StateFeedbackGains

StateFeedbackGains[sspec,{p1,,pn}]

閉ループ系の極を piに置くような状態指定 sspec の状態フィードバックゲインを与える.

StateFeedbackGains[,"prop"]

特性"prop"の値を与える.

詳細とオプション

  • StateFeedbackGainsは極配置ゲインあるいは固有値の配置としても知られている.
  • StateFeedbackGainsは,調整コントローラまたは追跡コントローラを計算するために使われる.
  • StateFeedbackGainsは閉ループ系の極を位置 piに変更することで動作する.
  • 調整コントローラは系を押し出そうとする外乱 にもかかわらず,系を平衡状態に保とうとする.典型的な例として,倒立振子を直立位置に保つことや航空機の水平飛行を保つこと等がある.
  • 調整コントローラは の形式の制御法則で与えられる.ただし, は計算されたゲイン行列である.
  • 置くべき極の数 n は系 sysSystemsModelOrderで与えられる.
  • 追跡コントローラは干渉する外乱 があっても参照信号を追跡しようとする.典型的な例として,車のクルーズコントロールやロボットの経路追跡がある.
  • 追跡コントローラは の形の制御法則によって与えられる.ただし,は系 sysのダイナミクスを含む拡張された系の計算されたゲイン行列である.
  • 置くべき極の数 n で与えられる.ただし,sysSystemsModelOrderで,yrefの次数で, は信号 yrefの数で与えられる.
  • 極の配置設計はStateSpaceModelで指定されるような線形系に使うことができる.
  • 連続時間系
    離散時間系
  • 結果の閉ループ系 csys のパフォーマンスは主に極 piの位置によって決まる.
  • 通常,整定時間等のパフォーマンスの制約とオーバーシュート等の品質の制約がある.これらは望ましい極位置である特定の領域に対応する.
  • 系の指定 sspecsysufytyrefの指定である.
  • 系の指定 sspec は以下の形でよい.
  • StateSpaceModel[]線形制御入力と線形状態
    AffineStateSpaceModel[]線形制御入力と非線形状態
    NonlinearStateSpaceModel[]非線形制御入力と非線形状態
    SystemModel[]一般的な系のモデル
    <||>Associationとして与えられる詳細な系の指定
  • 系の指定の詳細は次のキーを持つことができる.
  • "InputModel"sysモデルの任意のもの
    "FeedbackInputs"Allフィードバック入力 uf
    "TrackedOutputs"None追跡された出力 yt
    "TrackedSignal"Automaticyrefのダイナミクス
  • 追跡された信号のダイナミクスは参照信号と時間変数の関数として与えられ,デフォルトで,一定しているとみなされる.
  • Function[{r, t},r'[t]]連続時間系
    Function[{r,k},r[k+1]-r[k]]離散時間系
  • フィードバック入力と追跡された出力は次の形でよい.
  • {num1,,numn}StateSpaceModelAffineStateSpaceModelNonlinearStateSpaceModelで使われる番号付きの入力 numi
    {name1,,namen}SystemModelで使われる名前付きの入力 namei
    Allすべての入力を使う
  • AffineStateSpaceModelNonlinearStateSpaceModelSystemModelのような非線形系については, 系は保存された動作点の周りで線形化される.
  • StateFeedbackGains[,"Data"]は,cd["prop"]の形で追加的な特性の抽出に使えるSystemsModelControllerDataオブジェクト cd を返す.
  • StateFeedbackGains[,"prop"]を使って cd["prop"]の値を直接得ることができる.
  • 次は,特性"prop"の可能な値である.
  • "ClosedLoopPoles"線形化された"ClosedLoopSystem"の極
    "ClosedLoopSystem"csys
    {"ClosedLoopSystem", cspec}閉ループ系の形に対する詳細な制御
    "ControllerModel"モデル cm
    "Design"コントローラ設計のタイプ
    "DesignModel"設計に使われるモデル
    "FeedbackGains"ゲイン行列 κ またはそれに相当するもの
    "FeedbackGainsModel"モデル gm あるいは{gm1,gm2}
    "FeedbackInputs"フィードバックに使われる sys の入力 uf
    "InputModel"入力モデル sys
    "InputCount"sys の入力 u の数
    "OpenLoopPoles""DesignModel"の極
    "OutputCount"システムの出力 y の数
    "SamplingPeriod"sys のサンプリング周期
    "StateCount"sys の状態 x の数
    "TrackedOutputs"追跡された sys の出力 yt
  • 次は,cspec の可能なキーである.
  • "InputModel"csys の入力モデル
    "Merge"csys をマージするかどうか
    "ModelName"csys の名前
  • 次は,調整器のレイアウトの図である.
  • 次は,追跡器のレイアウトの図である.
  • StateFeedbackGainsは以下の設定のMethodオプションを取る.
  • Automaticメソッドの自動選択
    "Ackermann"Ackermann法
    "KNVD"KautskyNicholsVan Dooren法

