Формула Акерманна - Википедия - Ackermanns formula

Эта статья может быть слишком техническим для большинства читателей, чтобы понять. Пожалуйста помогите улучшить это к Сделайте это понятным для неспециалистов, не снимая технических деталей. (Июль 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

В теория управления, Формула Аккермана это система контроля расчетный метод решения распределение полюсов проблема для систем с инвариантным временем Юрген Акерманн.^[1] Одной из основных проблем при проектировании систем управления является создание контроллеров, которые изменят динамику системы путем изменения собственных значений матрицы, представляющей динамику замкнутой системы.^[2] Это эквивалентно изменению полюсов связанных функция передачи в случае, если нет отмены полюсов и нулей.

Контроль состояния обратной связи

Рассмотрим линейную инвариантную систему с непрерывным временем с представление в пространстве состояний

${ displaystyle { dot {x}} (t) = Ax (t) + Bu (t)}$

${ Displaystyle у (т) = Cx (т)}$

куда Икс - вектор состояния, ты - входной вектор, а А, B и C матрицы совместимых размеров, которые представляют динамику системы. Описание ввода-вывода этой системы дается функция передачи

${ Displaystyle G (s) = С (sI-A) ^ {- 1} B = C { frac { operatorname {Adj} (sI-A)} { det (sI-A)}} B .}$

Поскольку знаменатель правого уравнения задается характеристический многочлен из А, полюса грамм находятся собственные значения из А (обратите внимание, что обратное не обязательно верно, так как между членами числителя и знаменателя могут быть сокращения). Если система неустойчивый, или имеет медленный отклик или любую другую характеристику, которая не определяет критерии проектирования, может быть полезно внести в нее изменения. Матрицы А, B и Cоднако могут представлять физические параметры системы, которые нельзя изменить. Таким образом, одним из подходов к этой проблеме может быть создание петли обратной связи с коэффициентом усиления K который будет кормить переменную состояния Икс во вход ты.

Если система управляемый, всегда есть вход ${ Displaystyle и (т)}$ такое, что любое государство ${ displaystyle x_ {0}}$ может быть переведен в любое другое состояние ${ Displaystyle х (т)}$. Имея это в виду, в систему можно добавить контур обратной связи с управляющим входом. ${ Displaystyle и (т) = г (т) -Kx (т)}$, так что новая динамика системы будет

${ displaystyle { dot {x}} (t) = Ax (t) + B [r (t) -Kx (t)] = [A-BK] x (t) + Br (t)}$

${ Displaystyle y (t) = Cx (t).}$

В этой новой реализации полюса будут зависеть от характеристического полинома ${ displaystyle Delta _ {новое}}$ из ${ displaystyle A-BK}$, то есть

${ displaystyle Delta _ { text {new}} (s) = det (sI- (A-BK)).}$

Формула Аккермана

Вычисление характеристического полинома и выбор подходящей матрицы обратной связи может оказаться сложной задачей, особенно в больших системах. Один из способов упростить вычисления - использовать формулу Аккермана. Для простоты рассмотрим один входной вектор без ссылки параметра ${ displaystyle r}$, Такие как

${ Displaystyle и (т) = - к ^ {Т} х (т)}$

${ displaystyle { dot {x}} (t) = Ax (t) -Bk ^ {T} x (t),}$

куда ${ displaystyle k ^ {T}}$ - вектор обратной связи совместимых размеров. Формула Аккермана утверждает, что процесс проектирования можно упростить, вычислив только следующее уравнение:

${ Displaystyle к ^ {T} = left [0 0 cdots 0 1 right] { mathcal {C}} ^ {- 1} Delta _ { text {new}} (A) ,}$

в котором ${ displaystyle Delta _ { text {новый}} (A)}$ - искомый характеристический многочлен, вычисленный на матрице ${ displaystyle A}$, и ${ Displaystyle { mathcal {C}}}$ это матрица управляемости системы.

Доказательство

Это доказательство основано на Энциклопедия систем жизнеобеспечения запись о контроле за размещением полюсов.^[3] Предположим, что система управляемый. Характеристический многочлен ${ displaystyle A_ {CL}: = (A-Bk ^ {T})}$ дан кем-то

${ displaystyle Delta (A_ {CL}) = (A_ {CL}) ^ {n} + sum _ {k = 0} ^ {n-1} alpha _ {k} A_ {CL} ^ {k -1}}$

Расчет степеней ${ displaystyle A_ {CL}}$ приводит к

${ displaystyle { begin {align} (A_ {CL}) ^ {0} & = (A-Bk ^ {T}) ^ {0} = I (A_ {CL}) ^ {1} & = (A-Bk ^ {T}) ^ {1} = A-Bk ^ {T} (A_ {CL}) ^ {2} & = (A-Bk ^ {T}) ^ {2} = A ^ {2} -ABk ^ {T} -Bk ^ {T} A + (Bk ^ {T}) ^ {2} = A ^ {2} -ABk ^ {T} - (Bk ^ {T}) [A -Bk ^ {T}] = A ^ {2} -ABk ^ {T} -Bk ^ {T} A_ {CL} vdots (A_ {CL}) ^ {n} & = (A- Bk ^ {T}) ^ {n} = A ^ {n} -A ^ {n-1} Bk ^ {T} -A ^ {n-2} Bk ^ {T} A_ {CL} - cdots - Bk ^ {T} A_ {CL} ^ {n-1} end {выровнено}}}$

