第三章線性系統(tǒng)的能控性和能觀性

第三章線性系統(tǒng)的能控性和能觀性多變量線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)的能控性和能觀性1第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1能控性和能觀性的定義3.2線性時變系統(tǒng)的能控性判據(jù)3.3線性定常系統(tǒng)的能控性判據(jù)3.4對偶原理與能觀性判據(jù)3.5線性系統(tǒng)的能控、能觀性指數(shù)3.6SISOS的能控規(guī)范型和能觀規(guī)范型3.7MIMOS的能控規(guī)范型和能觀規(guī)范型第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1能控性和能觀性的定義3.1.1問題的提出研究系統(tǒng)的目的：更好地了解系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。了解系統(tǒng)的含義：系統(tǒng)的組成、結構、屬性和運動規(guī)律等。控制系統(tǒng)的含義：當前狀態(tài)經(jīng)一定時間是否轉(zhuǎn)移到期望狀態(tài)。能控性問題：已知系統(tǒng)當前時刻及其狀態(tài)，是否存在一個容許控制，使系統(tǒng)在該控制作用下于有限時間后到達希望的特定狀態(tài)？能觀性問題：已知某系統(tǒng)及其在某時間段上的輸入和輸出，可否依據(jù)這一時間段上的輸入和輸出決定系統(tǒng)這一時間段上的狀態(tài)？第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2能控性定義定義：對于線性時變系統(tǒng)，若對取定初始時刻t0J的一個非零初始狀態(tài)x0,存在一個時刻t1J,t1>t0和一個無約束的容許控制u(t),t[t0,t1],使得系統(tǒng)在此控制作用下，系統(tǒng)由x0出發(fā)的運動軌線經(jīng)過時間t1-t0后由x0轉(zhuǎn)移到x(t1)=0,則稱x0是系統(tǒng)在t0時刻的一個能控狀態(tài)。定義：對于線性時變系統(tǒng)，

x0

0，都是在t0時刻的能控狀態(tài)，則稱系統(tǒng)在時刻t0是完全能控的；

t0[T1,T2],系統(tǒng)均在t0時刻為能控的，稱系統(tǒng)在[T1,T2]上是完全能控的。定義：對于系統(tǒng)取定初始時刻t0J，若狀態(tài)空間存在一個非零狀態(tài)在時刻t0是不可控的，則稱系統(tǒng)在時刻t0是不完全能控的。注：1、狀態(tài)轉(zhuǎn)移對軌跡不加限制及規(guī)定；2、無約束表示幅值不加限制；3、容許控制：J上平方可積，能量有限；4、由零狀態(tài)轉(zhuǎn)移到非零狀態(tài)，稱為狀態(tài)能達的。第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.3能觀性定義第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月定義（狀態(tài)能觀測）：對于線性時變系統(tǒng)，若對取定初始時刻t0J的一個非零初始狀態(tài)x0,存在一個有限時刻t1J,t1>t0,使得有區(qū)間[t0,t1]上的系統(tǒng)輸出可唯一地決定系統(tǒng)的初始狀態(tài)x0，則稱此x0在時刻t0為能觀測的。（狀態(tài)能觀測）定義（狀態(tài)不能觀測）：對于線性時變系統(tǒng)，若對取定初始時刻t0J的一個非零初始狀態(tài)x0,若t1J,t1>t0,均有y(t)=0,t[t0,t1],則稱此x0在時刻t0為不能觀測的。定義（完全能觀測的）：對于線性時變系統(tǒng)，若狀態(tài)空間的所有狀態(tài)都是時刻t0(t0J)的能觀測狀態(tài),稱系統(tǒng)在時刻t0

是完全能觀測的。若t0[T1,T2],系統(tǒng)均在t0時刻是完全能觀測的，稱系統(tǒng)在區(qū)間[T1,T2]上是完全能觀測的。定義（不完全能觀測的）：對于線性時變系統(tǒng)，取定初始時刻t0J，若狀態(tài)空間存在一個或一些非零狀態(tài)在t0的是不可能觀測的,稱系統(tǒng)在時刻t0

是不完全能觀測的。第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2線性時變系統(tǒng)的能控性判據(jù)3.2.1Gram矩陣判據(jù)3.2.2基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的判據(jù)定理：假設A(t)和B(t)均是t的連續(xù)函數(shù)矩陣，則系統(tǒng)在時刻t0能控的充要條件是存在某個有限時刻t1>t0,使得矩陣(t1,)B()在[t0,t1]上是行線性獨立，即對任意n維非零向量Z,都有ZT

(t1,)B()0.第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.3基于系統(tǒng)參數(shù)矩陣的判據(jù)第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3線性定常系統(tǒng)的能控性判據(jù)3.3.1定常系統(tǒng)能控性的特殊性引理：設線性定常系統(tǒng)在t0

[0,

]時刻完全能控，則它必在[0,

]上完全能控。3.3.2能控性矩陣判據(jù)定理：定常線性系統(tǒng)能控性的充要條件是rank[BAB…An-1B]=n3.3.3PBH判據(jù)定理：定常線性系統(tǒng)能控性的充要條件是,對于每個(A),都有rank[A-InB]=n｛(A)為A特征值集合｝第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4對偶原理與能觀性判據(jù)3.4.1Gram矩陣判據(jù)3.4.2對偶原理第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月定理：[對偶原理]系統(tǒng)L在t0時刻完全能控的充要條件是它的對偶系統(tǒng)L

在t0時刻完全能觀測。系統(tǒng)L在t0時刻完全能觀測的充要條件是它的對偶系統(tǒng)L

在t0時刻完全能控。3.4.3能觀性判據(jù)定理：假設A(t)和B(t)均是t的連續(xù)函數(shù)矩陣，則系統(tǒng)在時刻t0能觀的充要條件是存在某個有限時刻t1>t0,使得矩陣C()

(

，t1)在[t0,t1]上是列線性獨立，即對任意n維非零向量Z,都有C()

(

,t1)Z0.第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5線性系統(tǒng)的能控、能觀性指數(shù)3.5.1線性系統(tǒng)的能控性指數(shù)第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2線性系統(tǒng)的能觀性指數(shù)第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6SISOS的能控規(guī)范型和能觀規(guī)范型3.6.1SISOS的能控規(guī)范型第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6.2SISOS的能觀測規(guī)范型第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.7MIMOS的能控規(guī)范型和能觀規(guī)范型3.7.1兩種搜索方案第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.7.2MIMOS的Wonham能控規(guī)范型第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.7.3Luenberger能控規(guī)范型第26頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月3.7.4線性系統(tǒng)的能觀規(guī)范型定理：Wonham第一能觀規(guī)范型形式上對偶于Wonham第二能控規(guī)范型，A