SISO动态矩阵控制的鲁棒稳定性条件
鲁棒性和稳定性的区别
鲁棒性和稳定性的区别
鲁棒性和稳定性都是反应控制系统抗干扰能力的参数。
那么关于鲁棒性和稳定性的区别有哪些，我们先来看看两者的定义。
定义上
所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持其它某些性能的特性。
所谓“稳定性”，是指控制系统在使它偏离平衡状态的扰动作用消失后，返回原来平衡状态的能力。
受到的扰动
稳定性是指系统受到瞬时扰动，扰动消失后系统回到原来状态的能力，而鲁棒性是指系统受到持续扰动能保持原来状态的能力。
稳定的概念
稳定性分为一致稳定和渐进稳定，就是说可以慢慢的稳定也可以螺旋形绕着稳定点稳定；
鲁棒性，是指你可以设定一个鲁棒界（可以2范数也可以是无穷范数），只要系统在这个界内就是稳定的；
性能要求
两者其实是包含关系。
鲁棒性能包括：信号跟踪、干扰抑制、响应性和最优性等动态性能，其中稳定性仅仅是其前提条件。
通常控制系统在不稳定前其性能已经显著下降，因此鲁棒控制的最终目的是使系统满足所要求的鲁棒性能。
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控制系统中的稳定性与鲁棒性
控制系统中的稳定性与鲁棒性稳定性和鲁棒性是控制系统设计中两个重要的概念。
稳定性指的是系统在外部扰动下的响应是否趋于有限，而鲁棒性则是系统对于参数变化、模型不确定性等因素的稳定性能力。
本文将分别探讨控制系统中的稳定性和鲁棒性，并阐述其在实际应用中的重要性。
一、稳定性稳定性是控制系统设计的基本要求之一。
对于一个稳定的系统，无论外部条件如何变化，系统的输出都将趋于有限。
如果一个系统是不稳定的，那么其响应将可能无界增加或无界减少，这将导致系统无法预测和控制，严重影响控制效果和安全性。
在控制系统中，稳定性主要可以分为渐进稳定性和绝对稳定性两种情况。
渐进稳定性指的是当系统受到外界扰动后，系统的输出逐渐趋于稳定的情况。
绝对稳定性则要求系统不仅渐近稳定，而且不会出现任何周期性或非周期性振荡。
稳定性的判定方法有多种，其中最为常用且有效的方法之一是利用系统的传递函数或状态方程进行分析。
可以通过判断系统的根位置、极点分布以及系统的频率响应等指标来评估系统的稳定性。
二、鲁棒性鲁棒性是控制系统设计中另一个重要的考虑因素。
它可以看作是系统的稳定性在不确定性、干扰等因素影响下的表现能力。
在实际应用中，很难对系统的参数、模型等因素有完全准确的描述，因此鲁棒性的设计目标是使系统对于这些不确定性具有一定的容忍度。
鲁棒性的设计关注系统的稳定性、性能和安全性。
一个鲁棒的控制系统能够在面对模型误差、参数变化、干扰扰动等情况下仍能保持稳定并达到预期的控制效果。
通过合理的设计控制器、滤波器、观测器等，可以提高系统的鲁棒性。
在实际应用中，鲁棒性考虑的问题往往较为复杂。
一个鲁棒的控制系统需要满足多个约束条件，同时兼顾稳定性和性能等指标。
通过使用鲁棒控制方法、自适应控制方法以及优化算法等，可以提高控制系统对于不确定性的稳定性能力。
三、稳定性与鲁棒性的重要性控制系统的稳定性和鲁棒性对于实际应用至关重要。
稳定性保证了系统的安全性和可控性，而鲁棒性则保证了系统的稳定性能力在面对不确定性时的有效性。
4-SISO系统鲁棒性分析-part1-灵敏度2017
被控对象 P(s)
S
T P
=1
被控对象 P(s)
SPT
=1 1+ PC
被控对象 P= (s) SPT
= 1 , G 1+ GH
PC
反馈环节 H= (s) SHT
= −GH , G 1+ GH
PC
3.1 SISO反馈系统的灵敏度
