现代控制理论深刻复习知识点.ppt

现代控制理论考试时间：待定答疑时间：待定答疑地点：待定,第一章 状态空间表达式,要求内容： 动力系统的状态，状态变量，状态空间表达式的基本概念；状态空间表达式的模拟结构图；状态空间表达式的建立及其线性变换（对角标准形和约当标准形）；由状态空间表达式传递函数阵 完整理解建立状态空间表达式的基本方法 同一系统在线性等价变换下的不同表达 与传递函数的关系 相关概念： 状态，状态空间表达式、状态方程、输出方程、模拟结构图、实现问题、友矩阵、线性变换（坐标变换）、特征值、（独立）特征向量、约当矩阵、传递函数阵等,第一章复习要点,1. 建立连续时间系统的状态空间表达式 系统结构图建立 转化为有积分号的模拟图，取状态变量，根据变量关系写出一阶微分方程组，状态空间表达式 系统机理（电气系统、动力学系统） 取状态变量，建立微分方程，整理，写出状态空间表达式 传递函数 能控标准I型(直接写出)，能观标准II型（B计算系数） 微分方程 左端最高次项，左右两端积分，取变量，整理 转化为传递函数，写出状态空间表达式。,第一章复习要点,2.状态空间表达式之间的变换 特殊的两种矩阵：对角阵、约当阵 矩阵变换：设x=Tz, A = T-1AT；B = T-1B；C=CT； D不变。 特征值不变化 将任意矩阵转化为特殊矩阵 A特征值互异： = T-1AT; T为特征值对应的特征向量； A特征值有重根： J = T-1AT；T为特征值对于的特征向量及广义特征向量构成；,第一章复习要点,2.状态空间表达式之间的变换（续） 系统并联实现 特征值互异：递函数分部分式： A=, B=(1 1 1)T; C=(c1, , cn) A=, B=(c1, , cn)T; C=(1 1 1). 特征值有重复： （参考书上内容） 3.状态方程与传递函数的关系 特殊形式的状态矩阵：能控标准I、能观标准II直接写出传递函数 公式：W = C(SI-A)-1B + D,第一章复习要点,4、离散时间系统的状态空间表达式 X(k+1) = G X(k) + H u(k) Y(k) = C X(k) + D u(k) 微分方程-差分方程; 传递函数-脉冲传递函数； G, H，C，D 与连续线性系统确定的方法一致。,第二章 系统解的表达式,要求内容： 包括线性定常系统状态方程齐次解，矩阵指数函数和状态转移矩阵的概念及其计算方法，线性定常系统状态方程的非齐次解，离散系统状态方程解，连续时间系统状态方程离散化 自由运动的解 受迫运动的解 解的基本特征 相关概念： 矩阵指数函数、状态转移矩阵、齐次状态方程（非其次状态方程）的解、离散时间系统状态方程的解,第二章复习要点,1.线性定常齐次状态方程的解 (自由运动) X=AX x(t)=(t-t0) x(t0) =eA(t-t0)x(t0), tt0 (t) =eAt：状态转移矩阵 2、状态转移矩阵 性质； 计算： 特殊的状态转移矩阵： A= ？ A=J ？ 利用特殊的状态转移矩阵： eAt=Te tT-1 ; eAt=Te Jt T-1 拉式变换：eAt = L-1 (SI-A)-1 凯莱哈密顿定理： eAt = 0I +1A+ +nAn-1,第二章复习要点,2、状态转移矩阵(续) -系数的求法：特征值互异；特征值有重复 3、线性定常非齐次方程的解 (自由运动+受迫运动) x=Ax+Bu x(t)=？ 4、离散时间系统状态方程的解 x(k+1) = G x(k) + H u(k) x(k)=? Gk难求，转化为： Gk=T k T-1 Z变换法：x(k)= Z-1 (ZI-G)-1 ( Zx(0) + Hu(z) ) ,第二章复习要点,5、连续时间系统空间表达式的离散化 x=Ax+Bu, y=Cx+Du； x(k+1) = Gx(k) + Hu(k); y(k)=Cx(k)+Du(k) G=? H=?,第三章 能控性和能观性,要求内容： 线性连续定常系统能控性定义，判据，能观测性定义，判据；线性离散时间系统能控性和能观测性定义，判据；能控性和能观测性的对偶关系，能控标准形，线性系统的传递函数（阵）中零极点对消与状态能控性，能观测性的关系 对偶原理 标准型和结构分解 与极/零相消的关系 相关概念： 能控性、能观性、能控性（能观性）判据、对偶原理、能控标准型、能观标准型、结构分解、最小实现、零极点对消,第三章复习要点,1、能控、能观性的定义 2、能控、能观性的判别 能控 特殊情况判别：对角线，特征值互异；约当阵，特征值有重复 M满秩，M=？