状态向量的线性变换

状态空间表达式Jordan标准化 系统特征值及系统的不变量

Linear Transformation of State Vectors

状态空间表达式进行线性变换变为标准型的基础。

Description

一、基本概念

{x˙=Ax+Buy=Cx+Du

经过非奇异的线性变换后,系统的特征值和系统的不变量均不改变。

求变换矩阵 T,x=Tz,将系统矩阵 A 变换为 Jordan 标准型 J=T−1AT,得到变换后的状态空间表达式:

{Tz˙=ATz+Buy=CTz+Du⇒{z˙=T−1ATz+T−1Buy=CTz+Duz˙=T−1ATz+T−1Bu={z˙=Λz+T−1Bu特征值无重根,化为对角阵z˙=Jz+T−1Bu特征值有重根,化为约旦标准型

一、系统矩阵为任意矩阵(通用形式)

计算系统矩阵的特征值和特征向量进行矩阵对角化

1. 特征值无重根

由 n 个互异特征值求得的 n 个特征向量构成变换矩阵:
|λI−A|=0 计算出特征值,(λiI−A)Pi=0 计算第 i 个特征值对应的特征向量 Pi

(λiI−A)Pi=0⇒T=(P1,P2,⋯,Pn)Λ=T−1AT=(λ1λ2⋱λn)

2. 特征值有重根

假设有 q 个 λ1 的重根,其余 (n−q) 个互异的根
P1 为特征值 λ1 对应的 特征向量,P2,⋯,Pq 为广义特征向量

T=(P1,P2,⋯,Pq,Pq+1,⋯,Pn){λ1P1−AP1=0λ1P2−AP2=−P1⋮λ1Pq−APq=−Pq−1{(λ1I−A)P1=0(λ1I−A)P2=−P1(λ1I−A)P3=−P2⋮(λ1I−A)Pq=−Pq−1J=T−1AT=(J1λq+1⋱λn)n×nJ1=(λ11λ11⋱1λ1)q×q

二、系统矩阵为友矩阵(标准型/特殊形式)

如果系统矩阵为友矩阵

A=(010⋯0001⋯0⋮⋮⋮⋮000⋯0−a0−a1−a2⋯−an−1)

1. 特征值无重根

T=(11⋯1λ1λ2⋯λnλ12λ22⋯λn2⋮⋮⋮λ1n−1λ2n−1⋯λnn−1)T3=(111λ1λ2λ3λ12λ22λ32)

2. 特征值有重根

假设三重根:

T=(100⋯1λ110⋯λnλ122λ11⋯λn2⋮⋮⋮⋯⋮λ1n−1ddλ1(λ1n−1)12d2dλ12(λ1n−1)⋯λnn−1)

1n!dndλ1n(λ1n)

T3=(100λ110λ122λ11)

三、并联型实现 (约旦标准型实现)

将传递函数分解为部分分式之和。有理分式的分解

1. 无重根

W(s)=c1s−λ1+c2s−λ2+⋯+cns−λn=∑i=1ncis−λiA=(λ1λ2⋱λn)B=(11⋮1)C=(c1c2⋯cn)A=(λ1λ2⋱λn)B=(c1c2⋮cn)C=(11⋯1)

2. 有重根

W(s)=c1q(s−λ1)q+c1(q−1)(s−λ1)q−1+⋯+c11s−λ1+∑i=q+1ncis−λiA=(λ11λ11⋱1λ1λq+1⋱λn)B=(00⋮11⋮1)C=(c1qc1(q−1)⋯c11cq+1⋯cn)