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武汉理工大学研究生课程论文课程名称：现代控制工程学生姓名：宋*课程教师：谭耀刚学号：************日期：2010年1月状态反馈控制的主要特性及发展姓名：宋雄班级：机电1004班学号：104972101293 摘要：状态反馈是指系统的状态变量通过比例环节传送到输入端去的反馈方式。
状态反馈是体现现代控制理论特色的一种控制方式。
状态变量能够全面地反映系统的内部特性，因此状态反馈比传统的输出反馈能更有效地改善系统的性能。
但是状态变量往往不能从系统外部直接测量得到，这就使得状态反馈的技术实现往往比输出反馈复杂。
本文首先介绍了状态反馈控制系统的主要特性——可控性和可观性，并且对这两种性能进行了举例说明；还介绍了引入状态反馈对系统的可控性和可观性的影响；另外也说明了如何利用状态反馈来任意配置极点。
其次，本文主要介绍的是状态反馈控制的发展，有容错控制，带全维状态观测器的状态反馈系统，这两种都是对可控性和可观性的深入的发掘和拓展。
关键词：状态反馈可控性和可观性极点配置全维状态观测器容错控制引言随着科技的不断发展，在硬件方面的发展逐步走向饱和，或者很难得到进步和延伸。
但是软件方面的发展却逐步地得到社会的重视。
一套好的设备，唯有配备合适的软件才能将它的功效尽可能大的释放出来。
对于机械方面而言，软件就是指其控制系统。
系统的状态变量通过比例环节传送到输入端去的反馈方式。
状态反馈是体现现代控制理论特色的一种控制方式。
状态变量能够全面地反映系统的内部特性，因此状态反馈比传统的输出反馈能更有效地改善系统的性能。
但是状态变量往往不能从系统外部直接测量得到，这就使得状态反馈的技术实现往往比输出反馈复杂。
状态反馈也不影响系统的能控性，但可能改变系统的能观测性。
只要原系统是能控的，则一定可以通过适当选取反馈增益矩阵K用状态反馈来任意移置闭环系统的极点(见极点配置)。
对于传统的输出反馈,如果不引入附加的补偿装置，这一点不是总能作到的。
《现代控制系统》[美] R . C . 多尔夫，R . H . 毕晓普著第四章：反馈控制系统的特性4.1 开环和闭环控制系统既然我们已经能够设计出控制系统组成部分的数学模型，所以这节我们将研究控制系统的特性。
在1.1节，控制系统被定义为组成系统的各部分的互联关系，该系统是能够实现预定响应的。
因为理想系统响应是已知的，所以就会产生和偏差成比例的信号，这个偏差是理想响应和实际响应之间的差值。
在闭环过程中，利用这个偏差信号来控制信号输出的系统就叫做反馈系统。
这个闭环系统的操作过程如图4.1所示。
为了改善控制系统，引入反馈是非常必要的。
有趣的是，在自然环境中也存在这种反馈系统，例如生物和生理系统，在这些系统中反馈是与生俱来的。
例如，心脏控制系统就是一个反馈控制系统。
为了解释引入反馈以后系统的特性和好处，我们将举一个单一回路的反馈例子。
虽然很多控制系统都不是单一反馈的，但是单个回路反馈比较容易解释。
研究单个回路反馈能够最好地说明反馈回路的所有优点，然后我们再把它延伸到多个回路反馈系统。
没有反馈的系统通常被称为直接系统或开环系统，如图4.2所示。
与之相反的是闭环系统，如图4.3所示的负反馈控制系统。
没有反馈的开环{直接}系统就是对应与输入直接产生一个输出。
闭环控制系统就是对输出信号进行测量，然后与理想值进行比较，产生一个偏差信号，最后再把偏差信号送入调节器。
两种形式的控制系统都由相同的的方框图和信号流线图组成，但是，信号流线图对信号输出的结果起了主要作用。
一般情况下，H （s ）等于1或者不是1的其他常数。
这个常数包括单位转换，例如，弧度转化为电压。
首先，我们先讨论H （s ）=1时的单位反馈。
那么这时Ea(s)=E(s)，并且Y(s)=G(s)E(s)=G(s)[R(s)-Y(s)]解出Y(s)，得到()()()1()G s Y s R s G s =+ (4.1) 偏差信号是1()()1()E s R s G s =+ 因此，为了减小偏差，在S 的取值范围内，必须使[1+G （s ）]的值远大于1。
1过程控制的任务和要求要求三项：安全性经济性稳定性，过程控制的任务就是在了解掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。
过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的。
2常用过程控制系统分为哪几类三类1.反馈控制系统（根据被控参数与给定值的偏差进行控制的）2.前馈控制系统（根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据）3.前馈-反馈控制系统（前馈控制的主要优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量的影响，而前馈反馈能控制利用的反馈控制克服其他扰动，能够使被控量迅速而准确的稳定在给定值上，提高系统的控制质量）1过程控制系统在运行中状态有几种?过程控制系统时域性能指标包括哪些？它们分别反应系统哪些方面性能？两种，一种是稳态，此时系统没有收到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。
一种是动态，当系统收到外来干扰的影响或者在改变了设定值之后原来的稳态受到破坏，各部分输入输出都发现变化。
时域性能指标（衰减比和衰减率，最大动态误差和超调量，残余偏差，调节时间和振荡频率）衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它相当于两个相邻的波峰值之比。
衡量震荡频率过程衰减程度的另一个指标是衰减率，指的是每经过一个周期，波动幅度衰减的百分数。
