基于MATLAB自动控制系统时域频域分析与仿真

PAGEIV基于MATLAB的自动控制系统时域频域分析与仿真摘要自动控制系统就是在无人直接操作或干预的条件下，通过控制装置使控制对象自动的按照给定的规律运行，使被控量按照给定的规律去变化的系统。在现代工业生产中，自动控制系统已经遍布每一个角落，对于线性时不变控制系统，可以通过时域、频域分析法来分析系统的性能，但是对于多输入多输出的控制系统，时域、频域分析已经无能为力，鉴于这样的控制系统，可以通过线性系统的状态空间分析法来分析。本文针对自动控制系统的设计很大程度上还依赖于实际系统的反复实验，结合具体的实例,介绍了利用先进的MATLAB软件对自动控制系统进行时域、频域分析与仿真和线性系统状态空间分析的方法，通过快速直观的仿真和分析达到自动控制系统的优化。关键词:MATLAB自动控制系统时域频域状态空间

ABSTRACTAutomaticcontrolsystemmakesobjectoperateaccordingtoacertainlawautomaticallytoletthecontrolledquantitychangebygivenlawontheconditionthatnobodyoperateandcontroldirectly.Automaticcontrolsystemexistseverycorneroftheworldinthemodernindustrializedproduction,whichcananalyzetheperformanceofthesystembytimedomainandfrequencydomainforthelineartime-invariantcontrolsystems.However,tothesystemwithmultipleinputsandmultipleoutputs,thewaytoanalyzethroughtimedomainandfrequencydomaincannotdoanything.Duetothecontrolsystem,itcananalyzethroughlinearsystemstatespace.Duetothispointthatthedesignofautomaticcontrolsystemlargelydependsonrepeatedpracticeandmodification,combinedwiththeconcreteexample,thispaperintroducesthewaystoanalyzeandsimulatethetimedomainandfrequencydomainandlinearsystemstatespaceofautomaticcontrolsystembyadvancedMATLAB,itcanreachtheoptimalofautomaticcontrolsystembydirectandfast.Keywords:MATLABAutomaticcontrolsystemTimedomainFrequency目录一绪论 11.1题目背景、研究意义 11.2国内外研究现状 11.3研究内容 1二自动控制系统基础 22.1自动控制系统的概述 22.2开环、闭环控制系统 22.3控制系统的性能要求 3三MATLAB基础介绍 43.1MATLAB简介 43.2Simulink简介 43.3Simulink仿真过程 43.4Simulink仿真实例 5四自动控制系统的时域分析 74.1时域分析简介 74.2动态过程与动态性能 5751256\h74.3稳态过程与稳态性能 74.4控制系统的稳定性 84.5时域分析法的MATLAB实现 84.5.1控制系统的动态性能分析 84.5.2控制系统的稳态性能分析 104.5.3控制系统的稳定性分析 11五自动控制系统的频域分析 135.1频域分析法简介 135.2有关频率分析法的几个概念 13HYPERLINK\l"_Toc325751275"5.3频率特性的性能指标 135.4频域分析法的MATLAB实现 145.4.1Bode图的绘制 145.4.2Bode图分析控制系统的稳定性 15六线性系统的状态空间分析 186.1状态空间模型 186.2状态反馈 186.3控制系统的可控性和可观性 196.3.1控制系统的可控性 196.3.2控制系统的可观性 206.4极点配置 216.4.1极点配置简介 216.4.2单输入单输出系统的极点配置 21七总结 24参考文献 25合肥师范学院2012届本科生毕业论文(设计)PAGE25合肥师范学院2012届本科生毕业论文(设计)PAGE1一绪论1.1题目背景、研究意义自动控制技术在航空航天、机器人控制、导弹制造及等高新技术领域中的应用越来越深入广泛，自动控制理论和技术必将进一步发挥更加重要的作用。