一、實驗目的
1、熟悉狀態觀測器的的原理與結構組成；
2、用狀態觀測器的狀態估計值對系統的極點進行任意配置。
二、實驗裝置
同實驗一
三、實驗內容
1、設計受控系統和相應狀態觀測器的模擬電路圖。
2、觀測實驗系統的狀態與觀測器的狀態估計值兩者是否一致。
3、觀測實際系統在狀態反饋前的階躍響應和用觀測器的狀態進行反饋後的階躍響應。
四、實驗原理
狀態反饋雖然能使系統獲得滿意的動態效能，但對於具體的控制系統，由於物理實現條件的限制，不可能做到系統中的每乙個狀態變數x都有相應的檢測感測器。為此，人們設想構造乙個模擬裝置，使它具有與被控系統完全相同的動態方程和輸入訊號。由於這種模擬裝置的狀態變數都能被檢測，因此可採用它作為被控系統的狀態進行反饋，這個模擬裝置稱為系統的狀態觀測器。
為了能使在不同的初始狀態，使能以最快的速度趨於實際系統的狀態變為，必須把狀態觀測器接成閉環形式，且它的極點配置距s平面虛軸的距離至少大於狀態反饋系統的極點距虛軸的距離5倍。
1. 狀態反饋的設計
其二階系統的原理方框圖如圖13-1所示。
圖13-1 二階系統的原理方框圖
，已知系統能控和能觀，假設狀態變數x1和x2均不能測量，需用狀態反饋使閉環系統的阻尼比，
根據給定的和，求得系統期望的閉環極點
相應的特徵方程為
(13-1)
因為能控，所以閉環極點能任意配置，令，則狀態反饋後系統的閉環特徵多項式為：
13-2)
對比式(13-1)、(13-2)得
k1=1，k2==0.414
2. 狀態觀測器的設計
狀態觀測器的狀態方程為
令，13-3)
為使能盡快地趨於實際的狀態x，要求觀測器的特徵值遠小於閉環極點的實部，現設觀測器的特徵值s1，2=-5，據此得
13-4)
比較（13-3）、（13-4）得
g1+g2=25，g1+1=10
即: g1=9，g2=16
於是求得觀測器的狀態方程為
用觀測器的狀態估計值構成系統的控制量為
圖13-2為用觀測器的狀態估計值對系統進行狀態反饋的方框圖。
圖13-2 觀測器的方框圖
其中跟蹤的實驗曲線如圖13-3所示。
圖13-3 跟蹤的曲線
五、實驗步驟
根據圖13-2觀測器的方框圖，設計並組建該系統的模擬電路，如圖13-4所示。
圖13-4觀測器的模擬電路
1. 在r輸入端輸入乙個單位階躍訊號，斷開圖13-4中輸出端的連線線，用上位機觀測、點處於不同的初始值，然後連上前面斷開的線，此時在上位機觀測狀態點跟蹤狀態點的情況，記錄實驗曲線並分析系統的效能指標。
2. 在r輸入端輸入乙個單位階躍訊號，斷開圖13-4中輸出端的連線線，用上位機觀測、點處於不同的初始值，然後連上前面斷開的線，此時在上位機觀測狀態點跟蹤狀態點的情況，記錄實驗曲線並分析系統的效能指標。
注：由於實驗電路中含積分環節，故每次實驗前都必須對積分電容進行放電(具體請參閱實驗台上鎖零按鈕的使用說明)
六、實驗報告要求
1、根據對系統和觀測器的動態效能要求，分別設計狀態反饋矩陣k和觀測器的校正矩陣g。
2、畫出受控系統和觀測器的模擬電路圖。
3、根據實驗結果，分別畫出實際系統的狀態與觀測器的狀態估計值的曲線。
4、根據實驗結果，分別畫出未加狀態反饋前系統的階躍響應曲線和用觀測器的狀態估計值進行反饋後系統的階躍響應曲線。
5、討論分析實驗結果。
七、實驗思考題
1、觀測器中的校正矩陣g起什麼作用？
2、觀測器中矩陣（極點能任意配置的條件是什麼？
3、為什麼觀測器極點要設定得比系統的極點更遠離於s平面的虛軸？
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