最大动态误差和超调量最大动态误差是指设定阶跃响应中，过度过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度，最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分比称为超调量残余偏差是指过渡结束之后被调量新的稳态值Y（∞）与新设定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标调节时间和振荡频率调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间过渡过程的振荡频率也可以作为衡量控制系统快速性的一个指标那你。
2什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪些？指被控过程是否容易控制。
反馈控制系统:同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。
但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。
为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。
反馈控制系统（即闭环控制系统）是基于反馈原理建立的自动控制系统。
所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。
因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。
反馈控制是自动控制的主要形式。
在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。
反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成（见图）。
图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。
这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。
以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。
炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。
反馈控制系统包括：（一）负反馈（negative feedback）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反，对控制部分的活动起制约或纠正作用的，称为负反馈。
即使系统的输出值与目标值的偏差越来越小。
1. 意义：维持稳态2. 缺点：滞后、波动（二）正反馈（positive feedback ）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同，对控制部分的活动起增强作用的，称为正反馈意义：加速生理过程，使机体活动发挥最大效应。
即使系统的输出值与目标值的偏差越来越大，正反馈并不是都是好的，有的时候系统需要正反馈的作用。
自动控制系统的动态特性及控制方式特点计信学院2011级自动化 XX 2011XXXX摘要：在自动系统中，外界坏境总在不停地变化着，控制量不可能回复到给定值，自动控制系统不得不不断检测，调节系统。
为了消除被控对象由于外界扰动而引起误差，常采取反馈控制和扰动补偿关键词：自动控制系统的动态、稳定性、不稳定性、反馈控制、扰动补偿引言：自动控制不会只是一个静态过程，总存在着被控对象的惯性、传感器信号滞后或外界情况变化等原因导致自动控制的动态性质。
因此，我们可引用反馈控制和扰动补偿等方式来解决此误差。
一、自动控制系统的动态行为描述所谓自动化，是指机器或是装置在无人干预的情况下按规定的程序或是指令自动地进行操作或是运行。
在自动控制系统进行着：不断地检测被控制量，并反馈、比较，不断地得到误差信号的过程；而且进行着：借助于此误差信号，不断地进行地通过变换、放大使执行机构动作，力图使被控制量回复到给定值并消除误差的过程，这是一个动态过程。
就像工业锅炉系统（如图一）。
系统温度、喷水器、鼓风器都有惯性。
这就是说：假如燃料量突然降为0，系统温度也不会突然降为零：送风机的电压降为零时，该电动机还是要由原速逐步降为零。
只不过系统温度下降的更加慢。
图一由此可知，电炉、电动机等惯性的存在是自动系统产生动态调节过程的根本原因。
特别是当系统各元件的参数配合不当，特别像是燃料量不足以迅速控制气压，喷水量不足以控制气温时，使得执行环节不能很好的控制被控对象，冲过头无法避免。
还有就是传感器的滞后性，通常我们无法准时得到所需的信号，我们必须通过微分方程来求解。
二、不稳定性及其原因稳定性就是指系统当扰动消失后，由初始偏差状态恢复平衡状态的性能。
具体的说，如果系统受到扰动，偏离了原来的平衡转台；而当扰动消失后，系统又能逐渐恢复到原来的平衡状态，则称为系统的稳定性，或具有稳定性。
否则，系统就是不稳定的或是具有不稳定性。
稳定性是系统去掉扰动后，自身的一种恢复能力所以是系统的一种固有特性，这种固有的稳定性只取决于系统的结构参数而与初始条件以及外作用无关。
反馈控制系统原理反馈控制系统是现代工业控制系统的基础，它的原理可以应用于各种领域，包括机械、电子、化工、航空、航天等。
本文将介绍反馈控制系统的原理，包括反馈控制系统的概念、组成和分类、反馈控制系统的基本原理、反馈控制系统的稳定性和性能分析、反馈控制器的设计方法等。
一、反馈控制系统的概念、组成和分类反馈控制系统是一种通过测量输出信号并将其与所需信号进行比较，从而调节系统输入信号的控制系统。
反馈控制系统由四个基本部分组成：传感器、误差放大器、执行器和反馈控制器。