由于有些系统不可能直接进行实验，只能对其进行仿真，MATLAB语言的出现为控制系统的仿真和分析带来全新的手段，MATLAB仿真已经成为控制系统分析和设计的重要应用手段，利用MATLAB软件中的仿真工具箱来实现自动控制系统时域和频域分析、状态空间分析，能够直观、快速地分析达到系统的正确评价。1.2国内外研究现状自动控制理论是随着人类的发展而发展的，并随着生产力的提高和科技的进步而不断完善的。1868年，麦克斯韦开辟了用数学途径研究控制系统的方法，奠定了时域分析法的基础。1932年，美国物理学家建立了稳定性判断准则，奠定了频率分析法的基础。随后伯德进一步加以发展，形成了经典控制理论中的频域分析法。到20世纪60年代，以状态方程为系统的数学模型，最优控制为核心的控制方法确定，现代控制理论由此而产生，控制理论目前还在向更深的领域发展，在控制科学研究中注入了蓬勃的生命力[1]。MATLAB是一种面向科学和工程计算的高级软件，它提供了丰富的函数和矩阵处理功能，使用极其方便，因而很快引起控制理论领域研究人员的重视。MATLAB中的Simulink使复杂系统的仿真成为可能，MATLAB把一般目的的应用和高深的专业应用完美的结合在一起，成为国际性的计算软件。1.3研究内容1、熟悉自动控制系统理论和MATLAB软件。2、了解MATLAB软件的编程思路与方法，并熟悉Simulink建模和仿真过程。3、完成使用MATLAB软件对自动控制系统进行时域、频域分析与仿真和线性系统状态空间分析的方法，编写相关程序。4、对仿真结果进行分析，评价控制系统的性能。二自动控制系统基础2.1自动控制系统的概述在现代社会生产过程中，为了提高产品的质量，需要对生产设备和生产过程进行自动控制，使被控的量按照期望的规律去变化。这些被控制的设备称为控制对象，被控制的量称为被控量或输出量。生产设备或生产过程中，一般只考虑对输出量影响最大的物理量，这些量称为输入量。输入量可以分为两种类型,一种保证对象的行为达到所要求的目标，这类输入量称为控制量。另一种是妨碍对象的行为达到目标，这一类输入量称为扰动量。自动控制系统是在无人直接参与的情况下，可使生产过程按照期望的运行规律去运行的控制系统。系统是完成要求和任务的部分的组合[2]。2.2开环、闭环控制系统如果控制系统的输出量对系统运行过程或结果没有控制作用，这种系统称为开环控制系统。图2-1表示了开环控制系统输入量与输出量之间的关系。输入量输入量输出量扰动量控制器控制对象图2-1开环控制系统示意图这里，输入量直接作用于控制对象，不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，所以只有输入量影响输出量。当出现扰动时，若没有人的干预，输出量将不能按照输入量所希望的状态工作。闭环控制系统是把输出量检测出来，再反馈到输入端与输入量进行相减或者相加，利用比较后的偏差信号，经过控制器对控制对象进行控制的系统。图2-2表示了闭环控制系统输入量、输出量和反馈量之间的关系。扰动量扰动量——反馈量输出量输入量偏差控制器控制对象检测装置图2-2闭环控制系统示意图这种系统把输出量经检查后，变成输入量相同的物理量反馈到输入端形成闭环，参与系统的控制，所以称为闭环控制系统。由于系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，所以也称为反馈系统或偏差控制系统。2.3控制系统的性能要求在控制过程中，当扰动量发生变化时，通过反馈控制的作用，经过短暂的过渡过程，被控量又恢复到原来的稳定值，或按照新的给定量稳定下来，这时系统从原来的平衡状态过渡到新的平衡状态，我们把被控量处于变化的状态称为动态或暂态，而把被控量在相对稳定的状态称为静态或稳态。对控制系统性能有三个方面的要求[3]。1、稳定性稳定性定义为系统受到外扰或内扰作用以后，恢复原来状态或形成新的平衡状态的能力。稳定是系统正常工作的首要条件。2、快速性自动控制系统不仅要满足动态性能的要求，还应能满足暂态性能的要求。