定常离散系统的能控性 定常连续系统的能控性

定理3.4 对于n阶连续时间线性定常系统 x=Ax+Bu y=Cx+Du
输出完全能控的充要条件;是
r a n k C B C A B C A n - 1 B D m
2 能达性定义：对于给定连续时间线性定常系统
xAx+Bu
若存在一个分段连续的输入ut;能在有限时间区间t0; tf 内;将状态xt从原点转移到任一指定的终端目标状 态xtf;则称系统是能达的&
对线性定常系统;能控性和能达性是完全等价的&
分析状态能控性问题时 xAx+Bu 简记为 Σ(A, B)
现代控制理论基础
测性的关系 3.9 线性系统结构按能控性和能观测性的分解
现代控制理论基础
1
3.1 能控性和能观测性的概念
ut能否引起xt 的变化？
yt能否反映xt 的变化？
能控性 已知系统的当前时刻及其状态;研究是否存在一
个容许控制;使得系统在该控制的作用下在有限时间内到
达希望的特定状态&
能观测性 已知系统及其在某时间段上的输出;研究可否
7 0 0 0 1
(III) x0 0
5 0
0x4 1 7
50uu12
7 0 0 0 (II) x0 5 0x5u
0 0 1 7
7 0 0 0 0
(IV) x0 0
5 0
0x4 1 7
05uu12
解 A阵具有互不相同的特征值&系统I和III是能控的&
注意：特征值互不相同条件& 某些具有重特征值的矩阵;也能化成对角线标准形&
现代控制理论基础
19
3.2 连续时间线性定常系统的能控性
2 4 5 1

然是不能控的，即该系统的状态是不 完全能控的。
▪ 式（3-2）表示的系统中，没有孤立的部分， 状态变量 x2 直接受控于 u(t) ，状态变量 x1 通过 x2 等受控于 u(t) ，也就是说改变 u(t) 即
可改变系统的状态。因此，该系统是完全能 控的。
▪ 注意到（3-1）中的A是对角线型，（3-2）中的A是 约当标准型，因此，可总结出系统能控性的判别准 则如下：
▪ 根据所要解决的问题需要，常常将状态空 间表达式变换成一些特定的形式，前边讲 述的约旦标准型不仅容易计算状态转移矩 阵，求解状态方程，而且对于可控性和可 观性的分析也是十分方便的。然而对于后 续要讲解的状态反馈和状态观测器来说， 需要新的形式，即：能控标准型和能观标 准型。
▪ 一、能控标准型
▪ 1. 能控标准Ⅰ型
y
1 0
1 1
0 1
x
2 1 0 0 0 0 1
0
2
1
0
0
0 0
x& 0 0 2 0 0 x 3 0 u
0
0
0
5
1
0 0
0 0 0 0 5 2 1
y [1 0 1 0 2]x
系统能控能观性与传递函数的关系
▪ 传递函数的实现可有无穷多，若传递函数 没有零极点对消现象，则传递函数的阶次 最低，由此得到状态方程的维数也最低， 称为最小实现。最小实现所得到的状态空 间表达式必定是能控和能观的；
x&
1
0
1
1
x
0 b2
u;
y
c1
c2 x
画出模拟结构图
（3-2）
u b2
x1
c1
1
x2
c2

1、我国人民哪些发明属于在经典控制理论萌芽阶段的发明？(AB)A 指南车B 水运仪象台C 指南针D 印刷术2、经典控制理论也可以称为(BD)A 现代控制理论B 自动控制理论C 近代控制理论D 古典控制理论3、以下哪些内容属于现代控制理论基础的内容？(AB)A 李雅普诺夫稳定性理论B 极小值原理C 频率响应法D 根轨迹法4 、传递函数模型假设模型初值不为零。

(✖)5 、传递函数描述的是单输入单输出的外部描述模型。

(✖)6 、线性系统理论属于现代控制理论的知识体系中数学模型部份。

(✔)7 、最优控制理论属于现代控制理论的知识体系中估计方法部份。

(✖)8、控制科学的意义下，现代控制理论主要研究(数学建模)和(控制理论方法) 的科学问题。

9 、现代控制理论在整个控制理论发展中起到了(承上起下)的作用。

10、除了稳定性外，现代控制理论基础还考虑系统(能控性)和(能观测性)两个内部特性。

一、现代控制理论作为一门科学技术，已经得到了广泛的运用。

你还知道现代控制理论具体应用到哪些具体实际的例子么？1、关于输出方程，下列哪些说法是正确的？(BD)A 输出方程中状态变量必须是一阶的B 输出方程中不含输入的任何阶倒数C 输出方程中输入变量可以是任意阶的D 输出方程中不含状态变量的任何阶倒数2、关于系统的动态方程，下列哪些说法是正确的？(AB)A 系统的状态方程的状态变量的个数是惟一的B 系统输出方程的输入输出变量是惟一的C 系统输出方程的输入输出变量是不惟一的D 系统的状态方程的状态变量是惟一的3、对于一个有多个动态方程表示的系统，下列说法正确的是？(AC)A 这些动态方程一定是等价的B 这些动态方程经过线性变化后，不能转化为一个动态方程C 这些动态方程经过线性变化后，可以转化为一个动态方程D 这些动态方程不一定是等价的4、选取的状态向量是线性相关的(✖)5、状态向量的选取是不惟一的(✔)6、状态向量的个数是不惟一的(✖)7、输出方程的选取是不惟一的(✔)8、(系统的输出量与状态变量、输入变量关系的数学表达式)称为输出方程。

A'
0
0
0
a0 a1 a2
0
0 可
0
0
B'
控 标
1
an1
0 1
准 形
AT=A’
BT=B’
0 0 0 1 0 0 A 0 1 0
a0
a1
C 0
0 1
0 0
a2
可观标准形
1 an1
结论：状态方程具有可观测标准形的系统一定可观测。
C 0 0
CA
0
0
V
CA2
3.2线性定常系统的可观测性
1．线性定常离散系统状态可观测性
(1) 离散系统可观测定义
x(k 1) Gx(k) Hu(k ) y(k) Cx(k) Du(k)
已知输入u(0)，…，u(n－1)的情况下，通过在
有限个采样周期内测量到的输出y(0)，y(1)，…， y(n-1)，能唯一地确定任意初始状态x(0)的n个分量， 则称系统是完全可观测的，简称系统可观测。
(2) 线性定常连续系统可控性判据
若线性定常连续系统的状态方程为
x Ax Bu
则该系统可控的充分必要条件为其可控性矩阵
Sc B AB
满秩，即 rankSc n
An1B
示例
(3) 可控标准形
结论：状态方程具有可控标准形的系统一定可控。
x1 0
x2
0
xn
1
0
xn a0
使上述方程组有解的充分必要条件是
Sc' Gn1H
GH H
满秩，且 rankSc' n
亦即 Sc H GH
Gn1H 且rankSc n
离散可控性例题