其中，传感器用于将系统的输出信号转换为电信号，误差放大器用于比较输出信号和所需信号之间的误差，执行器将误差信号转换为系统的输入信号，反馈控制器则用于调节误差信号。
根据系统的反馈路径，反馈控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统是指输入信号不受输出信号的影响，输出信号也不会对输入信号产生影响的控制系统。
闭环控制系统是指系统的输出信号会对输入信号进行反馈调节的控制系统。
闭环控制系统的反馈路径可以分为负反馈和正反馈两种情况。
负反馈是指输出信号与所需信号之间的误差信号通过反馈路径返回到误差放大器进行比较调节，从而减小误差。
正反馈则是指误差信号通过反馈路径返回到系统的输入端口，增加误差，使得系统失去控制。
二、反馈控制系统的基本原理反馈控制系统的基本原理是通过误差信号来调节系统的输入信号，使得系统的输出信号与所需信号尽可能接近。
反馈控制系统的调节过程可以分为三个阶段：传递函数的建立、稳态误差的计算和控制器的设计。
传递函数是反馈控制系统的重要参数，它描述了系统输入信号与输出信号之间的关系。
传递函数可以通过系统的数学模型进行推导，通常采用拉普拉斯变换的方法进行求解。
传递函数的形式为：G(s) = Y(s) / X(s)其中，G(s)表示系统的传递函数，s为复频域变量，Y(s)和X(s)分别表示系统的输出信号和输入信号。
稳态误差是指系统在稳定状态下输出信号与所需信号之间的误差。
反馈控制系统:同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。
但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。
为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。
反馈控制系统（即闭环控制系统）是基于反馈原理建立的自动控制系统。
所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。
因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。
反馈控制是自动控制的主要形式。
在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。
反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成（见图）。
图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。
这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。
以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。
炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。
反馈控制系统包括：（一）负反馈（negative feedback）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反，对控制部分的活动起制约或纠正作用的，称为负反馈。
即使系统的输出值与目标值的偏差越来越小。
1. 意义：维持稳态2. 缺点：滞后、波动（二）正反馈（positive feedback ）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同，对控制部分的活动起增强作用的，称为正反馈意义：加速生理过程，使机体活动发挥最大效应。
即使系统的输出值与目标值的偏差越来越大，正反馈并不是都是好的，有的时候系统需要正反馈的作用。
机械工程中的控制系统动态特性分析一、引言控制系统在机械工程中扮演着重要的角色，它可以用于实现对机械设备的精确控制。
而控制系统的动态特性是评价其性能优劣的重要指标之一。
在本文中，我们将对机械工程中的控制系统动态特性进行深入分析，并探讨相关的研究领域和方法。
二、控制系统的动态特性控制系统的动态特性是指系统对输入信号变化的响应速度和稳定性。
动态特性分析可以帮助工程师了解控制系统在不同条件下的性能表现，并为系统优化提供依据。
常见的控制系统动态特性参数包括响应时间、超调量、稳态误差等。
1. 响应时间响应时间是指控制系统从接收到输入信号开始，到达稳定状态所需要的时间。
响应时间短意味着系统能够更快地对外界变化做出反应，因此在对于快速变化的控制任务中尤为重要。
工程师可以通过调整系统的参数来降低响应时间，例如增加控制器的增益或优化系统的结构。
2. 超调量超调量是指控制系统在响应过程中达到的最大偏离稳定状态的幅度。
超调量的大小反映了系统的稳定性和控制精度。
太大的超调量可能导致系统不稳定或产生震荡，而过小的超调量则可能导致系统响应过于迟缓。
因此，合理地控制超调量对于优化控制系统的性能至关重要。
3. 稳态误差稳态误差是指在稳定状态下，系统输出与设定值之间的差异。
稳态误差的大小可以反映系统的精确度和偏差。
在实际工程中，稳态误差往往是无法完全消除的，但工程师可以通过增加控制增益或改进系统结构来降低稳态误差。
三、控制系统动态特性分析方法为了准确地分析控制系统的动态特性，工程师们发展了各种分析方法和工具。
下面我们介绍几种常用的方法。
1. 传递函数法传递函数法是一种基于传递函数表示的分析方法。
通过建立控制系统的传递函数模型，可以对系统的动态特性进行数学分析和仿真。
传递函数法可以帮助工程师预测系统的响应时间、超调量等指标，并进行参数调整和优化。
2. 时域分析法时域分析法是一种基于时间响应的分析方法。
通过对系统输入信号和输出信号的时序数据进行处理，可以得到系统的动态特性参数。
