第三章:2单变量系统的实现详解.ppt
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* 首先研究单变量系统的可控性、可观性与传递函数零、极点相消之间的关系。 考虑单变量系统,其动态方程为 (3-22)式对应的传递函数为: 一、可控性、可观测性与零极点对消问题 §3-2单变量系统的实现 定理3-6 动态方程(3-22)可控、可观测的充分必要条件是g(s) 无零、极点对消,即 D(s)和N(s)无非常数的公因式。 证明:首先用反证法证明条件的必要性。若有s=s0 既使N(s0)=0,又使D(s0)=0: 利用恒等式 将s= s0代入,可得 将上式前乘 c、后乘 b 后即有 式(1)前乘cA、后乘b,并考虑到(2)的结果后即有 ……..,依次类推可得 这组式子又可写成 因为假设动态方程可观测,上式中前面的可观性矩阵是可逆矩阵,故 考虑到式(1-45),我们有 这与系统可控的假设相矛盾。 矛盾表明N(s)和D(s)无相同因子,即g(s)不会出现零、极点相消的现象。 充分性:即若N(s)和D(s)无相同因子,要证明动态方程(3-30) 是可控、可观的。用反证法。设系统不是既可控又 可观测的。不妨设 (3-30) 是不可控的。这时可按可 控性分解为(2-36) 的形式,并且可知这时传递函数, 在上面的式子中,D(s)是n 次多项式,而D1(s)是n1次多项式,由于系统不可控,所以 n1 n,而N(s)和D(s)无相同因子可消去,显然 这和两者应相等矛盾。同样可以证明动态方程也不可能不可观测。 证完。 推 论 单输入系统(A, b)可控的充分必要条件是adj(sI?A)b 与D(s)=Δ (s)无非常数公因式; 单输出系统(A, c)可观的充分必要条件是cadj(sI?A)与D(s)= Δ (s)无非常数公因式。 对单输出系统亦有类似的结论。 零极对消问题小结 一、 若 cadj(sI?A)b与A的特征式Δ(s)有公因子s?s0 , 则s0 或是不可控模态,或是不可观模态,或是既不可控又不可观的模态; 若 adj(sI?A)b与Δ(s)有公因子s?s0 , 则s0是不可控模态 若cadj(sI?A)与Δ(s)有公因子s?s0 , 则s0是不可观模态 二、 若 adj(sI?A)与Δ(s)有零、极对消,则 ad(sI?A)b 与Δ(s)有零、极对消; c adj(sI?A)与Δ(s)有零、极对消; 即使adj(sI?A)与Δ(s)无零、极对消,也有可能 adj(sI?A)b与Δ(s) 、 c adj(sI?A)与Δ(s)都有零、极对消。 但即使消去数值上相同的模态,也未必是既不可控又不可观的模态。见下面的例1: 例题 1 不可控模态:1; 不可观模态:1; 既不可控又不可观的模态:无。 adj(sI?A)与 Δ(s)有 s=1 对消; adj(sI?A)b与Δ(s)有s=1 对消; cadj(sI?A)与Δ(s)有s=1 对消。 尽管消去了数值上相同的模态 s=1,但s=1却不是既不可控又不可观的模态。 adj(sI?A)与Δ(s)无零、极对消,也有可能有既不可控又不可观的模态。见下面的例2。 例题2 不可控模态:3、4, adj(sI?A)b 与 Δ(s)可对消 (s?3)(s?4); 不可观模态:2、4, cadj (sI?A)与 Δ(s)可对消 (s?2)(s?4); 既不可控又不可观的模态:4 , (但 adj(sI?A)却与Δ(s)无对消!)。 总结例1和例2: 既不可控又不可观的模态一定使adj(sI?A)b 与Δ(s)有零、极对消,也使cadj(sI?A)与Δ(s)有零、极对消; 反之,即使adj (sI?A)b与Δ(s)有零、极对消、 cadj(sI?A)与Δ(s)有零、极对消,也不一定adj(sI?A) 与Δ(s)有零、极对消(例题2), 也不一定有既不可控又不可观的模态(例题1 )。 adj(sI-A)与Δ(s)有s-s0对消 有既不可控又不可观的模态s-s0 。 adj(sI-A)b与Δ(s)有s-s0对消, cadj(sI-A)与Δ(s)有s-s0对消。 无必然联系 adj(sI-A)b与Δ(s)有s-s0对消, cadj(sI-A)与Δ(s)有s-s0对消。 反之不成立 反之不成立 如何从对消中求既不可控又不可观的模态? cadj(sI?A) 与A的特征式Δ(s)消去的是不可观模态,记为集合{?} adj(sI-A)b与Δ(s)消去的是不可控模态。将公因式消去后的adj(sI?A)b与Δ (s)分别记为H(s)和Δ1(s) (留下了可控的部分) 若cH(s)和Δ1(s)仍有公因子相消,设消去的模态之集合,记为集合{? }(这是可控、不可观的部分) {? } ?{?}即为既不可控又不可观的模态集合。(不可观
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