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控制理论笔记

经典控制理论

动态系统建模

通过配置系统输入u(t),使u(s)G(s)的极点使系统满足一定特性

一阶系统特性

G(s)=as+aG(s) = \frac{a}{s+a} 1a\frac{1}{a}是时间常数τ\tau,对应上升为0.63 4τ4\tau对应阶跃响应0.98

二阶系统特性

mx¨+Bx˙+kx=Fm\ddot x+B\dot x+kx=F x¨+2ωnξx˙+ωn2x=Fm\ddot x+2\omega_n\xi \dot x+\omega_n^2x=\frac{F}{m}

阻尼比固有频率:ωn1ξ2\omega_n\sqrt{1-\xi^2}

单位化:u(t)=Fωn2u(t)=\frac{F}{\omega_n^2} H(s)=ωn2s2+2ξωns+ωn2H(s) = \frac{\omega_n^2}{s^2+2\xi\omega_ns+\omega_n^2}

零极点图: 极点全部在左,系统稳定 虚轴长度代表振荡周期 实轴长度代表衰减速度 cosθ\cos \theta代表阻尼比

SISO system稳定性判据

特征多项式系数判断传递函数稳定性

  1. Hurwitz霍尔维兹判据:构建霍尔维兹行列式,全部为正

D1=a1D1 = a_1

D2=(a1a3a0a2)D2 = \begin{pmatrix} a_1&a_3\\ a_0&a_2 \end{pmatrix}

D3=(a1a3a5a0a2a40a1a3)D3 = \begin{pmatrix} a_{1}& a_{3}& a_{5}\\ a_{0}& a_{2}& a_{4}\\ 0& a_{1}& a_{3} \end{pmatrix}

  1. Lienard-Chipard林纳德-齐帕特判据:系数都大于零,奇数或偶数阶次行列式
  2. Routh劳斯判据: 求esse_{ss}时顺序,1判断稳定性、2求E(s),3应用终值定理ess=lims0sE(s)e_{ss} = \lim \limits_{s\rightarrow0}sE(s)
  3. 频率稳定判据: H. Nyquist奈奎斯特判据,开环频率特性,判断闭环稳定性 F(s)=1+G(s)H(s)F(s) = 1 +G(s)H(s)的p,极点,是开环传函极点 z零点,闭环传递函数的极点封闭曲线内R=PZR=P-Z

频率特性

  1. 幅值相应:magnitude response MoMi=G(jω)\frac{M_o}{M_i} = \left | G(j\omega)\right |

  2. 幅角响应:Phase response ϕoϕi=G(jω)\phi_o-\phi_i = \angle G(j\omega)

  3. 带阻尼比的共振频率: ω=ωn12ζ2\omega = \omega_n \sqrt{1-2\zeta^2}\\ 此时的极值:12ζ1ζ2\frac{1}{2\zeta\sqrt{1-\zeta^2}}

  4. 幅值裕度h:相位为-π时,幅值距0dB的差值 相位裕度γ\gamma:幅值为1(0dB)时,相位距-π的差 根据幅相图,(0,0)出发为开环,(-1,0)出发为闭环

  5. 不同频段信息

系统矫正

串联矫正

  1. 超前矫正 Gc(s)=1+aTs1+Ts,a>1G_c(s)=\frac{1+aTs}{1+Ts},a>1

  2. 滞后矫正 Gc(s)=1+bTs1+Ts,b<1G_c(s)=\frac{1+bTs}{1+Ts},b<1

  3. 滞后超前矫正 两个合起来

  4. PID矫正器

  5. 复合矫正 前置矫正:指令->Gc(s)->误差,一般补偿分母s,开环前向增益1 干扰前置补偿:干扰测量->Gc(s)->误差,误差->干扰端传函Gs1Gs^{-1}

根轨迹

(开环->闭环稳定性):分析G(s)的N、P,看闭环系统稳定性 开环传递函数中开环增益K从0-无穷时,闭环特征根的移动轨迹 单位负反馈闭环传递函数 ϕ(s)=C(s)R(s)=G(s)1+G(s)\phi(s) = \frac{C(s)}{R(s)}=\frac{G(s)}{1+G(s)} G(s)是一个

