控制建模matlab练习15：线性状态反馈控制器-④最优化控制LQR

此练习，主要是使用状态空间方程来设计控制器的方法和思路：
①系统建模；
②系统的能控性；
③极点配置；
④最优化控制LQR；
⑤轨迹追踪；
以下是，第④部分：最优化控制LQR；

一、LQR控制器的介绍

• 在设计反馈控制 K 的时候，如何选择闭环状态矩阵的特征值涉及最优控制，以基础的最优控制器-LQR控制器为例。
• LQR全称为Linear Quadratic Regulator ，就是线性二次型调节器。
• 同样，基于前面的系统建模和极点配置的内容：
  
  

二、LQR控制器的思路

• 由之前练习，当使用线性状态反馈控制时，令 u(t) = -Kz(t) ，可以得到闭环控制系统的状态空间方程 (A - BK)z(t) = A_clz(t) ；
• 此时，通过设计不同的 K 值可以改变闭环状态矩阵 A_cl 的特征值。
• 为了选择更好的选择特征值，引入代价函数。
  $$J={\int }_0^{\infty }z(t{)}^{T}Qz(t)+u(t{)}^{T}Ru(t)dt.$$
• 控制器设计的目的，选择合适的 K 值，从而得到代价函数 J 的最小值 J_min 。
• 一般情况， Q 、 R 会选择对角矩阵，且对角线上的元素都大于0。

三、LQR控制器的设计

• 其实，这个控制器的设计和上一个练习一样，就是在做极点配置；但前面的 K 是随机选择的，而LQR是根据权重系数来选择。
• 以下有三组权重矩阵系数：
  
• 组1：$Q=\left[\begin{array}{cc}100& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$、$R=\left[\begin{array}{c}1\end{array}\right]$，此时更看重状态变量 z₁(t) 的收敛速度。
• 组2：$Q=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 100\end{array}\right]$、$R=\left[\begin{array}{c}1\end{array}\right]$，此时更看重状态变量 z₂(t) 的收敛速度。
• 组3：$Q=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$、$R=\left[\begin{array}{c}100\end{array}\right]$，此时更看重输入 u 的能耗。
• 在MATLAB中的代码实现如下：
• 其中，例如，[K1, z, l] = lqr (sys, q1, r1);%%这里用的lqr的语句，其输入输出是：
  • sys： 输入，当前的系统；
  • q1： 输入，当前Q矩阵；
  • r1： 输入，当前R矩阵；
  • K1： 输出，所要求设计的K矩阵；
  • z： 输出，状态变量；
  • l： 输出，代表极点；

clc;clear;close all;
%% 定义参数g=10;d=1;
%% 定义矩阵A=[0 1;g/d 0];B=[0;1];C = [1, 0];D = 0;
%% 建立状态空间方程表达式
sys = ss(A,B,C,D);
%% 定义初始状态
z0=[pi/20;0];%% 定义权重系数，求K
q1=[100 0;0 1];
r1=1;
[K1, z, l] = lqr (sys, q1, r1);q2=[1 0;0 100];
r2=1;
[K2, z, l] = lqr (sys, q2, r2);q3=[1 0;0 1];
r3=100;
[K3, z, l] = lqr (sys, q3, r3);%% 定义闭环系统
sys_cl1=ss(A-B*K1,[0;0],C,D);
sys_cl2=ss(A-B*K2,[0;0],C,D);
sys_cl3=ss(A-B*K3,[0;0],C,D);%% 仿真
%% 对初始条件的响应
t=0:0.01:5;
[y1,t,z1]=initial(sys_cl1,z0,t);
[y2,t,z2]=initial(sys_cl2,z0,t);
[y3,t,z3]=initial(sys_cl3,z0,t);%% 绘图
%% 状态变量1
subplot(3,1,1);
plot(t,z1(:,1));
hold on;
plot(t,z2(:,1));
hold on;
plot(t,z3(:,1));
legend('z1_1','z1_2','z1_3');
grid on;
hold off;
title('状态变量z1的变化曲线')
legend('组1权重矩阵z1_1','组2权重矩阵z1_2','组3权重矩阵z1_3')
z1_1 = sum (z1(:,1).^2) %%加这个.，就是第一列所有元素，自己跟自己平方的加和。如果没有这个.，就是矩阵相乘了。
z1_2 = sum (z2(:,1).^2)
z1_3 = sum (z3(:,1).^2)%% 状态变量2
subplot(3,1,2);
plot(t,z1(:,2));
hold on;
plot(t,z2(:,2));
hold on;
plot(t,z3(:,2));
legend('z2_1','z2_2','z2_3');
grid on;
hold off;
title('状态变量z2的变化曲线')
legend('组1权重矩阵z2_1','组2权重矩阵z2_2','组3权重矩阵z2_3')
z2_1 = sum (z1(:,2).^2)
z2_2 = sum (z2(:,2).^2)
z2_3 = sum (z1(:,2).^2)%% 系统输入
subplot(3,1,3);
plot(t,-K1*z1');
hold on;
plot(t,-K2*z3');
hold on;
plot(t,-K3*z3');
legend('u_1','u_2','u_3');
grid on;
hold off;
title('输入变量u的变化曲线')
legend('组1权重矩阵u_1','组2权重矩阵u_2','组3权重矩阵u_3')
u_1 = sum ((-K1*z1').^2)
u_2 = sum ((-K2*z2').^2)
u_3 = sum ((-K3*z3').^2)

四、运行结果

• 在状态变量 z₁(t) 变化曲线，可以看出在组1权重系数矩阵$Q=\left[\begin{array}{cc}100& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$、$R=\left[\begin{array}{c}1\end{array}\right]$，是收敛最快的，因为从Q矩阵的100看出其更注重 z₁(t) 的收敛速度；
• 在状态变量 z₂(t) 变化曲线，可以看出在组2权重系数矩阵$Q=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 100\end{array}\right]$、$R=\left[\begin{array}{c}1\end{array}\right]$，是收敛最快的，因为从Q矩阵的100看出其更注重 z₂(t) 的收敛速度；
• 在输入 u 变化曲线，可以看出在组3权重系数矩阵$Q=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]$、$R=\left[\begin{array}{c}100\end{array}\right]$，是收敛最快的，因为从R矩阵的100看出其更注重输入 u 有最小的能耗的；
  
• 同时可以在命令行窗口，定量计算了不同权重系数矩阵下，对系统的不同影响（如下图运行的结果）；

• 对于状态变量 z₁(t) ，在组1权重系数矩阵，其输出结果的平方加和是0.8005最小的，也就说明在组1情况是最快收敛到0的；
• 对于状态变量 z₂(t) ，在组2权重系数矩阵，其输出结果的平方加和是1.0474最小的，也就说明在组2情况是最快收敛到0的；
• 对于输入 u ，在组3权重系数矩阵，其输出结果的平方加和是161.0392最小的，也就说明在组3情况是最快收敛到0的；
• 结果总结：
  • 从 z₁(t) 收敛，可以说组1的设计结果是好的；
  • 但从 z₂(t) 收敛，也可以说组2的设计结果是好的；
  • 但从输入 u 的能耗角度来看，也可以说组3的设计结果是好的；

学习来源：《控制之美》[卷1]，王天威