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第11章 线性系统的多项式矩阵描述

第11章 线性时不变系统的多项式矩阵描述 状态空间描述给出了控制输入与系统内部状态及输出的清晰关系,然而状态变量的选定是任意的,不一定具有直接的物理含义;组成系统的各子系统的性质也不能得到明显的反应。而传递函数具有直观的物理含义,但它忽略了系统内部的重要结构信息。罗森布罗克(H.H.Rosenbrock)提出一种新的恰当的描述---多项式矩阵描述(poynomial matrix description)PMD。;11.1 多项式矩阵描述 一.多项式矩阵PMD的形式;上式为描述系统的广义状态方程和输出方程,且系数矩阵为多项式矩阵形式,称为多项式矩阵描述PMD。 一般多输入/多输出线性时不变系统,定义;degdetP(s)=m=系统中具有储能元件个数。 强调:广义状态变量必须是独立的。对于方程中的某个储能参数若多次引用,必须给予恰当处理。 例如若将电容C2两端短路,则;degdetP(s)=4,产生系统升级错误的原因是化简过程中电容C1进行了两次通分运算。;对PMD的说明: (1)PMD的属性 多项式矩阵描述也是系统的一种内部描述,而且比状态空间描述更为一般,引入广义状态(状态,伪状态),对其并不要求按状态进行严格限定。 (2)系数矩阵的多项式矩阵属性;(3)对PMD的假设 为保证PMD系统有唯一解,假定多项式矩阵P(s)为非奇异。 (4)时间域PMD 对频率域PMD的系数矩阵中,若用微分算子 代替系数多项式中的复变量s,并将频率域变量替换为时间域变量,得到时间域PMD为;PMD和其它描述的关系 (1)多项式矩阵描述的传递函数矩阵;(3)矩阵分式描述的多项式矩阵描述;(4)多项式矩阵描述的一般性 PMD是线性时不变系统的最一般描述,其它形式描述均可认为是PMD的特殊形式。;三.不可简约PMD 定义:称(P(s),Q(s),R(s),W(s))为不可简约PMD,当且仅当 {P(s),Q(s)}左互质,{P(s),R(s)}右互质 (P(s),Q(s),R(s),W(s))为可简约PMD,则只可能为下列三种情形之一: {P(s),Q(s)}非左互质,{P(s),R(s)}右互质 {P(s),Q(s)}左互质,{P(s),R(s)}非右互质 {P(s),Q(s)}非左互质,{P(s),R(s)}非右互质;对可简约PMD化为不可简约PMD的基本途径是引入变换,将非互质化为互质。 (1) {P(s),R(s)}右互质,{P(s),Q(s)}非左互质 结论11.5对{P(s),R(s)}右互质,{P(s),Q(s)}???左互质可简约PMD,非左互质{P(s),Q(s)}的任一最大公因子H(s)为m×m维,取;(2)不可简约PMD不唯一性 结论11.8 设(P(s),Q(s),R(s),W(s))为系统的一个不可简约PMD,则任意两个单模阵U(s),V(s)对P(s),Q(s),R(s),W(s)单模变换;11.2 多项式矩阵PMD的状态空间实现 传递函数矩阵的最小实现是通过既约矩阵分式MFD来进行,它给出了规范形矩阵分式与规范形动态方程(A,B,C,E)之间的变换关系。而矩阵分式描述MFD是一种特殊的多项式矩阵描述PMD,为此,考虑多项式矩阵PMD到状态空间描述,即PMD的实现。;一.PMD的实现 多项式矩阵描述PMD 则称状态空间描述;二.构造PMD的实现方法 构造PMD的实现是基于矩阵分式描述MFD的规范形,能控形,能观测类实现而建立的。含义是指PMD的传递函数矩阵G(s)中包含的一个MFD的实现,称为PMD实现的内核。;PMD构成的状态空间描述为更一般的形式。因为利用多项式矩阵理论研究系统时,不需要将系统限制为真有理的。 注意:E(s)为常数阵或零阵,并不意味W(s)为常数阵或零阵;反之亦然。这就是说,判别多项式矩阵描述PMD是否为真(严真)有理,只能从其动态方程中E(s)是否为常数阵或零阵来判断,决不能从W(s)是否为常数阵或零阵来判断。;三.PMD的最小实现 PMD中维数最小的一类实现称为最小实现。 结论11.10[最小实现的时间域条件]设[A,B,C,E(p)]为{P(s),Q(s),R(s),W(s)}的一个实现,则有 (A,B,C,E(p))为最小实现 (A,B)完全能控,(A,C)完全能观测;结论11.11[最小实现的复频域条件]设[A,B,C,E(p)]为{P(s),Q(s),R(s),W(s)}的一个维数为 n=degdetP(s)的实现,则有 (A,B,C,E(p))为最小实现 {P(s),Q(s),R(s),W(s)}不可简约 结论11.12[最小实现不唯一性]设[A,B,C,E(p)]为{P(s),Q(s),R(s),W(s

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