状态反馈控制器设计 PPT

系统复杂性与可维护性
总结词
随着反馈控制系统变得越来越复杂，系统的可维护性和可靠性成为亟待解决的问题。
详细描述
随着系统规模的扩大和组件的增多，反馈控制系统的复杂性也随之增加，这给系统的维护和故障排查 带来了挑战。为了提高系统的可靠性和稳定性，需要加强系统的可维护性和故障预防措施，同时优化 系统架构和组件之间的交互方式。
STEP 02
STEP 01
稳定性的分类
稳定性的定义
如果一个系统受到扰动后 能够回到原来的平衡状态 ，则称该系统是稳定的。
STEP 03
稳定性判据
常用的稳定性判据有劳斯 判据、赫尔维茨判据和奈 奎斯特判据等。
根据系统响应的不同，稳 定性可以分为线性稳定性 和非线性稳定性。
动态响应分析
动态响应的定义
系统在输入信号的作用下，从初始状态变化到最终状 态的过程称为动态响应。
动态响应的分类
根据系统响应的快慢，动态响应可以分为瞬态响应和 稳态响应。
动态响应的性能指标
常用的性能指标有超调量、调节时间和稳态误差等。
误差分析
01
02
03
误差的定义
实际输出与期望输出之间 的差值称为误差。
误差的分类
根据误差的性质，误差可 以分为随机误差和系统误 差。
反馈控制概念
反馈控制原理的核心在于通过不断获取系统的状态信息，与期望状态进行比较，并采取 相应的调整措施，以实现系统的稳定和性能优化。
反馈控制的重要性
提高系统稳定性
通过反馈控制，系统能够 及时发现并纠正偏差，提 高系统的稳定性和可靠性 。
优化系统性能
通过反馈控制，系统能够 不断调整自身状态，以适 应外部环境变化，提高系 统性能和效率。

现代控制理论：利用状态反馈、输出反馈来配置极点，需要解决 两个问题：（1）极点可配置的条件；（2）确定极点配置时的反 馈矩阵。
状态反馈在形成最优控制、克服和抑制扰动作用、实现系统解耦 控制等方面具有很多的应用。
１、极点可配置的条件 １）利用状态反馈的极点可配置条件
定理5：用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件：受控系统可控 证明： （1）充分性
u v Kx
通过反馈构成的闭环系统
x (A- BK)x Bv
是渐近稳定的，即（A-BK）的特征值均有负实部，则称系统 实现了状态反馈镇定。
定理4：当且仅当线性定常系统的不可控部分渐近稳定时，系统 是状态可镇定的。
定理4：当且仅当线性定常系统的不可控部分渐近稳定时，系统 是状态可镇定的。
证明：由于系统 {A, B} 不完全可控，则有可控性结构分解
vu
B
_
xI x S
A
F
y
C
x (A- BK)x Bv
如果 FC K 输出反馈等价于状态反馈
2、反馈结构对系统性能的影响
x (A- BK)x Bv
x (A- HC)x Bu
x (A- BFC)x Bv
状态反馈、输出反馈都会改变系统的系数矩阵，会影响系统的可 控性、可观测性、稳定性、响应特性等。
0 0 1 P 0 1 12
1 18 144
0 1 0 0
x 0 0
1
x
0u
0 72 18 1
0 0 0 1
x 1 6
0
x
0u
0 1 -12 0
系统的特征多项式 det[sI A] s3 18s2 72 s
希望特征多项式 a *(s) (s 1)(s 2 )(s 3 ) s3 4s2 6s 4

第五章 状态反馈控制器的设计题目：系统结构图如下图所示：要求：闭环系统的输出超调量σ≤5%，峰值时间t p ≤0.5s 。

分别求出开环、PID 闭环、状态反馈闭环、PID/状态反馈闭环的单位阶跃响应，并分析相应曲线得出结论。

1．开环系统单位阶跃响应图 1 开环系统仿真模型0.0.0.0.1.1.仿真时间（s ）阶跃响应图2 开环系统单位阶跃响应分析：由图中的响应曲线可知开环系统不稳定，通过开环传递函数G K （s ）=3211872s s s++也可以判断出开环系统不稳定。

2．闭环传递函数及其单位阶跃响应（1）闭环传递函数G B (s)=32118721s s s +++，特征根分别为λ1=-12.0138，λ2=-5.9722，λ3=-0.0139。

（2）闭环传递函数仿真模型及其单位阶跃响应曲线见图3、图4。

图3 闭环传递函数仿真模型图4 闭环传递函数单位阶跃响应分析：响应曲线表明，系统是稳定的，但是系统的响应时间太长，远达不到要求。

3．加入PID控制器，并进行参数整定后的单位阶跃响应图 5 PID控制仿真模型其中参数设置为：K p =256.8 ，K i =0.2，K d=23.2。

图6 PID 闭环控制输出波形图分析：通过Workspace 数据查询可知峰值时间tp=0.98686s ，最大输出值为1.0485，所以超调量为4.85%，满足要求，峰值时间达不到要求。

4．加入状态反馈控制器的单位阶跃响应图7 状态反馈控制仿真模型其中H1 到H3依次为10000、284.8、96.1。

0.0.0.0.1.-4t i m e(sec)O u t p u t图8 状态反馈控制单位阶跃响应分析：通过Workspace数据查询可知峰值时间tp=0.4492s，最大输出值为1.0449，所以超调量为4.49%，满足性能指标要求。

5．状态反馈/PID控制的单位阶跃响应图9 状态反馈/PID控制仿真模型其中PID参数设置为：K p =1.05 ，K i =0.01，K d=0；状态反馈控制H1 到H3依次为10000、284.8、96.1。

➢而该对偶系统可以视为是系统 (AT, CT, BT)经输出反馈阵 为HT构成的闭环反馈系统;
✓由于输出反馈不改变系统的可控性， 因此闭环系统 H(A-BHC, B, C)的状态可观性等价于其对偶系统 (AT, CT, BT)的状态可控性;
➢又由对偶性原理有，系统 (AT, CT, BT)的状态可控性等 价于其对偶系统 (A, B, C)的状态可观性。
Ø 闭环系统的状态可控性和可观性
Ø 状态反馈镇定
口 由于线性定常离散系统状态空间模型以及可控性判据的类同 性，因此本节讨论的概念和方法也可推广到线性定常离散系 统的状态反馈和输出反馈系统的分析和设计问题。
10.1.1 状态反馈的描述式
口 对线性定常连续系统 (A, B, C)，若取系统的状态变量来构 成反馈，则所得到的闭环控制系统称为状态反馈系统。 Ø 状态反馈闭环系统的系统结构可如图10-1所示
✓将一个 MIMO 系统通过反馈控制实现一个输入只控 制一个输出的系统综合问题称为系统解耦(System decoupling)问题。
v 系统解耦对于高维复杂系统尤为重要。 ✓使系统的输出y(t) 无静差地跟踪一个外部信号y0(t)
作为性能指标，相应的综合问题称为跟踪(Tracking) 问题。
7
口 优化型性能指标一般定义为关于状态 x(t) 和输入 u(t) 的积分 型性能指标函数或关于末态 x(tf) 的末值型性能指标函数。 Ø 而综合的任务，就是要确定使性能指标函数取极值的控 制规律，即最优控制(Optimal control)问题。 Ø 相应地性能指标函数值则称为最优性能。
➢另一方面，从状态空间模型的输出方程可以看出， 输出 反馈可视为状态反馈的一个特例。
✓因此， 采用状态反馈应能达到更高的性能。