为了满足生产过程中的要求，往往要求系统暂态过程不但是稳定的，而且进行得越快越好，振荡程度越小越好。3、准确性稳态误差是指系统达到稳定时，输出量的实际值和期望值之间的误差。这一性能反映了稳定时系统的控制精度，稳态误差越小，系统性能越好。给定稳态误差是在参考输入信号的作用下，当系统达到稳定后，其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差。三MATLAB基础介绍3.1MATLAB简介MATLAB程序设计语言是MathWorks公司于20世纪80年代推出的高性能的数值矩阵计算软件。其功能强大，适用范围广泛，提供了丰富的库函数，编程简单、易懂、效率高。MATLAB无论作为科学研究与工程运算的工具，还是作为控制系统方阵的教学工具，都是必不可少的。目前，MATLAB已经成为国际学术界公认的最流行的科学计算软件。MATLAB主要由以下三个部分组成，下面分别加以介绍[4]。1、MATLAB图形处理系统这是MATLAB图形系统的基础，它包括生成二维数据和三维数据可视化、图像处理、动画及演示图形和创建完整的图形用户接口的命令。2、MATLAB数学函数库MATLAB提供了非常丰富的数学计算函数，可以进行简单和复杂的数学计算，比如矩阵求逆、级数求和、贝塞尔函数和快速傅里叶变换等。3、MATLAB应用程序接口MATLAB用户能够在MATLAB环境中使用其它程序，也可以从MATLAB中调用其它程序。3.2Simulink简介MATLAB除了在工具箱中提供一些具有特殊功能的函数命令供用户使用外，还为用户提供一个建模与仿真的工作平台Simulink。Simulink采用模块组合的方法来创建系统的计算机模型，在这个环境中，用户无需大量的书写程序，而只需通过简单的鼠标操作，选取所需要的库模块，就可以构造出复杂的仿真系统。其主要特点是快速、准确。对于复杂的非线性系统，效果更为明显。3.3Simulink仿真过程在Simulink模块库中选取所需的模块，按照要求把所选模块连接好，就可以进行仿真实验，其仿真过程分为两个阶段。1、初始化阶段(1)对模型的参数进行有效的评估，得到它们实际的计算值。(2)展开模型中的各个层次。(3)按照更新的层次对模型进行排序。2、模型执行阶段(1)按照次序依次计算每个模块的积分。(2)根据输入来决定状态的微分，得到微分矢量，以计算下一个采样点的状态矢量。3.4Simulink仿真实例在社会中，控制系统的结构是复杂，如果不借用控制系统建模与仿真软件，则很难把一个控制系统的复杂模型输入给计算机[5]。下面结合具体的实例，介绍Simulink中控制系统建模和仿真的一般方法。【例3-1】用Simulink建立一个如图3-1所示的典型PID控制系统的模型，并进行仿真。方框图中第一个方框为PID控制器的积分和微分环节，这些环节可以用比例加积分和比例加微分的方式来实现。yy(t)R(t)_+K++Ks图3-1典型PID控制系统的方框图仿真步骤：1、启动Simulink，弹出Simulink窗口，打开一个新的编辑窗口。2、在Simulink窗口中单击Simulink中的Sources，把Step(阶跃输入)模块添加到编辑窗口内建立一个阶跃输入模型。3、在MathOperations模块库中选出Grain(比例)模块、Sum（加减）模块和Add（加法）模块，并添加到编辑窗口中。4、在Continuous模块库中选出Integrator(积分)模块、Derivative(微分)模块和TransferFcn（传递函数）模型，并添加到编辑窗口中。5、在Sinks模块库中选出Out1（输出）模块，并添加到编辑窗口中。6、按照要求设置所选模块的参数，最后将整个模型连接起来，如图3-2所示，也就是仿真所需的模型。图3-2PID控制系统模型的Simulink实现仿真的结果如下图：图3-3PID控制系统仿真结果由图3-3可知：上升时间s；延时时间s；峰值时间s，此值较大，说明系统对输入信号的反映能力弱；调整时间s，此值较大，系统的响应慢，说明输出信号复现输入信号的能力弱；超调量%=13.5%，此值小，说明系统的平稳性好。四自动控制系统的时域分析4.1时域分析简介时域分析法是根据微分方程，利用拉氏变换直接求出系统的时间响应，然后按照响应曲线来分析系统的性能，是一种直接在时域中对系统进行分析的方法，具有直观和准确的优点。控制系统时域分析法最常用的方法有两种：一是当输入为单位阶跃信号时，求出系统的响应；二是当输入为单位冲激信号时，求出系统的响应[6]。