注意矩阵维数 能观 特殊情况判别：对角线，特征值互异；约当阵，特征值有重复 N满秩，N=？注意矩阵维数 离散时间系统的能控能观性判别M, N-G, H。,第三章复习要点,3、标准型及转化 (单输入单输出，系统能控) 标准型： 能控标准I型 A (I在右上角)，B=(0, 0, 1)T，C 能控标准II型 A (I在左下角), B=(1, 0, 0)T ，C 能观标准I型 A (I在右上角) ，B，C=(1, 0, , 0) 能观标准II型 A(I在左下角)，B，C= (0, , 0 1) 直接写出传递函数： 能控I，能观II 转化 能控标准I型(I在右上角) ：Tc1 =? 能控标准II型(I在左下角)：Tc2 =M 能观标准I型(I在右上角) : To1-1 =N 能观标准II型(I在左下角): To2-1 =?,第三章复习要点,4、对偶 5、能控、能观性分解 能控性分解：不完全能控，A21=0，Rc=？ 能观性分解：不完全能观，A12=0，Ro=？ 能控能观性分解： 既不完全能控，也不完全能观； A=?，B=?, C=(C1, 0, C2, 0) 两阶段法：先能控分解，后能观分解，此方法不一定保证所有情况都能分解。,第三章复习要点,6、实现 W(s) - 状态空间表达式 转化为真分式 (0， n-1 )向量，mr （m输出=W的行数，r输入=W的列数） 按能控形式实现 按能观形式实现 最小实现 （初选系统中既能控有能观部分） 7、传递函数极/零相消与系统能控能观的关系,第四章 系统稳定性,要求内容： 李亚普诺夫稳定性的定义，李亚普诺夫稳定性第二方法，线性系统的李亚普诺夫稳定性分析，李亚普诺夫第二方法在线性系统设计中的应用，非线性系统的李亚普诺夫稳定性分析 李亚普诺夫第一方法 雅可比方法 相关概念： 平衡状态（平衡点）、稳定性的定义（不同层次的定义）、（半）正定（负定）矩阵、二次型、能量函数、李亚普诺夫方程,第四章复习要点,1、相关基本概念 平衡状态Xe 稳定性的定义： 李亚普诺夫意义下的稳定； 渐近稳定；大范围渐近稳定 不稳定 2、判稳方法 第一方法： 线性系统：A 的特征值具有负实部 非线性系统：在xe处泰勒级数展开，x=A(x-xe)+R(x) 判断A雅克比矩阵(在x=xe处，对x的偏导函数值)： 全部负实部；至少一个正实部；至少一个实部为零，判断高阶。,第四章复习要点,第二方法：平衡状态xe，满足f(xe)=0。 若存在标量函数V(x)，满足： V(x)对所有x都具有连续的一阶偏导 V(x)正定，即当x=0，V(x)=0; x0，V(x) 0; V(x)沿状态轨迹方向计算的时间导数V(x)满足条件： V(x)半负定(0)：xe李亚普诺夫意义下稳定； V(x)负定，或V(x)半负定(0)但除x=0外V(x)不恒为零：xe渐近稳定。 渐近稳定时，若|x|时， V(x) ： xe大范围渐近稳定。 V(x)正定(0)，xe不稳定。,第四章复习要点,3、李亚普诺夫方法判别线性系统的稳定性 x=Ax， xe=0 第一方法：xe大范围渐近稳定的条件：A的特征值具有负实部。 第二方法： V(x)=xTPx (P为正定对阵矩阵) ATP+PA=-Q (Q 为正定实对称矩阵) 选取正定实对称矩阵Q，计算P，若P正定，则系统在xe大范围渐近稳定； Q通常选择单位阵；当V(x)沿任一轨迹不恒等于零，则可取半正定的。,第五章反馈综合,要求内容： 理解线性系统反馈设计的基本方法和步骤 状态/输出/动态反馈 能控/能观性的保持 极点配置 相关概念： 状态/输出反馈（能控性、能观性影响）、极点配置,第五章复习要点,1、状态反馈 原理：状态反馈增益矩阵K 结构图？ 特点：改变闭环系统的特征值，可配置极点 2、输出反馈 原理：输出反馈增益矩阵H 结构图？ 特点： 3、闭环系统的能控性、能观性 状态反馈不改变系统的能控性，但不保证能观性不变 输出反馈不改变系统的能控性和能观性,第五章复习要点,4、极点配置 状态反馈：前提：系统完全能控 直接方法： 1) f(I (A+BK) 2) f*() 3) f()与f*()比较得出K； 间接方法： 1) A变换为能控标I型，Tc1，A， - (a0, an-1 ); 2) 闭环系统新的多项式： f*()； 3) 计算K=K Tc1-1, Ki= aI a*i,祝各位同学考出好成绩！,