Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал
В. Н. Буков, А. М. Бронников, Условия инвариантности выхода линейных систем, Автомат. и телемех., 2005, выпуск 2, 23–35
Использование Общероссийского математического портала Math-Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и
согласны с пользовательским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement
Параметры загрузки:
IP: 213.230.72.19
4 августа 2017 г., 11:04:05
Àâòîìàòèêà è òåëåìåõàíèêà, 2, 2005
2005 ã.
Â. Í. ÁÓÊÎÂ, ä-ð òåõí. íàóê,
À. Ì. ÁÎÍÍÈÊÎÂ, êàíä. òåõí. íàóê
(Âîåííî-âîçäóøíàÿ èíæåíåðíàÿ àêàäåìèÿ èì. ïðî. Í.Å. Æóêîâñêîãî, Ìîñêâà)
ÓÑËÎÂÈß ÈÍÂÀÈÀÍÒÍÎÑÒÈ ÂÛÕÎÄÀ ËÈÍÅÉÍÛÕ ÑÈÑÒÅÌ
Íà îñíîâå ðåøåíèÿ ìàòðè÷íûõ óðàâíåíèé ìåòîäîì êàíîíèçàöèè îáîñíîâûâàþòñÿ íåîáõîäèìûå è äîñòàòî÷íûå óñëîâèÿ èíâàðèàíòíîñòè ïî âûõîäó äëÿ ëèíåéíûõ ñòàöèîíàðíûõ äèíàìè÷åñêèõ ñèñòåì ê ïðîèçâîëüíûì âíåøíèì âîçìóùåíèÿì. Ïîëó÷åííûå óñëîâèÿ èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ñèíòåçà ðåãóëÿòîðîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ óêàçàííóþ èíâàðèàíòíîñòü. åçóëüòàòû ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ íà çàäà÷ó
ïàðàìåòðè÷åñêîé èíâàðèàíòíîñòè. Ñòàòüÿ îãðàíè÷èâàåòñÿ ðàìêàìè ëèíåéíûõ
ñòàöèîíàðíûõ ñèñòåì áåç çàïàçäûâàíèé è îãðàíè÷åíèé íà óïðàâëåíèå. Ïðèâîäèòñÿ èëëþñòðèðóþùèé ïðèìåð.
1. Ââåäåíèå
1.1. Ñîñòîÿíèå âîïðîñà
åøåíèå çàäà÷è èíâàðèàíòíîñòè ïîäðàçóìåâàåò îïðåäåëåíèå òàêîé ñòðóêòóðû è
ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ, ïðè êîòîðûõ êà÷åñòâî óíêöèîíèðîâàíèÿ ñèñòåìû íå çàâèñèò îò âîçìóùåíèé. Âïåðâûå íà âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ ñèñòåìû ðåãóëèðîâàíèÿ, èíâàðèàíòíîé ê ïðîèçâîëüíûì âíåøíèì âîçìóùåíèÿì, áûëî óêàçàíî
.Â. Ùèïàíîâûì [1℄. Ïîçäíåå òåîðèÿ èíâàðèàíòíîñòè ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ íà ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ, êîòîðûå îáëàäàþò íå÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ê âîçìóùåíèÿì ïàðàìåòðîâ ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè ñèñòåìû (ïàðàìåòðè÷åñêàÿ èíâàðèàíòíîñòü) [2, ñ. 12℄,
à òàêæå ñòàâèòñÿ çàäà÷à äâóêðàòíîé èíâàðèàíòíîñòè, ò.å. îäíîâðåìåííîé íå÷óâñòâèòåëüíîñòè ñèñòåìû ê ïàðàìåòðè÷åñêèì è âíåøíèì âîçìóùåíèÿì [2, ñ. 58℄.