控制与仿真中心
灵敏度计算实例 R(s)
—
例：天线的灵敏度函数。
C(s) H (s)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ问题1
本节重点
如何求取SISO系统 灵敏度函数？
问题2
问题3
系统灵敏度的定义？
系统灵敏度的含义？
3.1 SISO反馈系统的灵敏度
控制与仿真中心
3.1.1 灵敏度定义 问题：
由于被控对象的变化而引起 的系统输出的变化有多大？
3.1 SISO反馈系统的灵敏度
控制与仿真中心
闭环系统的输出变化
闭环系统：
1 系统灵敏度 22 反馈系统的内部稳定性
3 鲁棒稳定性判据 4 鲁棒性能
控制与仿真中心
内容回顾
系统中的存在不确定性
R(s)
—
C(s)
( P0 , ∆P )
D(s) + Y (s)
频域模型的不确定性表示方法： 加性不确定性 乘性不确定性
被控对象模型的不确定性对系统输出带来多大变化？
控制与仿真中心
Y (s)
H (s)
当GH很大时，灵敏度约为-1，则H(s) 的变化将直接 影响输出响应。因此，保持反馈部分不因环境的改变而 改变，或者说保持反馈增益为常数，是非常重要的。
3.1 SISO反馈系统的灵敏度
稳定性与鲁棒性
综合信息系统的稳定性与鲁棒性研究一、立论依据稳定性与鲁棒性问题是控制系统中的普遍性问题。
稳定性理论是研究动态系统中的过程（包括平衡位置）相对于干扰是否具有自我保持能力的理论。
一个实际系统与人们所建立的数学模型之间总存在着偏差，根据数学模型设计的控制器作用于实际系统中往往使系统达不到期望的性能指标。
因此我们需要设计控制系统使得某些重要特性在摄动情况下保持不变。
在系统参数具有小摄动时保持系统特性不变性的设计问题在控制理论发展初始阶段已经被考虑过，当时自然只限于系统灵敏度分析之上，后来人们认识到实际系统与纯化了的理想系统之间的差异并不能总视为充分小，这既反映在由于系统与环境的日益复杂而使系统含有较大的不确定性上，也反映在对某些对象来说，它的工作状态并不唯一等因素上，例如，飞机在不同高度以不同速度作巡航飞行时，无论是其空气动力学特性还是发动机的工作状态均不相同，此时，同一架飞机由于飞行状态的变化就有几个标定系统。
从上世纪七十年代末开始，在处理系统的非微摄动的问题上，有了一些理论与方法，特别由于控制界的推动，形成了起于上世纪八十年代至今不衰的鲁棒分析与鲁棒控制的研究热。
鲁棒性是指系统中存在不确定因素时系统能保持正常工作性能的一种属性。
不确定性通常包括结构性不确定性和非结构性不确定性，前者通常是由实际物理系统的物理参数的测量误差、运行环境的变化或系统辨识不精确而引起的，就线性定常系统而言，它表现为系统传递函数中的多项式系数或相关参数的摄动；后者通常是由未建模动态而引起的，常用对标称系统传递函数扰动的范数来表示。
从分析的观点来研究系统在一定摄动下是否仍能保持原有的性能，称为系统的鲁棒分析问题；而从设计的观点来研究如何设计控制器来控制具有一定摄动的受控对象，使系统在这种摄动下仍能保持所希望的性能，称为系统的鲁棒综合。
前苏联科学家Kharitonov首先讨论了具有参数不确定性多项式族的鲁棒稳定性问题，自从Barmish将Kharitonov定理引入控制界以来，这方面的研究也得到了控制理论界的极大重视，相继出现了许多重要的成果，如棱边定理、边界定理、以及稳定的凸方向研究等。
稳定性与鲁棒性lecture3——鲁棒控制基础
u G(s)
y
N1 ( s ) G ( s) , D1 ( s )
N 2 ( s) H ( s) D2 ( s )
闭环传函
F ( s) G( s) H ( s) 1 G( s) H ( s)
