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线性系统非奇异线性变换及系统的规范分解.doc
8.5 线性系统非奇异线性变换及系统的规范分解
为了便于揭示系统的固有特性,经常需要对系统进行非奇异线性变换,如将A矩阵对角化、约当化;将系统化为可控标准型、可观测标准型也需要进行线性变换。为了便于分析与设计,需要对动态方程进行规范分解,往往也涉及线性变换。如何变换?经过变换后,系统的固有特性是否会引起改变呢?这些问题必须加以研究解决。
8.5.1 线性系统的非奇异线性变换及其性质
1.非奇异线性变换
设系统动态方程为 (8-134)
令 (8-135)
式中,非奇异矩阵P(,有时以形式出现)将状态变换为状态。设变换后的动态方程为
(8-136)
则有
(8-137)
上述过程就是对系统进行非奇异线性变换。线性变换的目的在于使阵或系统规范化,以便于揭示系统特性,简化分析、计算与设计,在系统建模,可控性、可观测性、稳定性分析,系统综合设计方面特别有用。非奇异线性变换不会改变系统的固有性质,所以是等价变换。待计算出所需结果之后,再引入反变换,将新系统变回原来的状态空间中去,获得最终结果。
2.非奇异线性变换的性质
系统经过非奇异线性变换,系统的特征值、传递矩阵、可控性、可观测性等重要性质均保持不变性。下面进行证明。
变换后系统传递矩阵不变
证明 列出变换后系统传递矩阵为
表明变换前后的系统传递矩阵相同。
线性变换后系统特征值不变
证明 列出变换后系统的特征多项式
表明变换前后的特征多项式相同,故特征值不变。由此可以推出,非奇异变换后,系统的稳定性不变。
变换后系统可控性不变
证明 列出变换后系统可控性阵的秩
表明变换前后的可控性矩阵的秩相同,故可控性不变。
变换后系统可观测性不变
证明 列出变换后可可观测性矩阵的秩
表明变换前后可观测性矩阵的秩相同,故可观测性不变。
(8-138)
证明
8.5.2 几种常用的线性变换
1.化A为对角阵
(1)A阵为任意方阵,且有互异实数特征根。则由非奇异变换可将其化为对角阵
(8-139)
P由特征向量组成,
(8-140)
特征向量满足
(8-141)
(2)A矩阵为友矩阵,且有互异实数特征根。则用范德蒙特(Vandermode)矩阵P可以将A对角化。
(8-142)
(3)A矩阵为任意方阵,有m重实数特征根(),其余(n-m)个特征根为互异实数特征根,但在求解时,仍有m个独立的特征向量,则仍可以将A矩阵化为对角阵。
(8-143)
(8-144)
式中,是互异实数特征根对应的特征向量。
2.化A矩阵为约当阵
(1)A矩阵有m重实数特征根(),其余(n-m)个特征根为互异实数特征根,但重根只有一个独立的特征向量时,只能将A矩阵化为约当阵J。
(8-145)
(8-146)
式中,分别是互异实数特征根对应的特征向量,而是广义特征向量,可由下式求得
(8-147)
(2)当A矩阵为友矩阵,具有m重实数特征根(),其余(n-m)个特征根为互异实数特征根,但重根只有一个独立的特征向量时,将A矩阵约当阵化的P矩阵为
(8-148)
(3)A矩阵有五重特征根,但有两个独立特征向量,其余(n-5)个特征根为互异特征根,一般可化A矩阵为如下形式的约当阵J
(8-149)
(8-150)
3.化可控状态方程为可控标准型
前面
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