Íà âçãëÿä àâòîðîâ, â ëèíåéíîé ïîñòàíîâêå â íàèáîëåå îáùåì âèäå çàäà÷à èíâàðèàíòíîñòè ïî âûõîäó ðåøåíà â [3℄. Ïóñòü ëèíåéíàÿ ñòàöèîíàðíàÿ ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ
ïðåäñòàâëåíà â ïðîñòðàíñòâå ñîñòîÿíèé â âèäå
(1)
(2)
(3)
ẋ = Ax + Bu + Sw,
y = Cx,
u = Kx,
x(t0 ) = x0 ,
ãäå x ∈ Rn , u ∈ Rl , y ∈ Rm è w ∈ Rs âåêòîðû ñîñòîÿíèÿ, óïðàâëåíèÿ, âûõîäà
è âîçìóùåíèÿ ñèñòåìû ñîîòâåòñòâåííî; êîìïîíåíòû âåêòîðà w ïðèíàäëåæàò êëàññó ïðîèçâîëüíûõ íåïðåðûâíûõ óíêöèé; A, B , S è C ìàòðèöû ñ ïîñòîÿííûìè
÷èñëîâûìè ýëåìåíòàìè ñîîòâåòñòâóþùèõ ðàçìåðîâ; K ìàòðèöà ñ ïîñòîÿííûìè
÷èñëîâûìè ýëåìåíòàìè, íàçûâàåìàÿ ðåãóëÿòîðîì.
 [3, ñ. 121℄ çàäà÷à èíâàðèàíòíîñòè ñòàâèòñÿ êàê îïðåäåëåíèå ðåãóëÿòîðà K ,
îáåñïå÷èâàþùåãî íåçàâèñèìîñòü âûõîäà ñèñòåìû îò âîçìóùåíèÿ. Îòâåò íà âîïðîñ î
ñóùåñòâîâàíèè òàêîãî ðåãóëÿòîðà ñîðìóëèðîâàí â âèäå òåîðåìû [3, . 125℄, ñîãëàñíî êîòîðîé ïðîáëåìà èíâàðèàíòíîñòè ê âîçìóùåíèÿì èìååò ðåøåíèå òîãäà è òîëüêî
23
òîãäà, êîãäà V ∗ ⊃ im S , ãäå V ∗ ìàêñèìàëüíîå (A, B)-èíâàðèàíòíîå ïîäïðîñòðàíñòâî, ñîäåðæàùååñÿ â ÿäðå ìàòðèöû C , im S îáîçíà÷åíèå îáðàçà S , ñèìâîëîì ⊃
îáîçíà÷åíî îòíîøåíèå âêëþ÷åíèÿ ïîäïðîñòðàíñòâ. Êðîìå òîãî, â [3, . 133℄ ïðåäñòàâëåíà ïðîöåäóðà ÷èñëåííîãî ðàñ÷åòà V ∗ , ïîçâîëÿþùàÿ ñîðìèðîâàòü óêàçàííîå
ïîäïðîñòðàíñòâî çà êîíå÷íîå ÷èñëî øàãîâ. Íî â [3℄ îòñóòñòâóþò1 â îáùåì âèäå àíàëèòè÷åñêèå âûðàæåíèÿ äëÿ ðåãóëÿòîðîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ èíâàðèàíòíîñòü ñèñòåìû.
Îïûò ðåøåíèÿ ïðèêëàäíûõ çàäà÷ ñèíòåçà ñèñòåì ïîêàçûâàåò, ÷òî, êàê ïðàâèëî,
íàðÿäó ñ îáåñïå÷åíèåì èíâàðèàíòíîñòè ê ñèñòåìå ïðåäúÿâëÿåòñÿ öåëûé ðÿä äðóãèõ
íåîòúåìëåìûõ òðåáîâàíèé:
• óñòîé÷èâîñòü ñèñòåìû â öåëîì (îòîáðàæåíèÿ A + BK );
• çàäàííîå êà÷åñòâî ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ âûõîäà ñèñòåìû;
• âîçìîæíîñòü ðåêîíèãóðàöèè ïðè îòêàçàõ áåç ïîòåðè êà÷åñòâà è ò.ä.
Åñëè â ðàìêàõ ðåøåíèÿ çàäà÷è èíâàðèàíòíîñòè ïîëó÷åíî âñå ìíîæåñòâî ýêâèâàëåíòíûõ ðåøåíèé, òî â äàëüíåéøåì ïðè íàëîæåíèè íà ñèñòåìó äðóãèõ òðåáîâàíèé
ìîæåò áûòü ïðîâåäåí èñ÷åðïûâàþùèé àíàëèç ïî âîçìîæíîñòè èõ óäîâëåòâîðåíèÿ.
