线性系统理论(能控性判据).ppt

内容简介 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 格拉姆矩阵判据 考虑连续时间线性时不变系统 状态方程为 4 7 其中 x为n维状态 y为q维输出 A t 和B t 为n n和n p常值矩阵 结论4 1 连续时间线性时不变系统 4 7 为完全能控的充分必要条件是 存在时刻t1 0 使格拉姆矩阵 为非奇异 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 证 充分性已知 为非奇异 欲证系统完全能控 设x0为状态空间中任意非零状态 说明系统是能控的 构造控制输入 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 必要性已知系统完全能控 欲证为非奇异 其中 表示所示向量的范数 而范数必为非负 于是 只能有 采用反证法 反设为奇异 即反设状态空间中至少存在一个非零状态 使成立 基此 可进而导出 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 另一方面 由系统完全能控知 状态空间中所有非零状态均可找到相应的输入u t 使成立 从而可进一步得即 基此 可进而导出 与题设相矛盾 从而证得非奇异 必要性得证 证明完成 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 运用格拉姆矩阵判据的类同推证过程可以证明 对连续时间线性时不变系统系统 Wc 0 t1 非奇异 同样也是 系统完全能达 的充要条件 据此可以导出 对连续时间线性时不变系统系统 有系统完全能控 Wc 0 t1 非奇异 系统完全能达这就表明 对连续时间线性时不变系统 能控性等价于能达性 因此 本节给出的相对于能控性的判据均可适用于能达性 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 秩判据 结论4 2 对n维连续时间线性时不变系统 4 7 系统完全能控的充分必要条件为能控性判别矩阵满秩 即rankQc n 证 充分性已知rankQc 欲证系统完全能控 采用反证法 设系统不完全能控 则据格拉姆矩阵判据知 格拉姆矩阵为非奇异 这意味着状态空间中至少存在一个非零状态 类似结论4 1中必要性证明过程可得 将上式对t求导直至 n 1 次 再在导出结果中令t 0 得 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 进而 表上述关系式组为 必要性已知系统完全能控 欲证rankQc n反证法 设rankQc0 可得 基此 并由 0 可知Qc行线性相关 即rankQc n 与题设矛盾 所以系统完全能控 充分性得证 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 于是 基于上式可导出这意味着 格拉姆矩阵奇异 即系统不完全能控 与已知矛盾 反设不成立 必有rankQc n 必要性得证 证明完成 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 其中 R和C可取任意有限值 通过计算得到 据所示电路 定出状态方程为 例4 5 容易判定 rankQc 1 2 n 据秩判据知 系统不完全能控 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 PBH判据 结论4 3 n维连续时间线性时不变系统 4 7 完全能控的充分必要条件为 或 其中 C为复数域 i为系统特征值 例4 7 结论4 4 n维连续时间线性时不变系统 4 7 完全能控的充分必要条件为 矩阵A不存在与B所有列正交的非零左特征向量 即对矩阵A所有特征值 i 使同时满足 TA i T TB 0的左特征向量 T 0 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 结论4 5 结论4 6 对n维线性时不变系统 若A为对角阵 且其特征值两两相异 系统完全能控的充分必要条件是对状态矩阵线性非奇异变换导出的约当规范形中矩阵B中不包含零行向量 4 50 对n维线性时不变系统 若A为约当阵 特征值有重根系统完全能控的充分必要条件是 对应特征值相同的各约当小块最后一行对应的B阵各行向量线性无关 4 57 例题4 9 约当规范形判据 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 能控性指数 结论4 7 定义4 10 对完全能控连续时间线性时不变系统 定义能控性指数为 使 rankQk n 成立的最小正整数k 当k n时 Qk为能控性判别矩阵 对完全能控单输入连续时间线性时不变系统 状态维数为n 则系统能控性指数 n 结论4 8 对完全能控多输入连续时间线性时不变系统 状态维数为n 输入维数为p 设rankB r 则能控性指数满足 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 结论4 10 结论4 8证明 对完全能控多输入连续时间线性时不变系统 状态维数为n 输入维数为p 设rankB r 为矩阵A的最小多项式次数 则能控性指数满足 结论4 9 多输入连续时间线性时不变系统 状态维数为n 输入维数为p 且rankB r 则系统完全能控的充分必要条件为 4 2连续时间线性时不变系统的能控性判据 结论4 11 多输入连续时间线性时不变系统 状态维数为n 输入维数为p 且rankB r 将Q 表为 并从左至右依次搜索Q 的n个线性无关列 即若某个列不能表成其左方各线性独立列的线性组合就为线性无关 否则为线