4.2动态过程与动态性能动态过程又称为过渡过程或瞬态过程，是指系统在典型输入信号作用下，其输出量从初始状态到最终状态的响应过程。通常，在单位阶跃信号作用下，稳定系统的动态过程随时间t变化的指标称为动态性能指标。控制系统的动态性能指标一般有以下几个：1、上升时间系统响应从零首次上升到稳态值h(∞)所需的时间定义为上升时间。2、延时时间从输入信号开始施加时起，系统输出时间响应第一次达到稳态值50%所需要的时间定义为延时时间。3、峰值时间系统响应超过其终值达到第一个峰值所需要的时间定义为峰值时间。它反映了系统对输入信号反应的快速性，值越小，系统对输入信号反映越快。4、调整时间响应达到并保持在终值±2%或±5%误差内所需要的最短时间定义为调节时间。在默认情况下MATLAB计算动态性能时，取误差范围为±2%。它反应了动态过程进行得快慢，是系统快速性指标，值越小，系统的快速性就越好。5、超调量%响应的最大偏差量h(t)与终值h(∞)的差与终值h(∞)之比的百分数，定义为超调量，即:(4-1)它反应了动态过程的平稳性，值越小，平稳性越好。 4.3稳态过程与稳态性能稳态过程又称为稳态响应，指系统在典型输入信号作用下，当时间t趋于无穷大时，系统输出量的表现方式。它表现系统输出量最终复现输入量的程度，提供系统有关稳态误差的信息[7]。稳态误差是控制系统控制准确度的一种量度，也称为稳态性能，若时间趋于无穷大时系统的输出量不等于输入量或输入量的确定函数，则系统存在稳态误差。对于图4-2所示的控制系统，输入信号至误差信号之间的误差传递函数为(4-2)CC(s)E(s)B(s)R(s)则系统的误差信号为(4-3)当的极点均位于左半平面时，应用拉普拉斯变换的终值定理可求出系统的稳态误差为(4-4)4.4控制系统的稳定性稳定性是控制系统的重要性能，也是系统能正常运行的首要条件。系统原处于某一平衡状态，若它受到瞬间的某一扰动作用而偏离原来的平衡状态，当扰动撤消后，系统仍能回到原有的平衡状态，则称该系统是稳定的。反之，系统为不稳定的。线性系统的稳定性只取决于系统本身，与外界无关。若系统是连续时间控制系统，其闭环传递函数的极点均严格位于s左半平面，则此系统是稳定系统。若系统是离散时间控制系统，其闭环特征根位于z平面上的单位圆周内部，即其闭环特征根的模小于1。4.5时域分析法的MATLAB实现4.5.1控制系统的动态性能分析MATLAB提供了线性定常系统的各种时间响应函数和各种动态性能分析函数，部分函数如下表所示[8]。本文主要介绍step()函数和impulse()函数。表4-1部分时域响应分析函数函数名称功能step计算并绘制线性定常系统阶跃响应impulse计算并绘制连续时间系统冲激响应initial计算并绘制连续系统零输入响应lism仿真线性定常连续模型对任意输入的响应dstep计算并绘制离散时间系统阶跃响应1、step()函数功能：求线性定常系统的单位阶跃响应。其调用格式如下：step(sys)%绘制系统sys的单位阶跃响应曲线【例4-1】已知典型系统的传递函数为,求系统的单位阶跃响应。MATLAB编程:sys=tf(12,[1,1.2,12]);step(sys);xlabel('t');ylabel('y');title('单位阶跃响应');gridon;图4-1系统的单位阶跃响应图形由图可知：上升时间s；延时时间s；峰值时间=0.9s，此值较小，说明系统对输入信号反应快；调节时间=6.4s，此值较大，系统的快速性差，输出信号复现输入信号的能力弱；超调量%=58%，此值较大，说明系统的平稳性较差。2、impulse()函数功能：求线性定常系统的单位冲激响应。其调用格式若下：impulse(sys)%绘制系统的单位冲激响应曲线【例4-2】已知典型系统的传递函数为,求系统的冲激响应。MATLAB编程:sys=tf(4,[114]);impulse(sys);xlabel('t');ylabel('y');title('单位冲激响应');gridon;图4-2系统的冲激响应图形4.5.2控制系统的稳态性能分析控制系统静态误差系数即稳态误差系数，是表明系统的典型外作用下稳态精度的指标。常用的有3种误差系数[9]。1、静态位置误差系数。(4-5)2、静态速度误差系数。(4-6)3、静态加速度误差系数。(4-7)在式(4-5)到(4-7)中，是闭环系统的开环传递函数。