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    图3.9修改控制参数后的闭环阶跃响应
    通过对球杆系统频率响应的控制方法的研究,确立了球杆系统的数学模型,并熟悉了MATLAB相关频率响应控制的语言命令,对球杆系统的控制思想有了明确的认识,接下来本课题将用二次最优控制来设计一个控制器,使小球稳定在平衡点位置。4 二次最优控制理论基础
    4.1 最优控制简介
    最优控制理论是现代控制理论的重要组成部分,其形成与发展奠定了整个现代控制理论的基础。早在20世纪50年代初,就开始了对最短时间控制问题的研究;随后由于空间技术的发展,越来越多的学者和工程技术人员投身于这一领域的研究和开发,逐步形成了一套较为完整的最优控制理论体系。
    最优控制理论研究的主要问题是:根据已建立的被控对象的时域数学模型或频域数学模型,选择一个容许的控制律,使得被控对象按预定要求运行,并使给定的某一性能指标达到最优值。
    近年来,由于计算机的飞速发展和完善,逐步形成了最优控制理论中的数值计算法。当性能指标比较复杂,或不能用变量显函数表示时,可以采用直接搜索法,经过若干次迭代,搜索到最优点。同时,由于可以把计算机作为控制系统的一个组成部分,以实现在线控制,从而使最优控制理论的工程实现成为现实。因此最优控制理论提出的求解方法,既是一种数学方法又是一种计算机方法。
    时至今日,最优控制理论的研究,无论在深度和广度上,都有了很大的发展,并日益与其他控制理论相互渗透,形成了更为实用的学科分支。如鲁棒最优控制、随机最优控制、分布参数系统的最优控制及大系统的次优控制等。可以说,最优控制仍是正在发展中的、极具活跃的学科领域之一。
    4.2 线性二次型问题
    如果研究的系统为线性,所取的性能指标为状态变量与控制变量的二次型函数,则这种动态系统的最优化问题,称为线性二次型问题。由于线性二次型问题的最优解具有统一的解析表达式,且可导致一个简单的状态线性反馈控制律,便于计算和实现闭环反馈控制,因此引起了控制工程界的极大关注,成为最优控制理论及应用中最成熟的部分。
    线性二次型最优控制除易于实现、具有工程性外,还具有如下鲜明的特点:线性最优控制的结果可以应用于工作在小信号条件下的非线性系统,其计算和实现比非线性控制方法容易;线性最优控制器设计方法可以作为求解非线性最优控制问题的基础;线性最优控制除具有二次型性能指标意义上的最优性外,还具有良好的频率响应特性,可以实现极点的最优配置,并可抗慢变输入扰动,从而沟通了现代控制理论与经典控制理论之间的联系。
    线性二次型的最优控制的基本内容可以分为:最优状态调节、最优输出调节和最优跟踪。可以证明,最优输出调节问题和最优跟踪问题都可以化为最优状态调节问题。
    研究线性二次型问题,一方面是因为这类问题在工程实际中经常遇到;另一方面是因为在数学处理上比较简单,可以得到用解析形式表达的线性反馈控制规律,便于工程实现。
    设线性时变系统的动态方程为
    x ̇(t)=A(t)x(t)+B(t)u(t),x(t_0 )=x_0
    y(t)=C(t)x(t)x(t)                                    (4.1)
    式中x(t)为n文状态向量,u(t)为m文控制向量,y(t)为l文输出向量;A(t)、B(t)、C(t)为文数适当的时变矩阵,其各元分段连续且有界,在特殊情况下可以是常阵A、B、C。假定0<l≤m≤n,且u(t)不受约束。
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