截屏2020-04-12 下午3.14.24

非线性系统

叠加原理不适用 常规分类: 死区 饱和 间隙-滞环

系统收敛:消耗系统能量 系统发散:从外界获取能量

#相关词汇 Xss(t)X_{ss}(t):ss-steady state TsT_sDelay time TrT_rRise time MpM_pMax Overshoot TssT_{ss}Setting time调节时间 BIBO:输入稳定,输出稳定bounded input-bounded output Real:实轴 Im:虚轴 Proportional:比例 Integral:积分 Differential:微分 bounded input-bounded output:稳定性 \forallfor all :任意 \exists at least one :存在 \left \| \cdot \right \|norm:范数

工程数学基础

1. 特征值,特征向量,过渡矩阵\rightarrow矩阵对角化

特征值λ\lambdaλv=Av\lambda v=Av  λIA =0\ | \lambda I-A\ | = 0 特征值 解法:将λ\lambda代回(λIA)v=0( \lambda I - A)* v = 0 λ1λ2\lambda_1 、\lambda_2对应特征向量v1v2v_1 、v_2 过渡矩阵:特征向量组成的矩阵 P=(v1v2)P = \begin {pmatrix} v_1&v_2 \end {pmatrix} AP=A[v1v2]=[Av1Av2]=[λ1v1λ2v2]=[λ1v11λ2v21λ1v12λ2v22]=PΛAP=A[v_1 v_2] = [Av_1 Av_2]=[\lambda_1v_1 \lambda_2 v_2]= \begin{bmatrix} \lambda_1v_{11} & \lambda_2v_{21}\\ \lambda_1v_{12} & \lambda_2v_{22} \end{bmatrix} =P\Lambda 所以有,单位向量矩阵P将A特征值对角化矩阵 P1AP=ΛP^-1AP = \Lambda

2. 线性化 Linearization

非线性:1/x,x,xn1/x,\sqrt{x},x^n等

  1. 令导数项为0,求得平衡点x的值x=x0x=x_0
  2. xσ=x0+xdx_\sigma = x_0 + x_d代入f(xσ)=f(x0)+f(x0)(xσx0)f(x_\sigma)=f(x_0)+f'(x_0)(x_\sigma-x_0)
  3. x=xσx = x_\sigma代入微分方程 将σ\sigma的x用x_0和x_d替换,然后 得到了关于x_d的线性化微分方程 x˙=Ax+bu\dot x = A x + b u求A的雅可比矩阵 行是函数,列为对变量的偏导; 求平衡点,代入偏导雅可比矩阵; 展开得到线性化后的微分方程

3. 卷积与LTI冲激响应(LTI:linear time invariant system)

卷积:x(t)=f(t)h(t)=0tf(τ)h(tτ)dτx(t) = f(t)*h(t)=\int_0^t f(\tau)h(t-\tau)d\tau f(t)f(t)=输入 h(t)h(t)=单位冲激响应 L卷积L_{卷积}=L乘积

4. 欧拉公式Euler’s Formula

eiθ=cos(θ)+isin(θ)e^{i\theta}=\cos(\theta)+i\sin(\theta)

5. 复数Complex Number

sin(x)=Cx=π/2+2kπ+ln(C±C21)i\sin(x) = C\rightarrow x = \pi/2+2k\pi + \ln(C\pm\sqrt{C^2-1})i Z=a+biZ = a + b i Re(Z)=aRe(Z) =a Im(Z)=bIm(Z)=b Z=a2+b2\left | Z \right | = \sqrt{a^2+b^2} Z=Z(cosθ+isinθ)=ZeiθZ = \left | Z \right | \cdot (\cos\theta+i\sin\theta)= \left | Z \right | \cdot e^{i\theta} Z1Z2=Z1Z2eθ1+θ2Z_1 \cdot Z_2 = \left | Z_1 \right | \left | Z_2 \right | e^{\theta_1+\theta_2} Z+Zˉ=2aZ+\bar Z = 2a ZZˉ=2biZ- \bar Z = 2bi

6. 阈值选取

Normal Distribution正态分布、高斯分布 X=(μ,σ2)X = (\mu,\sigma^2) 漏检False Dismissal 误警False Alarm

Advanced控制理论

状态空间:State-Space,包含输入、输出、状态,写成一阶微分方程的形式 x˙=Ax+Bu\dot x = A x + B u y=Cx+Duy = Cx+Du

