，要求加入状态反馈后系统的动态性能指标为：σ%≤20%，ts≤1秒。(12已知：K=1，T=0.05秒，要求加入状态反馈后系统的动态性能指标为：σ%≤5%，ts≤0.5秒。状态反馈后的系统，如图1-3所示：图1-3状态反馈后系统结构图7/7分别观测状态反馈前后两个系统的阶跃响应曲线，并检验系统的动态性能指标是否满足设计要求。三、实验设备及注意事项1、计算机120台；2、MATLAB6.X软件1套。注意不同版本MATLAB软件的异同。四、预习要求1.复习与实验有关的理论知识，掌握状态反馈的极点配置方法；2.利用所学知识，编写实验内容中的相应程序，并写在预习报告上。五、实验报告要求按照预习报告中的程序进行验证实验，并按实验记录完成报告，并回答思考题。六、思考题1．输出反馈能使系统极点任意配置吗？2．若系统的某个状态不能直接测量，能用什么办法构成全状态反馈？申明：所有资料为本人收集整理，仅限个人学习使用，勿做商业用途。