news 2026/10/6 10:48:03

17、状态反馈控制:原理、应用与实现

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张小明

前端开发工程师

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17、状态反馈控制:原理、应用与实现

状态反馈控制:原理、应用与实现

1. 离散时间模型的可观测性问题

在控制系统中,离散时间模型的可观测性是一个重要概念。当仅依据速度信息时,由于可观测性矩阵的秩为 1,无法确定包含位移和速度的系统状态。这是因为在不知道初始位移的情况下,无法通过积分速度来得到位移。
同样,若直接测量加速度,离散测量方程会发生变化。此时,可观测性矩阵的秩为 0,这表明仅依靠加速度信息,在不知道初始位移和速度的情况下,无法确定系统状态。

2. 连续时间状态反馈

在线性系统里,最简单的状态反馈控制是控制输入为状态向量的线性函数。若系统动力学由连续时间格式的状态空间模型描述:
[
\frac{dx}{dt} = A_cx(t) + B_cu(t)
]
则线性状态反馈控制器的形式为:
[
u(t) = F_cx(t)
]
其中,$F_c$ 被称作控制器增益。对于单输入系统,$F_c$ 是行向量;对于多输入系统,$F_c$ 是矩阵。

为使系统稳定,需要设计合适的控制器增益矩阵 $F_c$。将控制律代入系统方程可得闭环系统方程:
[
\frac{dx}{dt} = (A_c + B_cF_c)x(t)
]
记 $\overline{A}_c = A_c + B_cF_c$ 为连续时间闭环系统矩阵。闭环系统的稳定性取决于 $\overline{A}_c$ 的特征值。若 $\overline{A}_c$ 的所有特征值实部均为负,则闭环响应在稳态时会收敛到零,即系统能被控制器稳定。

当系统状态变为零时,其输出也会变为零。通过测量方程:
[

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