第11章线性时不变系统的多项式矩阵描述ppt课件.ppt
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1、 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 多项式矩阵描述的形式 PMD和其他描述的关系11.1 多项式矩阵描述11.2 多项式矩阵描述的状态空间实现11.3 多项式矩阵描述的互质性和状态空间描述的能控性和能观测性11.4 传输零点和解耦零点 PMD的极点 PMD的传输零点第11章 传递函数矩阵的状态空间实现 不可简约PMD PMD的解耦零点 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 本章主要内容11.5 系统矩阵 系统矩阵的概念 增广系统矩阵11.6 严格系统等价 严格系统等价的定义 严格系统等价变换的性质 内蒙古工业大学电力学院自
2、动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.1 多项式矩阵描述(PMD)一、PMD定义 PMD(polynomial matrix descriptions)是对线性时不变系统引入的具有更广普遍性的一类描述。 设一系统输入u为p维,输出y为q维,描述内部状态的向量 为m维。11111)()()()()()()()()(ppqmmqqppmmmmsUsWssRsYsUsQssP为系统的PMD。WRQP, W阵反映输入-输出直接关系,若G(s)为严真,则W(s)=0。 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.1 多项式矩阵描述(PMD)例:)()()
3、()()1()()()()(221221211sRsYsLssRCssUsLsssR )(0)()(0)()(01)()(1212212211sUssRsYsUssCsRLCsRRLs 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.1 多项式矩阵描述(PMD)二、假设现实世界中极大多数满足假设。 为非奇异, 存在。)(sP)(1sP三、PMD和其他描述的关系1、与传递函数矩阵的关系)()()()()(1sWsQsPsRsG2、与状态空间描述的关系假定 ,求拉氏变换00 x)()()()()()(sEUsCXsYsBUsXAsIEsWCsRBsQAsIsP)( )
4、( )( )()( 3、与右MFD的关系)()()(1sEsDsN)()( )()( )( )()( sEsWsNsRIsQsDsPp 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.1 多项式矩阵描述(PMD)3、与左MFD的关系)()()(1sEsNsDLL)()( )( (s)( )()( sEsWIsRNsQsDsPqLL四、不可简约PMD1、定义 如果PMD满足 左互质, 右互质,则 为不可简约PMD。)(),(sQsP)(),(sRsPWRQP, 如果PMD为可简约,则 非左互质或(且) 非右互质。)(),(sQsP)(),(sRsP2、由可简约PMD
5、导出不可简约PMD 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.1 多项式矩阵描述(PMD)(1)假定 右互质, 非左互质)(),(sQsP)(),(sRsP)(),()(sQsPgcldsH)()()(sPsHsP)()()(sQsHsQ)()()()(sUsQssP由)()()()()()(sUsQsHssPsH左乘)(1sH)()()()()()()()()(sUsWssRsYsUsQssP)(),( sRsP 右互质,其最大右公因子为单模阵, 为 中“约去” 导出的结果,故 仍为右互质。)(sP)(sP)(sH)(),(sRsP 内蒙古工业大学电力学院
6、自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.1 多项式矩阵描述(PMD)(2)假定 非右互质, 左互质)(),(sQsP)(),(sRsP( )( ), ( )F sgcrd P s R s)()()(sFsPsP)()()(sFsRsR)()()()()()()()()()()(sUsWssFsRsYsUsQssFsP令)()()(sssF)()()()()()()()()(sUsWssRsYsUsQssP不可简约MFD 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.1 多项式矩阵描述(PMD)(3)假定 非右互质, 非左互质)(),(sQsP)(
7、),(sRsP( )( ), ( )F sgcrd P s R s)()()()(11sFsPsHsP)()()(1sFsRsR)()()()()()()()()()()()()(sUsWssFsRsYsUsQsHssFsPsH令)()()(ssFs( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )( ) ( )P ssQ s U sY sR ssW s U s不可简约MFD)(),()(sQsPgcldsH)()()(1sPsHsP)()()(1sQsHsQ)()()()()()()()()(sUsWssRsYsUsQssP由 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵
8、描述 11.2 PMD的状态空间实现一、PMD实现的定义)()()()()()()()()(sUsWssRsYsUsQssP如果EuCxyBuAxx 成立11()( )( )( ) ( )( )C sIABE sR s Ps Q sW s称状态空间描述为PMD的一个实现。具有强不惟一性,即实现结果不惟一,实现维数也不惟一。二、PMD实现的算法给定 ,求 ,观测器形实现。)(),(),(),(sWsRsQsP)(,pECBA1、给定PMD,判断内核 , 是否为行既约。)()(1sQsP)(sP(1)若 行既约,令 , 。)(sP)()(sPsPr)()(sQsQr 内蒙古工业大学电力学院自动化系
9、第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.2 PMD的状态空间实现(2)若 非行既约,找出单模阵 ,使 为行既约。)(sP)()()(sPsMsPr)()()(sQsMsQr)(sM)()()()()()()()(111sQsPsQsMsPsMsQsPrr)(detdeg)(detdegsPsPr 和 具有等同实现。)()(1sQsPrr)()(1sQsP2、找出 的观测器形实现)()(1sQsPrr)()()()()(11sYsQsPsQsPrrrr)()(1sQsPrr为严真部分, 为多项式矩阵。)(sY3、对严真左MFD ,寻找观测器形实现)()(1sQsPrr),(oooCBA能