例題

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  (3)

フィードバック uf,外因性入力 ue での系の指定 sspec に対するフィードバックゲイン:

極の集合:

フィードバックゲイン:

非線形系のフィードバックゲイン:

非零の作用点のためにゲインにはオフセットがある:

近似線形系のゲインにはオフセットはない:

不安定な系を安定させる:

開ループと閉ループの極を比較する:

スコープ  (32)

基本的な用法  (8)

閉ループの極を p に置く状態フィードバックゲインを計算する:

閉ループ系は極 p を持つ:

不安定な系を安定させるゲインを計算する:

閉ループ系は極を持つ:

不安定な極と安定化された極が系の応答の中に見られる:

複数の状態がある系の状態フィードバックゲインを計算する:

結果の次元は入力数と系の次数に対応する:

2入力3状態の系のゲインを計算する:

極を共役極の位置に置く:

極が複素共役ではないなら,ゲインは複素数である:

極を複数入力の系の共役極の位置に置く:

極が複素共役ではないなら,コントロールは複素数で入力の一つしか使わない:

最初の入力はフィードバックには使われない:

複数入力の系のフィードバック入力を選ぶ:

最初の入力を選ぶ:

2番目の入力:

両方の入力:

非線形系のゲインを計算する:

コントローラはベクトルとして返され,動作点を考慮する:

近似線形系のコントローラ:

工場モデル  (6)

連続時間StateSpaceModel

離散時間StateSpaceModel

ディスクリプタStateSpaceModel

作用点がないAffineStateSpaceModel0であるとみなされる:

作用点がないNonlinearStateSpaceModel0であるとみなされる:

SystemModel

特性  (10)

StateFeedbackGainsはデフォルトでフィードバックゲインを返す:

一般に,フィードバックの状態はアフィンである:

κ0+κ1.x の形である.ただし,κ0κ1は定数である:

フィードバックゲインの系のモデル:

アフィンフィードバックゲインの系のモデル:

閉ループ系:

線形化された閉ループ系の極:

これらは指定された極でなければならない:

フィードバックゲインの計算に使われるモデル:

順に入力モデルと設計モデルのフィードバックゲイン:

設計モデル:

入力モデルに関連する特性:

コントローラデータオブジェクトを得る:

使用可能な特性のリスト:

特定の特性の値:

追跡  (5)

追跡コントローラを設計する:

閉ループ系は参照信号を追跡する:

離散時間系の追跡コントローラを設計する:

閉ループ系は参照信号を追跡する:

複数の出力を追跡する:

閉ループ系は異なる2つの参照信号を追跡する:

コントローラの力点を計算する:

コントローラモデル:

コントローラ入力:

コントローラの力点:

希望する参照信号を追跡する:

参照信号の位相は2である:

および正弦波:

一次系の出力を追跡するコントローラを設計する:

極指定の数は k+m q である:

コントローラを計算する:

閉ループ系は参照を追跡する:

閉ループ系  (3)

非線形工場モデルの閉ループ系を組み立てる:

線形モデルによる閉ループ系:

2つの系の応答を比較する:

1つの外乱と1つのフィードバック入力を使って工場のマージされた閉ループ系を組み立てる:

マージされていない閉ループ系:

マージされると,前と同じ結果を与えるようになる:

マージされた閉ループ系を明示的に指定する:

希望する名前の閉ループ系を作る:

この閉ループ系は指定された名前である:

この名前を直接使って他の関数の閉ループ系のモデルが指定できる:

応答シミュレーションプロット:

オプション  (6)

Method  (6)

デフォルトで,厳密値または記号値を持つ系には"Ackermann"メソッドが使われる:

厳密ではない系には,デフォルトで,"KNVD"メソッドが使われる:

少なくとも状態と同じだけの入力がある非厳密系にはLinearSolveが使われる:

多重入力系には"KNVD"メソッドが使われる:

"Ackermann"メソッドでは多重入力系に対して1つの入力しか使われない:

2番目の入力は使われない:

選択された入力は,最小の可制御性行列条件数を持つ:

"KNVD"閉ループ極はフィードバックゲインの摂動に対して"Ackermann"ほど敏感ではない:

ゲイン行列にランダムに摂動を加える:

結果の閉ループ極:

指定された極からの最大誤差は"KNVD"メソッドの方が小さい:

アプリケーション  (14)

力学系  (4)

セグウェイPTの平衡コントローラを設計する:

セグウェイPTの非線形モデル:

コントローラがないと,セグウェイの位置と向きのバランスが取れない:

極配置でセグウェイのバランスを取るコントローラを設計する:

閉ループ極を確認する:

開ループ系は不安定である:

閉ループ系を得る:

非零の初期位置からバランスが取れている:

微調整への応答もバランスが取れている:

その制御努力を評価する:

柔軟な接合部を備えたシングルリンクロボットマニピュレータの調整器を設計する:

系のモデル:

アームの角度位置は制御されていない:

状態フィードバックコントローラを設計する:

閉ループ系を得る:

フィードバックコントローラがアームの角度位置を制御する:

コントローラモデルを得る:

制御努力:

ボールとビームの系について離散時間安定化コントローラを設計する:

系の線形連続時間モデル:

サンプリング周期 でモデルを離散化する:

ビームが摂動するとボールの位置は不安定になる:

安定化コントローラを計算する:

閉ループ系を得る:

ボールの位置は安定した:

制御努力:

2つの質量ダンパの摂動を抑える:

系のモデル:

サンプリング周期を とし,0次ホールド法を使ってこれを離散化する:

質量 および は雪道の際に振動する:

単位円内の極の集合の状態フィードバックゲインを計算する:

減衰の少ない極の集合についてゲインを設計する:

各極集合について閉ループ系を得る:

摂動に対する応答を比較する:

フィーとバックゲインを得る:

制御努力を比較する:

電気機械系  (1)

角度ゲージの振動を減衰させる:

系のモデル:

ゲージの位置が乱れると大きな振動が発生する:

電流 i をフィードバック入力として設定する:

振動を減衰するための状態フィードバックコントローラを設計する:

閉ループ極を確認する:

閉ループ系を得る:

振動は減衰された:

正弦波トルク外乱もまたコントローラによってブロックされた:

コントローラモデルを得る:

その制御努力:

航空宇宙系  (2)

縦軸に関する航空機の応答の処理を改善する:

系のモデル:

初期摂動後にピッチ角が安定するまでにおよそ1500秒かかる:

応答を改善するためのコントローラを設計する:

閉ループ系を得る:

閉ループ系の応答は約10秒で安定するようになった:

コントローラモデルを得る:

コントローラ努力:

軌道を回る衛星の軌道を修正するための出力フィードバックコントローラを設計する:

系のモデル:

摂動があると軌道は安定しない:

フィードバックゲインの集合を計算する:

推定器ゲインの集合を計算する:

推定器調整器を組み立てる:

閉ループ系を得る:

閉ループ系の応答を計算する:

コントローラモデルを得る:

制御努力をプロットする:

電気系  (3)

回路の周波数応答を調整する:

回路のディスクリプタモデル:

そのステップ応答は激しく振動している:

振動応答は減衰不足の極によるものである:

極が減衰不足ではない状態フィードバックコントローラを設計する:

閉ループ系を得る:

振動は減衰された:

開ループ系と閉ループ系の周波数応答を比較する:

制御努力:

アクティブなバンドパスフィルタを調整する:

フィルタの状態空間実現:

その極:

フィルタの特徴を改善するためのコントローラの集合を設計する:

極が減衰されるにつれて摂動は小さくなる:

DCモーターの速度コントローラを設計する:

モーターの速度を追跡された出力として設定する:

極配置コントローラを計算する:

推定器を計算する:

モーターの速度を追跡する推定器調整器を組み立てる:

閉ループ系:

基準速度rpmに対する応答:

コントローラ努力:

それはボルトである:

化学系  (2)

混合タンク内の流量の応答を改善する:

流量 q2の外乱に対する応答は遅い:

応答を加速する状態フィードバックコントローラを設計する:

閉ループ系:

閉ループ系の応答の方が速い:

フィードバックゲインを得る:

制御努力:

リサイクルを遅らせた2段式化学反応器の応答を改善する:

反応器のモデル:

反応器の摂動に対する反応は遅れる:

遅れを除去しモデルの最小実現を得る:

調整器ゲインの集合を計算する:

推定器ゲインの集合:

計算したゲインを使って推定器調整器を組み立てる:

もとの系のスミス補償器を組み立てる:

フィードバック経路にあるスミス補償器を持つモデルの閉ループ系を得る:

初期摂動に対する閉ループ応答が改善された:

デッドビート制御  (1)

離散時間系のデッドビート制御問題を解く:

原点にすべての極がある閉ループ系:

開ループ系の次数はである:

したがって,閉ループ系の出力は3ステップ内で0である:

そのプロット:

海洋系  (1)

希望のヨー角が追跡できる船舶のコントローラを設計する:

船のモデル:

希望の位置に極がある追跡コントローラを設計する:

閉ループ系:

さまざまな参照ヨー角に対する応答:

コントローラモデルを入手する:

コントローラ入力:

参照値が大きくなると制御努力も大きくなる:

特性と関係  (17)