通过F(s)的极点分布，判断系统的稳定性。 也就是研究1+G(s)H(s)=0 的根，即 D1(s)D2(s)+N1(s) N2(s)=0 的根的情况
W(s) K(s) P(s)
w1
Ws(s) _ r
u
+
控制目标：尽量减少跟踪误差，即
由w1到e的传函
1 Ws ( s ) I [ P( s) ( s)W ( s)]K ( s)
1
确保鲁棒稳定性： W (s) P(s) K (s)S (s) 1 其中 S ( s)
1 I P( s) K ( s )
P( s)
1
(3) 反馈不确定性
ΔP(s) _ + P0(s) W(s)
P( s)
P ( s) 0 , 1 P( s )W ( s ) P ( s ) 0
ΔP(s) _
P( s )
1
W(s)
P0(s)
+
P ( s) 0 P( s ) , 1 P( s )W ( s )
所以标称模型只能是实际物理系统的不 在外界干扰或系统模型发生变化时系统性能的保 持能力； 鲁棒控制：按照鲁棒性要求设计的控制方案叫做鲁棒控制; 鲁棒系统设计的目标：就是要在模型不精确和存在其他变 化因素的条件下，使系统仍能保持预期性能。 如果模型的变化和模型的不精确不影响系统的稳定性和其 它动态性能，这样的系统我们称它为鲁棒控制系统。 鲁棒控制理论：鲁棒性分析问题和鲁棒性综合问题
控制系统中的鲁棒控制方法与稳定性分析原理研究
控制系统中的鲁棒控制方法与稳定性分析原理研究鲁棒控制方法和稳定性分析原理是控制系统中重要的研究内容。
鲁棒控制是一种能够保证系统稳定性和性能的控制方法。
稳定性分析原理是对控制系统稳定性进行分析和评估的理论基础。
本文将针对控制系统中的鲁棒控制方法和稳定性分析原理展开研究。
一、鲁棒控制方法鲁棒控制是一种能够在控制系统参数变化和外界扰动的情况下，保持系统稳定性和性能的控制方法。
它通过设计控制器来满足系统鲁棒性的要求。
常见的鲁棒控制方法包括H∞控制、μ合成控制和静态输出反馈控制等。
1. H∞控制H∞控制是一种鲁棒控制方法，其目标是使系统对参数变化和扰动具有最大的容忍度。
通过最小化系统的灵敏度函数，设计出具有鲁棒性能的控制器。
H∞控制方法广泛应用于工业控制系统中，并取得了很好的效果。
2. μ合成控制μ合成控制是一种基于频率域分析的鲁棒控制方法。
通过设计控制器的增益和相位裕度，保证系统对参数变化和扰动的鲁棒性能。
μ合成控制方法不仅考虑系统的稳定性，还兼顾系统的性能指标，具有较高的实用性和鲁棒性能。
3. 静态输出反馈控制静态输出反馈控制是一种简化的鲁棒控制方法。
它通过直接测量系统输出信号，计算控制器的增益矩阵，并实现系统的稳定性和性能控制。
静态输出反馈控制方法具有简单易行、结构简单的特点，在一些实际应用中得到了广泛应用。
二、稳定性分析原理稳定性分析原理是对控制系统稳定性进行分析和评估的理论基础。
通过对系统的状态空间方程、传递函数以及特征根进行分析，可以判断系统的稳定性。
常见的稳定性分析原理包括根轨迹法、Nyquist准则和李雅普诺夫稳定性判据等。
1. 根轨迹法根轨迹法是一种基于特征根分析的稳定性分析方法。
通过绘制系统传递函数的根轨迹，可以对系统的稳定性进行分析。
当根轨迹位于单位圆内部时，系统为稳定系统；当根轨迹经过单位圆时，系统为边界稳定系统；当根轨迹位于单位圆外部时，系统为不稳定系统。
2. Nyquist准则Nyquist准则是一种基于频率响应分析的稳定性分析方法。
鲁棒稳定性鲁棒控制
体现了开环特性的相对偏差 GK GK 到闭环频率特性 GB GB 的增益，因此，如果我们在设计控制器K时， 能够使S的增益足够小，即
S ( j ) , 为充分小正数