稳定性

两种类型

  1. Lyapunov稳定性:有界 t0,ϵ>0,δ(t0,ϵ):x(t0)<δ(t0,ϵ)tt0,x(t)<ϵ\forall t_0, \forall \epsilon >0, \exists \delta (t_0, \epsilon):\left \| x(t_0)\right \|<\delta(t_0,\epsilon)\Rightarrow \forall t \geqslant t_0, \left \| x(t) \right \| < \epsilon aofλi0a \, of\, \lambda_i \leqslant 0实部 判断方法:

  2. 渐进稳定性: δ(t0)>0:x(t0)<δ(t0)limtx(t)=0\exists \delta(t_0)>0: \left \|x(t_0)\right \|<\delta(t_0) \Rightarrow \lim \limits_{t \rightarrow \infty } \left \| x(t)\right \| = 0 aofλi<0a \, of\, \lambda_i < 0实部

判别方法

  1. 直接方法:解微分方程(Direct method) 求解λ的值,判断正负
  2. 第二方法:(2nd method) (i)V(0)=0(i)V(0) = 0 (ii)V(x)0,inD0(ii) V(x) \geqslant 0 , in\, D-{0} PSD:postive semi definit (iii)V˙(x)0,inD0(iii)\dot V(x) \leqslant 0 , in\, D-{0}NSD:negative semi definit x=0\Rightarrow x = 0

3. 不稳定

存在至少一个特征值实部大于零

相图分析-phase-portrait

plot(x,x˙\dot x),通过x初值,分析点在轨迹上的移动,判断稳不稳定 matlab绘制实例

% 画解微分方程组的相图
clear;cla;clc;
[x,y]=meshgrid(linspace(-5,5));
streamslice(x,y,0 * x + 2 * y,-3 * x + 0 * y );
xlabel('x');ylabel('y');

w400

特征值和相图的关系

齐次状态方程解x˙=Ax\dot x = A x

x˙=axx(t)=eatx(0)\dot x = a x\rightarrow x(t) = e^{at}x(0) 同理,多元线性方程 x˙=axx(t)=eAtx(0)\dot x = a x\rightarrow x(t) = e^{At}x(0) 其中,状态转移矩阵Φ(t)\Phi(t)解法

性质: Φ(0)=I\Phi(0) = I x(t)=Φ(tt0)x(t0)x(t) = \Phi(t-t_0)x(t_0) Φ1(t)=Φ(t)\Phi ^{-1}(t) = \Phi(-t)

非齐次状态方程x˙=Ax+Bu\dot x = A x + B u

x(t)=Φ(t)x(0)+0tΦ(tτ)Bu(τ)dτx(t) = \Phi (t)x(0)+ \int_0^t\Phi(t-\tau)Bu(\tau)d\tau 初始状态x(0)响应+输入项u(t)响应

线性系统可控性与可观测性

可控性:x(0),x(tf),tf<+,u[0,tf],st.x(0)x(tf)\forall x(0),x(t_f), \exists t_f < +\infty , u[0,t_f], st. x(0)\rightarrow x(t_f) 充要条件:

  1. S=[bAbA2...An1b]S = [b\, Ab\, A^2...\, A^{n-1}b] 理论可行,但是实际物理不一定 以离散系统为例证明:
x0=0x1=Ax0+Bu0=Bu0x2=Ax1+Bu1=ABu0+Bu1x3=Ax2+Bu2=A2Bu0+ABu1+Bu2x_ 0 = 0\\ x_1 = Ax_0 + Bu_0 = Bu_0\\ x_2 = Ax_1 + Bu_1 = ABu_0 + B u_1\\ x_3 = Ax_2 + Bu_2 = A^2Bu_0 + AB u_1 + B u_2\\

Matlab 求解,Co矩阵 “ctrb(A,B)”

  1. rank[S]=n,detS0rank[S] = n, det \, S \neq 0

可观性:t[t0,tf],已知y(t),u(t),可求x(t0)\forall t \in [t_0,t_f],已知y(t),u(t),可求x(t_0) rank[CCACA2...CAn1]=nrank \begin{bmatrix} C\\ CA\\ CA^2\\ ...\\ CA^{n-1} \end{bmatrix} =n