10、观测 ,)()()(11oorroooCAsQsPBAsIC)(detdegdimsPAro 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.2 PMD的状态空间实现4、对整个MFD)()()()()()()( )()()()()()()()( )()()()()()()()(111sUsWsYsRsUBAsICsRsUsWsYsRsUsQsPsRsUsWsUsYsQsPsRsYooorrrr1)()(ooAsICsR不一定严真,11)()()()(ooooAsICsXAsICsR)()()()()()()()(1sUsWsYsRBsXsUBAsICsYoooo)
11、()()()()(,pWpYpRBpXpECBAoooo为实现 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.2 PMD的状态空间实现例:)(2)(21)()(12)(102122sUsssYsUssssss解:(1)为行既约,令 , 。)(sP)()(sPsPr)()(sQsQr(2)找出 的观测器形实现)()(1sQsPrr1001)(ss11)(ss 1210212)()(22121非严真ssssssQsPrr 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.2 PMD的状态空间实现1001)(ss)()(21sQsPrr)(
12、)()(10)(010)(01)(ss)()(2sYsPsQsPssPsPsQrrrrrr0)(ssQr10)(sY(3)对严真 ,寻找 观测器形实现010212)()(121sssssQsPrr 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.2 PMD的状态空间实现(3)对严真 ,寻找 观测器形实现010212)()(121sssssQsPrr21rk12rk3n1001hrD102102LrD001LrN10011hrDLrLrDDDhr12 1qp100201012oA0010B100001oC 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项
13、式矩阵描述 11.2 PMD的状态空间实现(4)对整个MFD0011)(s2s1s11s1- 1)(s2s1s11ss 1002101210000121)()(2211ssssAsICsRoo100201012oA0010B100001oC 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.2 PMD的状态空间实现0011)(s2s1s11s1-)()(21ooAsICsR )(001211 )(001)(1)(s2s1s11s1-)(2ooooAsIAsIAsICsR001)(211)()(11oooAsIAsICsR211oC001)(sX100201012oA
14、0010B211oC5)()()()()(sWsYsRBsXpEo111()( )5( )( ) ( )( )1C sIABE sR s Ps Q sW ss 验算: 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 11.2 PMD的状态空间实现三、PMD的最小实现 给定MFD 当且仅当PMD为不可简约,其对应的维数为n的实现为最小实现。)(),(),(),(sWsRsQsP)(detdegsPn 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述11.3 PMD的互质性和状态空间描述的能控性和能观测性 给定MFD ,状态空间描述)(),(),(),
15、(sWsRsQsPECBA,结论:( ),( ),P s Q sA B左互质能控( ), ( ),P s R sA C右互质能观测证明:整体思路smsQsPrank )()(PBH判据snBAsIrank (1) 行既约性判断)(sP)()()()()(11sYsQsPsQsPrrrr)()(sPsPr 是行既约,令)(sP非行既约,)(sP)()()(sPsMsPr 行既约)(sPr 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述11.3 PMD的互质性和状态空间描述的能控性和能观测性不妨假设 观测器形实现 LrLrrrLroooooNssPsQsPNAsICBAsI
16、C)()()()()()(1111)()(1sQsPrroooCBA,考虑到 的任意性LrN)()()(11ssPAsICLroo)()(oLorAsIsCsP )()()()(sYsPsQsQrrrLrLrrrNssYsPsQsQ)()()()()( oooCAsIsXCsR)()()()()()()(sWsYsRBsXsEo porrooqLIsYCsWsRsQsPsECBAsIIsXs0)()()()()()()(0)( 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述11.3 PMD的互质性和状态空间描述的能控性和能观测性porrooqLIsYCsWsRsQsPs
17、ECBAsIIsXs0)()()()()()()(0)(11)(111sssssqrrkkL行满秩)()(ssPLr左互质oooCBA,为观测器形实现 ooCAsI 右互质 存在多项式矩阵 和 ,使 为单模阵,且成立)(11sU)(12sU)()()()(1211ssPsUsULr0)()()()(1211nooLrIAsICssPsUsU 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述11.3 PMD的互质性和状态空间描述的能控性和能观测性pomoorrnooomqLrIsYCIBsUAsIsUsUsWsRsQsPIsECBAsIIIsXsRssPsUsU00)()(
18、)()()()(0)()(000)(0000)()(0)()(0)()(1212111211单模阵单模阵omnmnomonomoCIIIsUICICsUIsUCIAsIsUsU00)()()()()(1111111211单模阵由 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述11.3 PMD的互质性和状态空间描述的能控性和能观测性pomoorrnooomqLrIsYCIBsUAsIsUsUsWsRsQsPIsECBAsIIIsXsRssPsUsU00)()()()()()(0)()(000)(0000)()(0)()(0)()(1212111211(2)左乘单模阵qnI
19、SMI)(1得 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述11.3 PMD的互质性和状态空间描述的能控性和能观测性pomoonooomqLIsYCIBsUAsIsUsUsWsRsQsPIsECBAsIIIsXsRssMsPsUsU00)()()()()()(0)()(000)(0000)()(0)()()(0)()(12121111211(3)取pomoonoomLIsYCIBsUAsIsUsUsQsPIBAsIIssMsPsUsU00)()()()()()(000000)()()()()(12121111211 内蒙古工业大学电力学院自动化系第11章 线性时不变系
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