Определение: система, описываемая (1) и (2) называется наблюдаемой в том случае, когда, для некоторого Т>0 и всех возможных начальных состояний х(0), значения матриц А и С и реакции при нулевом входе Y[0,t] достаточно, чтобы определить начальное состояние x(0).
Тh: Система, Y описываемая (1), (2) наблюдаема в том и лишь в том, случае, если на np столбцов матрицы Р=[С* ,А* С* ,..,А*(n-1) С* ] натянуто пространство состояний ℇ . ( Матрицы А*, С*,. получаются транспонированием матриц А, С,. и заменой их элементов комплексно сопряженными. )
ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРАВЛЯЕМОСТИ.
Тh: Система Y , описываемая уравнением (1), управляема тогда и только тогда, когда на вектор столбцы В,АВ,..,B(n-1) матрицы Q≜[В,АВ,...,А(n-1)В] натянуто пространство состояний системы Y. Рассмотрим интерпритацию этой теоремы в терминах канонической экордановой формы матрицы системы. Такая форма позволяет определить управление, требуемое для перевода любого состояния в нулевое. Для простоты будем рассматривать систему с одним входом, описываемую уравнением:
(6) х=Ах+Вu
где А постоянная матрица порядка n, В -n-мерный вектор, u-скалярный вход.
Если минимальный многочлен матрицы А имеет степень k⋜ n-1, то система, характеризуемая уравнением (6), неуправляема.
Произведем замену переменных, положив х=Тy, причем матрица Т такова, что Т(-1)АТ=J, где J-каноническая форма Экордана матрицы А. Если обозначить е=Т(-1)В, то уравнение (6) преобразуется к виду:
(7) y=Jy+eU
Th. Пусть А имеет различные собственные значения, так что J=diag(ℷ1,...,ℷN). Тогда система, описываемая (6), управляема в том и только в том случае, когда все компоненты вектора e=Т-1В отличны от нуля.
1.7. СИГНАЛЫ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЬЕКТОВ.
Временная функция (форма передачи), передаваемая материальным параметром, называемым носителем информации или пространственное размещение (форма заполнения ), называется сигналом, если она по меньшей мере с помощью одного из ее параметров передает информацию.
пример:
|
Носителем информации здесь является электрическое напряжение; информационным параметром амплитуда импульса. В качестве сигнала можно рассматривать временную функцию U(t) (математическую функцию).
Сигналы называются аналоговыми или дискретными, если они передают или изображают аналоговую или дискретную информацию. В аналоговых сигналах информационные параметры в пределах определенных границ могут принимать любое значение, а в дискретных сигналах они принимают только дискретные значения.
Дискретные сигналы, информационные параметры, которых могут принимать только два дискретных значения, называются двоичными.
Цифровыми сигналами являются закодированные дискретные сигналы, в которых дискретные значения информационного параметра соответствуют словам условного алфавита. Все дискретные сигналы не являющиеся цифровыми называются многозначными. Для классификации сигналов имеет значение разделения их на непрерывные и импульсные.
Сигналы называются непрерывными, если их информационные параметры изменяются в любой момент времени, и импульсными, если они изменяются в дискретные моменты времени.
Схема прохождения сигналов кибернетической системы представляет собой граничное изображение (статической и динамической) характеристик звеньев и связей с общей системой. Схема прохождения сигналов представляет собой графическое изображение математической модели системы. Математическая модель является совокупностью всех уравнений, которые описывают соотношение между всеми рассматриваемыми входными и выходными сигналами. Для изображения схем прохождения сигналов наиболее употребительны два способа, которые имеют определенные преимущества: способ изображения в виде структурной схемы и изображение в виде графа прохождения сигнала. При изображении схемы прохождения сигналов в виде структурной схемы звенья показываются в виде блоков, а стрелками указываются направления прохождения сигналов. Структурная схема представляет собой схематическое (качественное) изображение передаточных звеньев системы и ее связей через входные и выходные сигналы. Качественное описание характеристики звена с выходными сигналами U1,...,Um должна пониматься характеристика передачи в установившемся режиме, которая описывается статическим передаточным уравнением:
(1) xg=x(∞)=lim x(t)=f(U1,...,U v)
t→∞
в случае если существует х (∞).
Под динамическими характеристиками понимается зависимость выхода системы от ее входа в переходном процессе. Динамическая характеристика системы или звена может, быть описана различными способами.
Для аналоговых звеньев, входные и выходные характеристики которых изменяются непрерывно, характеристика передачи может быть, описана следующим дифференциальным уравнением в скалярной форме (после деления всех членов на коэффициент х”)
(2) xn +An-1 xn-1+...+A1 x+A0 x=Bm Um+...+B0 U
где U(t)-входной сигнал, x(t) выходной сигнал.
x=q1, x=q2, xn-1=qn получим уравнения системы для случая одномерного пространства:
(3) q(t)=Aq(t)+Bu(t)
x(t)=cTq(t)+du(t)
CКАЧКООБРАЗНАЯ И ПЕРЕХОДНАЯ ФУНКЦИИ.
Передаточные свойства линейного звена характеризуются реакцией на скачкообразное изменение входного сигнала:
u0, при t⋝0
здесь δ(t) является единичной скачкообразной функцией:
1, при t⋝0
Значение скачкообразной функции основывается на том, что единичный входной сигнал u(t) может быть разложен на последовательность сдвинутых по времени скачкообразных функций с разными амплитудами.
|
t
Благодаря применяемому для линейных систем методу суперпозиций соответствующий выходной сигнал можно получить путем наложения друг на друга реакций системы на отдельные скачкообразные функции. Реакция на единичное воздействие, хs(t) линейного звена:
xs(t)≜q us(t)=q U0δ(t) (4)
Переходная функция h(t) линейного звена:
(5) h(t)≜xs(t)/U0=q(t)
Переходная функция линейного звена представляет собой его реакцию на единичное воздействие, отнесенную к амплитуде скачка вх. сигнала.
ИМПУЛЬСНАЯ И ВЕСОВАЯ ФУНКЦИИ.
Аналогично скачкообразной функции и реакции на единичное воздействие импульсная функция и соответствующая реакция на импульсное воздействие могут служить для характеристики передаточных свойств линейных звеньев. Этот метод заключается в том, что входной сигнал u(t) может быть представлен в виде последовательных импульсов функций рис 2
| |
| |
| | |
u u
рис 2 рис 3
Разложение сигнала в последовательность импульсных эвристическая интерпретация функций
Для хорошей аппроксимации, ширина u приведенных на рис. 2, 3 функций, должна быть ничтожно мала. Реакция на импульсное воздействие х(t) линейного звена:
(6) x↑(t)≜q*u↑(t)=q*A*δ(t)
(* -обозначается свертка функции u(t) и q(t) с помощью интеграла свертки); δ(t)-импульсная функция; А - площадь импульса u↑(t). Весовая функция q(t) линейного звена:
q(t)≜ x↑(t)/A=q*δ(t)
Весовая функция q(t) линейного звена представляет его реакцию на импульсное воздействие, отнесенную к интегралу от входного сигнала, взятому по времени.
В соответствии с общим значением импульсного сигнала (рис 3) следует, что весовая функция является свойством
передаточного звена, которое определяет его особенности при передаче сигнала. Схема прохождения сигнала: изображение в виде графа прохождения сигнала.
Граф представляет собой схему, состоящую из узлов и ветвей, соединяющих узлы. Граф прохождения сигналов, представляет собой граф с направленными ветвями.
| |
x(t)=cu(t) узел x(p)=G(p)U(p)