线性二次型指标的最优控制
45页1、1*第8章 线性二次型指标的最优控制8.3 线性定常系统的状态 调节器问题8.4 输出调节器问题李芳燕 罗婧 李一飞 李东芳 安海潮8.3 线性定常系统的状态调节器问题问题引入1举例说明3定理内容及说明2Beihang University对于上一节所讨论的状态调节器,即使系统的状态方 程和性能指标是定常的,即矩阵A,B,Q,R均为常数矩阵时, 其系统总是时变和系统最优反馈增益是时变的,这是由于 黎卡提方程的解K(t)是时变的缘故。Beihang University由例8-1的结结果,从结结果图图中受到启发发,当终终端时间时间 tf 趋趋于无穷时穷时 ,K(t)将趋趋于某常数,即K(t)可视为视为 恒值值。tf =10时时黎卡提矩阵阵微分方程的解K(t)Beihang UniversityK(t)将趋趋于某常数,即K(t)可视为视为 恒值值,从而得到所谓谓 无限时间时间 (tf =)状态调节态调节 器或稳态稳态 状态调节态调节 器。tf =1000时时黎卡提矩阵阵微分方程的解K(t)Beihang University对对于无限时间时间 状态调节态调节 器,通常在性能指标标中不考虑虑
2、 终终端指标标,取权阵权阵 P=0,其原因有:一是希望tf, x(tf)=0,即要求稳态误稳态误 差为为零,因而在性能指标标中不必加入 体现终现终 端指标标的终值项终值项 ;二是工程上仅仅参考系统统在有限 时间时间 内的响应应,因而tf时时的终终端指标标将失去工程意义义 。Beihang University性能指标为 :式中,Q,R均为为常数对对称正定阵阵,u无约约束。由于P=0, 所以K(tf)=K()=P=0。从t= 开始逆时间积时间积 分黎卡提矩阵阵 微分方程,当K(t)的解存在且唯一时时,经过经过 一段时间时间 , K(t)将达到稳态值稳态值 ,因此可认为认为 在t=0开始很长长一段时间时间 内,K(t)是黎卡提微分方程的稳态稳态 解,即有 在稳态时稳态时 , ,从而可将黎卡提矩阵阵微分方程化为为 黎卡提代数方程,解出的K阵为阵为 常值值矩阵阵。和二次型性能指标为Beihang University可控的或至少是可稳的线性定常系统的状态方程为式中,u不受限制,Q和R为为常数对对称正定阵阵,则则使J为为极 小的最优优控制存在,且唯一,并可表示为为 式中,K为为正定常数矩阵阵,满
3、满足下列的黎卡提矩阵阵代数方 程在最优控制下,最优轨线是下面线性定常齐次微分方程的 解,即 所对应的性能指标的最小值为Beihang University对于以上结论,作如下几点说明:1.适用于线线性定常系统统,且要求系统统可控或至少可稳稳; 而在有限时间时间 状态调节态调节 器中则则不强调这调这 一点。因为为在 无限时间调节时间调节 器中,控制区间扩间扩 大为为无穷穷,为为了保证证 积积分值值有限,x(t)和u(t)要收敛敛到零,也就是受控系统统的 状态变态变 量必须须是渐进稳渐进稳 定的。如果系统统可控,则则通过过状态态反馈馈可任意配置闭环闭环 系统统极点,使系统渐进稳统渐进稳 定。可控的条件可减弱为为可稳稳,即只要不稳稳定的极点所 对应对应 的模态态可控,通过过反馈馈将它变为稳变为稳 定即可。对对有限时间调节时间调节 器来讲讲,因为为积积分上限tf为为有限 值值,即使系统统不可控,状态变态变 量不稳稳定,积积分指标标仍 可为为有限值值,故仍旧有最优优解。Beihang University对于以上结论,作如下几点说明:2.闭环闭环 系统统是渐进稳渐进稳 定的,即系统统矩阵阵 的特
4、征值值均具有负实负实 部,而不论论原系统统A的特征值值如何 。证证明:设设李雅普诺诺夫函数为为因K正定,故V(x)是正定的。与黎卡提代数方程 比较较得由于Q,R均为为正定矩阵阵,故 负负定,结论结论 得证证。Beihang University对于以上结论,作如下几点说明:1.适用于线性定常系统,且要求系统可控或至少可稳;而在有限时间故当tf时时,性能指标标的最优值优值 将趋趋于无穷穷大,即 这这与性能指标标的最优值优值 为为有限值值相矛盾,所以上述系统统是渐进稳渐进稳 定的。闭环最优调节系统是渐进稳定的。 证明:利用反证法来证明。假设系统上述不是渐进稳定的,则 必 具有非负实部的特征根。于是,当tf时,状态变量 X(t)不会趋于零,即 。Beihang UniversityBeihang University对于以上结论,作如下几点说明:3.Q为为正定这这个条件是保证证最优优反馈馈系统稳统稳 定而提出的 。性能指标标J取有限值值,还还不能保证证系统稳统稳 定。例如, 只要不稳稳定的状态变态变 量在性能指标标中不出现现,那么Q为为 半正定时时就可能出现这现这 种情况,所以Q必须须正定。
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