状態フィードバックゲインは負のフィードバックについて計算される:

負のフィードバック-κ.xの閉ループ極:

これらは指定の極と同じである:

閉ループ系は状態フィードバックを使って得られる:

これを特性として直接得る:

制御努力は閉ループ極が開ループ極から離れるにつれて大きくなる:

非線形系では,ゲインはアフィンで の形である:

アフィンゲイン:

線形化された系のゲインは線形での形である:

アフィンゲインはを解くことで得ることができる:

制御可能な標準StateSpaceModelの極はすべて状態フィードバックを使って制御できる:

新たな安定した極の集合:

コントローラのゲイン:

閉ループ極は指定された極である:

制御可能な非特異ディスクリプタStateSpaceModelの極もすべて制御できる:

新たな安定極の集合:

コントローラのゲイン:

閉ループ極は指定された極である:

制御不可能な標準StateSpaceModelの部分系のみが制御可能である:

固有値は制御できるがは制御できない:

制御可能な固有値のみをに移す:

制御不可能な固有値を動かすことはできない:

非特異ディスクリプタの遅い部分系の制御可能な極だけが制御できる:

遅い部分系の次元:

新たな安定した極:

速い部分系に対応するゲインはである:

遅い部分系の極は希望の位置に移動され,速い部分系に対応するにおける極は変化しない:

系全体は制御できず,その次数は状態数未満である:

非特異ディスクリプタの制御可能な遅い部分系の極はどれも制御できない:

遅い部分系の次元:

新たな安定した極:

極はどれも変化していない:

LQRegulatorGainsStateFeedbackGainsは単一入力の系に対して同じ結果を返す:

LQRegulatorGains設計の閉ループ曲があるStateFeedbackGains

LQRegulatorGainsは同じゲインを与える:

ρ c.c x(t)2+u(t)2t を最小化する閉ループ極は対称根軌跡プロットを使って得ることができる:

対称根軌跡プロット:

パラメータ値 についての閉ループ極:

極を指定の位置に置くフィードバックゲイン:

LQRegulatorGainsを使っても同じゲインが得られる:

StateSpaceModelについては,StateFeedbackGainsFullInformationOutputRegulatorは同じ結果を与える:

推定器調整器は状態フィードバック行列と推定器ゲイン行列を使って組み立てられる:

計算されたゲイン推定器調整器:

単一入力系の閉ループ系におけるゲインに相当する状態フィードバックゲイン:

値が κ のゲインについての閉ループ系:

系の制御可能な正規の状態空間実現:

この実現について,状態フィードバックゲインは{{κ,0,,0}}の形である:

値が κ のゲインについての閉ループ極:

系の制御可能な正規の状態空間実現:

この実現について,状態フィードバックゲインは{{κ,0,,0}}の形である:

状態フィードバックと推定器ゲインは互いに互いのデュアルである:

極の集合についての系の状態フィードバックゲイン:

極の共役集合についてのデュアルシステムの推定器ゲイン:

状態フィードバックゲイン行列は推定器ゲイン行列の共役転置であり,逆もまた真である:

状態フィードバックは系の入力ブロッキング特性を変えはしない:

系の零点:

極の特定の集合の閉ループ系:

開ループ系も閉ループ系も入力Sin[2t]をブロックする:

状態フィードバックが極と零点を同じにするなら,閉ループ系は観測不能になる:

極と零点が等しい閉ループ系:

極と零点が等しいと閉ループ系は観測不能になる:

考えられる問題  (5)

制御不可能な系のゲインは計算できない:

制御不可能なディスクリプタ系:

遅い部分系の次元:

極はどれも変わらない:

不安定な系のゲインは計算できない:

KNVDメソッドは状態よりも入力の方が少ない厳密な系は処理できない:

数値的に評価する:

Ackermannメソッドを使うこともできる:

KNVDメソッドはコンピュータシステムによって異なるゲイン集合を返すかもしれない:

閉ループ固有値は同じである:

Wolfram Research (2010), StateFeedbackGains, Wolfram言語関数, https://reference.wolfram.com/language/ref/StateFeedbackGains.html (2021年に更新).

テキスト

Wolfram Research (2010), StateFeedbackGains, Wolfram言語関数, https://reference.wolfram.com/language/ref/StateFeedbackGains.html (2021年に更新).

CMS

Wolfram Language. 2010. "StateFeedbackGains." Wolfram Language & System Documentation Center. Wolfram Research. Last Modified 2021. https://reference.wolfram.com/language/ref/StateFeedbackGains.html.

APA

Wolfram Language. (2010). StateFeedbackGains. Wolfram Language & System Documentation Center. Retrieved from https://reference.wolfram.com/language/ref/StateFeedbackGains.html

BibTeX

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BibLaTeX

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