引理

f(λ)=i=0naiλif(\lambda) = \sum_{i=0}^{n}a_i\lambda ^i f(A)=0An=i=0n1aiAif(A) = 0 \rightarrow A^n = \sum_{i=0}^{n-1}a_iA^i

求解λIA\left | \lambda I - A\right |的特征多项式 将λ=A\lambda = A 代入,得到递推公式,解算AnA^n

状态反馈与状态观测器

u=vkxu=v-kx,其中,v为参考输入,系统闭环矩阵由A变为A-Bk

  1. 不改变可控性,有可能改变可观性
  2. 闭环特征值

状态观测器

平凡观测器

对于系统

x˙=Ax+Buy=Cx+Du\dot x = Ax+Bu\\ y = Cx + Du

观测器形式(模拟器):x^˙=Ax^+Bu\dot {\hat x }=A\hat x +Bu 定义e=xx^e=x-\hat x ,有e˙=x˙x^˙=A(xx^)=Ae\dot e = \dot x - \dot {\hat x }=A(x-\hat x)=Ae 结论:没有消除误差的能力,估计误差模型收敛性依赖于系统矩阵AA,若det(A)=0\det(A)=0,则观测器误差不能收敛。

完全Luenberger观测器

观测器分为,模拟器,修正器部分,通过输出y的信息来修正观测器的收敛性。

x˙=Ax+Buy=Cx+Du\dot x = Ax+Bu\\ y = Cx + Du x^˙=Ax^+Bu+L(yy^)\dot {\hat x} = A\hat x + Bu + L (y - \hat y) y^˙=Cx˙+Du\dot {\hat y} = C \dot x+ Du

(3)(3)代入(1)(1)

x^˙=(ALC)x^+(BLD)u+Ly\dot {\hat x} = (A-LC)\hat x + (B-LD)u + Ly

定义e=xx^e = x - \hat x,求解e˙\dot e,联立(1)(1)(4)(4)

e˙=Ax+Bu(ALC)x^(BLD)uLy\dot e = Ax+Bu-(A-LC)\hat x -(B-LD)u-Ly

(1)(1)代入(5)(5)

e˙=(ALC)e\dot e = (A-LC)e

测量噪声的影响

考虑测量噪声 y(t)=Cx(t)+r(t)y(t) = Cx(t) + r(t)

系统的观测误差动态为 e˙(t)=(ALC)e(t)Lr(t)\dot e (t) = (A-LC)e(t)-Lr(t) 结论:观测器特征值太大,增益矩阵LL过大,对测量误差r(t)有放大作用。

分离原理

分别对系统

合成的系统可以描述为X˙e=AeX+Beu\dot X_e = A_e X + B_e u 评估扩展动态系统的矩阵AeA_e等于观测器和控制率矩阵的矩阵特征值相乘 有det(λLAe)=det(λLA+BK)det(λLA+LC)\det(\lambda L - A_e) = \det(\lambda L - A+BK) \det(\lambda L-A+LC) 表明:带有控制率和观测器的系统,可以先独立设计,在最后合成

Kalman滤波器原理以及在matalb中的实现

状态转移矩阵: 这里要改一下,改成估计量 xt=Ftxt1+Btutx_t^- = F_t x_{t-1} + B_t u_t

状态转移矩阵:Pt=FPt1FT+QP_t^-=FP_{t-1}F^T+Q

协方差矩阵: [σ11σ12σ12σ22]\begin{bmatrix} \sigma_{11}&\sigma_{12}\\ \sigma_{12}&\sigma_{22}\\ \end{bmatrix}

w400

卡尔曼方程≠状态观测器 m180

以小车为例,讲卡尔曼滤波最优状态估计 在上图中,P是观测值x^\hat x的方差 R是观测器中,来自预估值的比例

概率函数相乘,多传感器信息融合

非线性控制理论

ARC

Barbalat’s 引理 lemma

  1. V0V\geq0
  2. V˙g(t)\dot{V} \leq -g(t), where g(t)0g(t)\geq 0
  3. g˙(t)L\dot{g}(t)\in L_{\infty}, if g˙(t)\dot{g}(t) is bounded the g(t)g(t) is uniformly continous. Then, limt>g(t)=0\lim_{t->\infty} g(t)=0 Consquently, limt>e=0(k0)\lim_{t->\infty} e = 0 (k\neq0)


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