状态空间表达式的能控标准型和能观标准型

寻找线性变换,得到单输入单输出系统的能控能控标准型。

Description
z˙=T−1ATz+T−1Buy=CTz+Du

能控性与能观性的对偶关系

互为对偶系统的两个系统:系统能控性分析 ⇔ 能观性分析

  1. 系统的能控性等价于对偶系统的能观测性
  2. 对偶系统的传递函数矩阵相互转置
  3. 对偶系统的特征方程相同。

1. 定常系统

Σ1(A,B,C)Σ2(AT,CT,BT)Sym1={x˙=Ax+Buy=Cx⇔Sym2={x˙=AT+CTuy=BTx

2. 时变系统

Σ1(A,B,C)Σ2(−AT,CT,BT)Sym1={x˙=A(t)x+B(t)uy=C(t)x⇔Sym2={x˙=−AT(t)+CT(t)uy=BT(t)x

一、能控标准型

  1. 首先判断系统是否能控,构造能控性矩阵 rankM=rank(bAb⋯An−1b)=n
  2. 其次利用系统矩阵计算特征多项式:
|λI−A|=λn+an−1λn−1+⋯+a1λ1+a0

1.1 能控标准 I 型

找线性变换使得系统矩阵为友矩阵,可以直接写出对应的传递函数。

Tc1=(An−1bAn−2b⋯Abb)(1an−11⋮⋮⋱a2a3⋯1a1a2⋯an−11)A¯=Tc1−1ATc1=(010⋯0001⋯0⋮⋮⋮⋱⋮000⋯1−a0−a1−a2⋯−an−1)b¯=Tc1−1b=(00⋮1)c¯=cTc1=(β0,β1,⋯,βn−1)

可以直接得到系统的传递函数:

W(s)=c¯(sI−A¯)−1b¯=βn−1sn−1+βn−2sn−2+⋯+β1s+β0sn+an−1sn−1+⋯+a1s+a0

1.2 能控标准 II 型

Tc2=(bAb⋯An−1b)=MA¯=Tc2−1ATc2=(010⋯0001⋯0⋮⋮⋮⋱⋮000⋯1−a0−a1−a2⋯−an−1)Tb¯=Tc2−1b=(10⋮0)c¯=cTc2=(β0,β1,⋯,βn−1)

二、 能观标准型

首先判断系统是否能观,构造能观性矩阵

rankN=rank(CCA⋮CAn−1)=n

或利用能控性和能观性的对偶关系,直接先求得对偶系统

Sym1={x˙=Ax+Buy=Cx⇔Sym2={x˙=AT+CTuy=BTx

先判断对偶系统的能控性,再按照能控标准型的计算方法进行计算

2.2 能观标准 I 型

2.2 能观标准 II 型

A~=To2−1ATo2=(000⋯0−a0100⋯0−a1010⋯0−a2⋮⋮⋮⋱⋮⋮000⋯1−an−1)b~=To2−1b=(β0β1⋮βn−1)c~=cTo2=(0,0,⋯,1)W(s)=c¯(sI−A¯)−1b¯=βmsm+βm−1sm−1+⋯+β1s+β0sn+an−1sn−1+⋯+a1s+a0

三、实际例题

将下列标准型写为四种标准型

x˙=(1203−11020)x+(211)uy=(001)x

计算系统的特征多项式:

|λI−A|=λn+an−1λn−1+⋯+a1λ1+a0=λ3−9λ+2

能控标准型

判断系统能控性:

M=(bAbA2b)=(24161681212)rankM=3
能控标准 I 型
A¯=(010001−290)b¯=(001)C¯=C(A2bAbb)(1a21a1a21)=(001)(16428611221)(101−901)=(321)
能控标准 II 型
A¯=(00−2109010)b¯=(100)C¯=C(bAbA2b)=(001)(24161681212)=(1212)

能观标准型

判断系统能观性:

N=(CCACA2)=(0010206−22)rankN=3
能观标准 I 型
A~=(010001−290)b~=(1212)C~=(100)
能观标准 II 型
A~=(00−2109010)b~=(321)C~=(001)
注意

首先判断 能控性/能观性,再进行特征多项式计算,得到系统不变量,马上可以直接写出系统矩阵(以及能控标准型的输入矩阵、能观标准型的输出矩阵)。