、和分别标明系统在给定阶跃输入下、在给定斜坡输入下与在给定等加速度输入下的稳态或静态精度。【4-3】负反馈系统的闭环传递函数为，试求此系统的稳态位置、速度与加速度误差系数、与。MATLAB编程：symssphibGbKpKvKa;phib=4/(5*s^2+10*s+15);[Gb]=solve('4/(5*s^2+10*s+15)=Gb/(1+Gb)',Gb);Kp=limit(Gb,s,0,'right')Kv=limit(s*Gb,s,0,'right')Ka=limit(s^2*Gb,s,0,'right')运行程序，输出如下：Kp=4/11Kv=0Ka=0此系统的各个误稳态差都较小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。4.5.3控制系统的稳定性分析应用MATLAB可以方便快捷的对控制系统进行时域分析。由于控制系统的闭环极点在s平面上的分布决定了控制系统的稳定性，所以要判断控制系统的稳定性，只需要确定控制系统闭环极点在s平面上的分布。在MATLAB中，可以使用函数pzmap()绘制系统的零极点图判断系统的稳定性。【例4-3】已知系统的传输函数为，判断该系统的稳定性。MATLAB编程:sys=tf([32546],[134272]);pzmap(sys);xlabel('实轴');ylabel('虚轴');title('系统的零极点图');gridon;图4-3系统零极点分布图由图4-3可知，该系统有极点位于s的右半平面，所以该系统不是稳定系统。五自动控制系统的频域分析5.1频域分析法简介频域分析法是自动控制领域中应用又一种数学工具频率特性来研究控制系统过程性能，即稳定性、快速性及稳定精度的方法。这种方法可以直观地表达出系统频率特性，而且分析方法简单，物理概念明确，可以从系统的频率特性上直接地看出物理实质。频域分析法里主要用到3种曲线：Bode图、Nyquist曲线图、Nichols曲线图。Bode图在频域分析法里占有重要的地位[10]。5.2有关频率分析法的几个概念1、频率响应当线性系统受到正弦信号作用时，系统稳定后输出的稳态分量仍然是同频率的正弦信号，这种过程叫做系统的频率响应。2、频率特性正弦信号的作用下，系统输出的稳态分量为同频率的正弦信号，其振幅与输入正弦信号振幅的比相对于正弦信号角频率间的关系叫做幅频特性，其相位与输入正弦信号的相位之差相对于正弦信号角频率间的关系叫做相频特性。系统频率响应与输入正弦信号的复数比叫做系统的频率特性。记作：(5-1)系统的频率特性与系统的传递函数之间有着简单而直接的关系：(5-2)3、Bode图Bode图即对数频率特性曲线。Bode图有两条曲线，分别是对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线。横坐标都是角频率，是按常用对数（以10为底的对数）刻度的，即，其单位是弧度每秒。对数相频特性的纵坐标是，等分刻度，其单位为度或弧度；而对数幅频特性的纵坐标是=20lg,也是等分刻度，其单位为分贝。4、幅相特性系统的频率特性里既有振幅信息又有相位信息，所以又叫做系统的幅相特性。幅相特性图形化的形式，即是幅相特性曲线。5.3频率特性的性能指标采用频域方法进行线性控制系统设计时，时域内采用的诸如超调量，调整时间等描述系统性能的指标不能使用，需要在频域内定义频域性能指标[11]，主要有以下几个:1、峰值它是幅频特性的最大值，一般来说，峰值的大小表明闭环控制系统相对稳定性的好坏，峰值越大，表明系统对某个频率的正弦信号反映强烈。2、带宽它是幅频特性的数值衰减到0.707时对应的角频率。带宽用于衡量控制系统的快速性，带宽越宽，表明系统复现快速变化信号的能力越强，阶跃响应的上升时间和调整时间就越短。3、相频宽它是相频特性等于时对应的角频率。相频宽也用于衡量系统的快速性。相频宽高，表明输入信号的频率越高，即系统反应快速，快速性好。4、剪切频率：系统开环对数幅频特性曲线20lg|G|与横坐标轴交点的角频率，常用来表示。5、穿越频率：系统开环对数相频特性曲线与线交点所对应的角频率，常用来表示。6、稳定欲度(1)相角稳定欲度系统开环幅相特性曲线上模值等于1的向量与负实轴的夹角，常用表示，即：=(5-3) (2)幅值稳定裕度系统开环幅相特性曲线与负实轴交点模值的倒数，常用来表示，即：(5-4) 5.4频域分析法的MATLAB实现5.4.1Bode图的绘制MATLAB提供的频域分析函数如表5-1所示。