Замена предыдущих уравнений на ${ displaystyle Delta (A_ {CL})}$ дает

Переписывая приведенное выше уравнение в виде матричного произведения и опуская члены, которые ${ displaystyle k ^ {T}}$ не появляется единичных урожаев

$${ Displaystyle Delta (A_ {CL}) = Delta (A) - left [B AB cdots A ^ {n-1} B right] left [{ begin {array } {c} star vdots k ^ {T} end {array}} right]}$$

От Теорема Кэли – Гамильтона, ${ displaystyle Delta left (A_ {CL} right) = 0}$, таким образом

${ displaystyle left [B AB cdots A ^ {n-1} B right] left [{ begin {array} {c} star vdots k ^ { T} end {array}} right] = Delta (A)}$

Обратите внимание, что ${ Displaystyle { mathcal {C}} = влево [B AB cdots A ^ {n-1} B right]}$ это матрица управляемости системы. Поскольку система управляема, ${ Displaystyle { mathcal {C}}}$ обратимо. Таким образом,

${ displaystyle left [{ begin {array} {c} star vdots k ^ {T} end {array}} right] = { mathcal {C}} ^ {- 1} Delta (A)}$

Найти ${ displaystyle k ^ {T}}$, обе части можно умножить на вектор ${ displaystyle left [{ begin {array} {ccccc} 0 & 0 & 0 & cdots & 1 end {array}} right]}$ давая

${ displaystyle left [{ begin {array} {ccccc} 0 & 0 & 0 & cdots & 1 end {array}} right] left [{ begin {array} {c} star vdots k ^ {T} end {array}} right] = left [{ begin {array} {ccccc} 0 & 0 & 0 & cdots & 1 end {array}} right] { mathcal {C}} ^ {- 1} Delta (A)}$

Таким образом,

${ displaystyle k ^ {T} = left [{ begin {array} {ccccc} 0 & 0 & 0 & cdots & 1 end {array}} right] { mathcal {C}} ^ {- 1} Delta (A )}$

Пример

Учитывать^[4]

${ displaystyle { dot {x}} = left [{ begin {array} {cc} 1 & 1 1 & 2 end {array}} right] x + left [{ begin {array} {c} 1 0 конец {массив}} right] u}$

Мы знаем из характеристического полинома ${ displaystyle A}$ что система нестабильна, так как ${ displaystyle det (sI-A) = (s-1) (s-2) -1 = s ^ {2} -3s + 1}$, матрица ${ displaystyle A}$ будут иметь только положительные собственные значения. Таким образом, для стабилизации системы положим коэффициент обратной связи ${ displaystyle K = left [{ begin {array} {cc} k_ {1} & k_ {2} end {array}} right].}$

Из формулы Аккермана можно найти матрицу ${ displaystyle k}$ это изменит систему так, что ее характеристическое уравнение будет равно желаемому многочлену. Предположим, мы хотим ${ Displaystyle Delta _ { text {желаемый}} (s) = s ^ {2} + 11s + 30}$.

Таким образом, ${ displaystyle Delta _ { text {желаемый}} (A) = A ^ {2} + 11A + 30I}$ и вычисление матрицы управляемости дает

${ displaystyle { mathcal {C}} = left [{ begin {array} {cc} B&AB end {array}} right] = left [{ begin {array} {cc} 1 & 1 0 & 1 end {array}} right]}$ и ${ displaystyle { mathcal {C}} ^ {- 1} = left [{ begin {array} {cc} 1 & -1 0 & 1 end {array}} right].}$

Также у нас есть это ${ displaystyle A ^ {2} = left [{ begin {array} {cc} 2 & 3 3 & 5 end {array}} right].}$

Наконец, из формулы Аккермана

${ Displaystyle к ^ {T} = left [{ begin {array} {cc} 0 & 1 end {array}} right] left [{ begin {array} {cc} 1 & -1 0 & 1 end {array}} right] left [ left [{ begin {array} {cc} 2 & 3 3 & 5 end {array}} right] +11 left [{ begin {array} {cc} 1 и 1 1 и 2 end {array}} right] + 30I right]}$

${ Displaystyle к ^ {T} = left [{ begin {array} {cc} 0 & 1 end {array}} right] left [{ begin {array} {cc} 1 & -1 0 & 1 end {array}} right] left [{ begin {array} {cc} 43 & 14 14 & 57 end {array}} right] = left [{ begin {array} {cc} 0 & 1 end { массив}} right] left [{ begin {array} {cc} 29 & -43 14 & 57 end {array}} right]}$

${ displaystyle k ^ {T} = left [{ begin {array} {cc} 14 и 57 end {array}} right]}$

Рекомендации

Смотрите также

• Полный отзыв о состоянии

внешняя ссылка

• Глава о формуле Аккермана в Викиучебнике систем управления и техники управления