那么闭环特性的偏差将会抑制在工程允许的范围内。 传递函数S(s)称为系统的灵敏度函数。实际上S(s)还等 于干扰w到输出的闭环传递函数，因此减小S(s)的增益 就等价于减小干扰对控制误差的影响。引入定义
1 G0 ( s) , M 0 s 0 Ms ( s ) ( M 0 s 0 ) [(M 0 M ) s ( 0 )]
可以找到适当的界函数W ( j ),有 ( j ) W ( j )
鲁棒控制理论是分析和处理具有不确定性系统的 控制理论，包括两大类问题：鲁棒性分析及鲁棒性综 合问题。鲁棒性分析是根据给定的标称系统和不确定 性集合，找出保证系统鲁棒性所需的条件；而鲁棒性 综合（鲁棒控制器设计问题）就是根据给定的标称模 型和不确定性集合，基于鲁棒性分析得到的结果来设 计一个控制器，使得闭环系统满足期望的性能要求。 主要的鲁棒控制理论有： Kharitonov区间理论； H控制理论； 结构奇异值理论(理论)； 等。
S ( s) sup [ S ( j )]
R
* ( A ) { ( A A)} , ( ) 其中 表示最大奇异值，即 max 1 2
A*为A的共轭转置阵， max为最大特征值。
H控制问题即为对于给定的 > 0，设计控制器K 使得闭环系统稳定且满足
S ( s)
G ( s) 1 , a [ a , a ] 2 s as 1
可以代表带阻尼的弹簧装置，RLC电路等。这种不确 定性通常不会改变系统的结构和阶次。 动态不确定性 也称未建模动态 ( s) ，我们通常并不知道它的结构、 阶次，但可以通过频响实验测出其幅值界限：
控制系统的鲁棒性分析与设计
控制系统的鲁棒性分析与设计控制系统是现代工程中的重要组成部分，其设计和应用对于提高工程的稳定性和性能至关重要。
然而，在实际应用中，控制系统常常面临来自外界环境、传感器误差、模型不准确等各种不确定性因素的干扰，这些干扰会严重影响控制系统的性能。
因此，控制系统的鲁棒性分析与设计成为了解决这些问题的关键。
一、什么是鲁棒性分析与设计鲁棒性分析与设计是指通过对控制系统的鲁棒性进行分析，找出系统的脆弱性和鲁棒性不足的原因，并通过设计措施来提高系统的鲁棒性。
鲁棒性是指系统对于参数变动、外部扰动和建模误差等不确定性因素的稳定性和性能表现。
二、鲁棒性分析的方法1. 传统方法传统的鲁棒性分析方法主要基于频域和时域的数学分析技术，如极点分析、干扰灵敏度函数分析等。
这些方法适用于线性系统，并且需要系统的数学模型。
2. 基于仿真的方法基于仿真的鲁棒性分析方法不需要系统的数学模型，而是通过对系统进行数值仿真，模拟系统在不确定性变动下的性能表现。
常用的方法有蒙特卡洛仿真法、参数扰动法等。
3. 基于优化的方法基于优化的鲁棒性分析方法通过对系统的控制器参数进行优化，使得系统在不确定性条件下具有较好的性能表现。
常用的方法有H∞优化、μ合成等。
三、鲁棒性设计的原则1. 鲁棒稳定性原则鲁棒性设计的首要目标是保证系统的稳定性，即使在不确定性因素发生变化的情况下，系统也能保持稳定的性能。
2. 鲁棒性增益裕度原则鲁棒性设计的另一个重要原则是增加系统的增益裕度，即在系统的参数变动和外部扰动发生时，系统仍然能够保持稳定。
3. 鲁棒性性能原则除了稳定性，鲁棒性设计还需要考虑系统的性能表现。
鲁棒性性能原则要求系统在不确定性条件下具有良好的跟踪能力、鲁棒抑制能力等。
四、鲁棒性设计的方法1. 系统建模鲁棒性设计需要基于系统的数学模型进行分析和设计。
因此，首先需要对控制系统进行准确的数学建模，包括传递函数模型、状态空间模型等。
2. 鲁棒性分析通过对系统的鲁棒性进行分析，找出系统的脆弱性和不足之处，确定需要改进的方面。