本文主要介绍函数bode(),其基本调用格式为:bode(sys)bode(sys,w)[mag,phase,w]=bode(sys)表5-1频域分析函数函数名功能bode绘制Bode图nichols绘制Nichols图nyquist绘制Nyquist图margin计算系统的增益和相位裕度sigma绘制系统奇异值Bode图Bode()函数用来计算并绘制系统的Bode图，当函数命令为等式左边输出变量的格式时，函数在当前窗口中直接绘制出系统的Bode图。线性时不变系统对象sys可以是由函数tf()、zpk()、ss()中的任何一个函数建立的系统模型[12]。w用来定义绘制Bode图时的频率范围或者频率点。第三条语句只计算系统Bode图的输出数据，而不绘制曲线。mag为系统Bode图的振幅值，phase为Bode图的相位值。【例5-1】已知系统的传递函数为,绘制系统的Bode图。MATLAB编程:num=[156];den=[13420];sys=tf(num,den);bode(sys);gridon;图5-1系统的bode图5.4.2Bode图分析控制系统的稳定性MATLAB提供了直接求解系统的幅值稳定裕度和相位稳定裕度的函数margin(),其调用格式为:[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(sys)[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(mag,phase,w)这些语句只计算系统Bode图的输出数据，而不绘制曲线。margin()函数可以从频率响应数据中计算出幅值稳定裕度、相位稳定裕度及其对应的角频率。有了控制系统的Bode图，就可以计算频域性能指标。当计算出的相角稳定裕度>0时，则系统闭环稳定，否则不稳定。【例5-2】已知系统开环传递函数为,试用Bode图判断闭环系统的稳定性，并绘制系统的单位阶跃响应曲线来验证。MATLAB编程:num=[8];den=[1.52.752.250.50];sys=tf(num,den);bode(sys);gridon;[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(sys)程序执行结果为：=0.0449；；=0.4264；=1.4557。模值稳定裕度=20lg0.0449dB；穿越频率=0.4264rad/s。相角稳定裕度。剪切频率=1.4557rad/s。这些性能指标中相角稳定裕度为负值，数据说明系统闭环是不稳定的。图5-2开环系统的Bode图绘制系统的单位阶跃响应曲线来验证系统的稳定性。MATLAB编程num=[8];den=[1.52.752.250.50];s=tf(num,den);sys=feedback(s,1);t=0:0.01:10;step(sys,t);gridon;title('单位阶跃响应');ylabel('y');xlabel('t');运行程序，绘制出系统的单位阶跃响应曲线如图5-3所示。系统的单位阶跃响应曲线是发散的振荡，说明系统不稳定，验证了用Bode图判断系统不稳定的结论。图5-3系统的单位阶跃响应曲线六线性系统的状态空间分析6.1状态空间模型20世纪40年代计算机的出现及其应用领域的不断扩展，自动控制理论朝着更复杂的方向发展，因此现代控制理论应运而生，现代控制理论基本上是一种时域法，它引入了状态的概念。因此，建立在状态空间中的数学模型是一个基本问题，也是现代控制理论中分析和综合控制系统的前提和基础，其重要性就像经典控制理论中确定系统的传递函数一样。现代控制理论中的状态空间，简单的说就是将描述系统运动的高阶微分方程改写成一阶联立微分方程组的形式，或者将系统的运动直接用一阶微分方程组来表示，写成矩阵形式，这就得到了状态空间的模型[13]。连续系统的状态空间模型为(6-1)式中，为r的系统控制输入（r个）向量；为n的系统状态变量；为m的系统输出向量；A为的系统矩阵（状态矩阵），由控制对象的参数决定；B为n的控制矩阵（输入矩阵）；C为m的输出矩阵（观测矩阵）；D为m的输入输出矩阵（直接传递矩阵）。6.2状态反馈状态反馈是将系统的内部状态变量乘以一个反馈系数，然后反馈到系统输入端与系统的参考输入综合，综合而成的信号作为系统的输入对系统实施控制。