状态向量的线性变换

状态空间表达式进行线性变换变为标准型的基础。

Description

{x˙=Ax+Buy=Cx+Du

求变换矩阵 Tx=Tz,将系统矩阵 A 变换为 Jordan 标准型 J=T1AT,得到变换后的状态空间表达式:

{Tz˙=ATz+Buy=CTz+Du{z˙=T1ATz+T1Buy=CTz+Duz˙=T1ATz+T1Bu={z˙=Λz+T1Bu特征值无重根,化为对角阵z˙=Jz+T1Bu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

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

(λiIA)Pi=0T=(P1,P2,,Pn)Λ=T1AT=(λ1λ2λn)

2. 特征值有重根

假设有 qλ1 的重根,其余 (nq) 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){λ1P1AP1=0λ1P2AP2=P1λ1PqAPq=Pq1{(λ1IA)P1=0(λ1IA)P2=P1(λ1IA)P3=P2(λ1IA)Pq=Pq1J=T1AT=(J1λq+1λn)n×nJ1=(λ11λ111λ1)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=(010000100000a0a1a2an1)

1. 特征值无重根

T=(111λ1λ2λnλ12λ22λn2λ1n1λ2n1λnn1)T3=(111λ1λ2λ3λ12λ22λ32)

2. 特征值有重根

假设三重根:

T=(1001λ110λnλ122λ11λn2λ1n1ddλ1(λ1n1)12d2dλ12(λ1n1)λnn1)

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)=c1sλ1+c2sλ2++cnsλn=i=1ncisλiA=(λ1λ2λn)B=(111)C=(c1c2cn)A=(λ1λ2λn)B=(c1c2cn)C=(111)

2. 有重根

W(s)=c1q(sλ1)q+c1(q1)(sλ1)q1++c11sλ1+i=q+1ncisλiA=(λ11λ111λ1λq+1λn)B=(00111)C=(c1qc1(q1)c11cq+1cn)