控制系统结构如图6-1所示，原来系统的动态方程为(6-2)当加上状态反馈环节后，其中的线性状态反馈控制律为(6-3)式中，R是参考输入；K称为状态反馈增益矩阵，为矩阵。系统动态方程变为(6-4) 式中，。 当D=0时，状态反馈系统闭环传递函数为(6-5) 式中，为闭环系统的系统矩阵。 YY++XdX/dt+++URBCKAD图6-1状态反馈结构图从式(6-2)和(6-4)可以看出，状态反馈前后的系统矩阵分别为和,特征方程分别为和,可以看出状态反馈后的系统特征根不仅与系统本身的结构参数有关，还与状态反馈K有关。6.3控制系统的可控性和可观性在状态空间分析中，系统的可控性和可观性是非常重要的概念，是现代控制理论中两个基本的概念。可控性是指系统的状态能否被控制；可观性是指系统状态的变化能否由输出检测反映出来，系统的可控性和可观性从状态的控制能力和状态的识别能力两个方面反映系统的内在特性，对系统的设计是至关重要的[14]。6.3.1控制系统的可控性线性系统，在时刻的任意初始值，对于，（为系统的时间定义域），可找到控制，其在上的状态是完全可控的。系统的完全可控性只取决于状态方程中的(A,B)矩阵，因此对于完全可控的系统，经常称之为(A,B)完全可控[14]。可以构造一个相似变换矩阵。(6-6)式中，n为系统的阶次,矩阵称为系统的可控性变换矩阵。矩阵可以由控制系统工具箱中提供的ctrb()函数自动生成出来，其调用格式为：Tc=ctrb(A,B),式中，为矩阵的秩，即rank()，称为系统的可控性指数，它的值是系统中可控状态的数目。如果rank()=n，则系统完全可控。【例6-1】考虑系统的状态方程模型:x+u，=x，分析系统的可控性。MATLAB编程:A=[0100;00-10;0001;0050];B=[0;1;0;-2];C=[1000];D=0;Tc=ctrb(A,B);rank(Tc)运行程序，输出如下：ans=4，可见，因为矩阵的秩为4，等于系统的阶次，所以系统是完全可控系统。6.3.2控制系统的可观性线性系统，在时刻存在，（为系统的时间定义域），如果根据的观测值，在区间内能够唯一地确定系统在时刻的任意初始状态，则称系统在上的状态是可观测的。系统的可观性只取决于状态方程的(A,C)矩阵，因此对于完全可观的系统，经常称之为系统(A,C)完全可观。按照下面的规则构造一个变换矩阵。(6-7)式中，n为系统的阶次；矩阵称为可观测变换矩阵。矩阵可以由控制工具箱中提供的obsv()函数直接求出，其调用格式为T=obsv(A,C),式中为矩阵的秩，即rank()，称为系统的可观性指数，它实际上是系统中可观测状态的数目。如果rank()=n，则系统完全可观测。【例6-2】设系统的状态空间方程为：，判断系统的可观性。MATLAB编程:A=[-3,1;1,-3];B=[1,1;1,1];C=[1,1;1,-1];D=[0];T=obsv(A,C);rank(T)运行程序，输出如下：ans=2，可见，因为矩阵的秩为2，等于系统的阶次，所以系统是完全可观系统。6.4极点配置6.4.1极点配置简介所谓极点配置问题，就是通过反馈矩阵的选择，使闭环系统的极点，恰好处于所希望的一组极点位置上，由于希望的极点具有一定的任意性，因此极点的配置也具有一定的任意性[15]。极点配置方法如下所述：如果系统是完全状态可控的，那么可选择期望设置的极点，然后以这些极点作为闭环极点来设计系统，利用状态观测器反馈全部或部分状态变量，使所有的闭环极点落在各期望位置上，以满足系统的性能要求。这种设置期望闭环极点的方法就称为极点配置法。设给定的线性定常系统为(6-8)式中，x为n维状态向量；u为p维状态向量；A和B为相应维数的常数矩阵。 若给定n个反馈性能的期望闭环极点为(6-9)则极点配置的设计问题就是确定一个p状态反馈增益矩阵K，使状态反馈闭环系统(6-10)的极点为，即 (6-11)式中，()表示()的特征值。6.4.2单输入单输出系统的极点配置对于单输入单输出的n阶系统，其反馈增益矩阵K是一行向量，仅包含n个元素，可由n个极点唯一确定。单输入单输出系统极点配置方法步骤如下：1、确定受控系统完全可控，如果系统不是完全可控，则不能进行极点配置，并确定系统开环特征多项式det(sI)。det(6-12)2、由希望的闭环极点计算闭环期望的特征多项式。det(6-13) 3、计算[](6-14)4、计算变换矩阵P及其逆P，P=(Abb)(6-15)5、将所求出的状态反馈增益转换成实际实施的K，K=。MATLAB提供了进行极点配置