Öåëü äàííîé ðàáîòû îïðåäåëåíèå íà îñíîâå àïïàðàòà ïåðåäàòî÷íûõ ìàòðèö
íåîáõîäèìûõ è äîñòàòî÷íûõ óñëîâèé èíâàðèàíòíîñòè ñèñòåìû (1)(3) ïî âûõîäó ê
âíåøíèì âîçìóùåíèÿì, àíàëèòè÷åñêîå îïèñàíèå íà îñíîâå ýòèõ óñëîâèé ìíîæåñòâà
âñåõ ðåãóëÿòîðîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ ðåøåíèå çàäà÷è èíâàðèàíòíîñòè. àáîòà îãðàíè÷èâàåòñÿ êëàññîì ëèíåéíûõ ñòàöèîíàðíûõ ñèñòåì, ïðåäñòàâèìûõ â âèäå (1)(3) áåç
çàïàçäûâàíèé è îãðàíè÷åíèé íà óïðàâëåíèå. Ïðîâîäèìûå èññëåäîâàíèÿ îñíîâàíû
íà èñïîëüçîâàíèè ðåøåíèé ëèíåéíûõ ìàòðè÷íûõ óðàâíåíèé ìåòîäîì êàíîíèçàöèè,
êîòîðûé ÿâëÿåòñÿ ñîñòàâíîé ÷àñòüþ òåõíîëîãèè âëîæåíèÿ ñèñòåì [4℄.
1.2. Ìåòîä êàíîíèçàöèè
 [4℄ êàíîíèçàöèåé íàçâàíî íå îáÿçàòåëüíî åäèíñòâåííîå ðàçëîæåíèå ëþáîé ìàòðèöû M ðàçìåðà m×n è ðàíãà r íà ÷åòâåðêó ìàòðèö, óäîâëåòâîðÿþùèõ ñëåäóþùåìó
ðàâåíñòâó â áëî÷íîé çàïèñè:
"
#
h
i fL
M
Ir
0r×(n−r)
R
r×m
R
f
M
=
,
M
M
L
n×(n−r)
n×r
0(m−r)×r 0(m−r)×(n−r)
M (m−r)×m
L
R
fL è M
fR ãäå M è M ëåâûé è ïðàâûé äåëèòåëè íóëÿ ìàêñèìàëüíîãî ðàíãà, M
ëåâûé è ïðàâûé êàíîíèçàòîðû, Ir åäèíè÷íàÿ ìàòðèöà ðàçìåðà r × r.
L
R
Ëåâûé M
ïðàâûé M
äåëèòåëü íóëÿ ìàêñèìàëüíîãî ðàíãà õàðàêòåðèçóåò
âñå ëèíåéíî çàâèñèìûå êîìáèíàöèè ñòðîê (ñòîëáöîâ) èñõîäíîé ìàòðèöû M
L
R
M M = 0(m−r)×n M M = 0m×(n−r) .
Ïðè ýòîì âñå ìíîæåñòâî äåëèòåëåé íóëÿ ïðîèçâîëüíûõ ðàçìåðîâ äëÿ ìàòðèöû M
îïðåäåëÿåòñÿ îðìóëàìè
L
{ML}ζ = ζM ,
R
{MR }ξ = M ξ
ñ ìàòðèöàìè ζ è ξ ðàçìåðîâ q × (m − r) è (n − r) × g ñîîòâåòñòâåííî ñ ïðîèçâîëüíûìè
ýëåìåíòàìè, ãäå q è g ëþáûå íàòóðàëüíûå ÷èñëà. Çäåñü è äàëåå â íèæíèõ èíäåêñàõ
ïðè èãóðíûõ ñêîáêàõ ìíîæåñòâ óêàçàíû âàðüèðóåìûå ìàòðèöû, ïîðîæäàþùèå âñå
ýëåìåíòû ýòèõ ìíîæåñòâ.
1
24
Ïîëàãàåì, ÷òî â òåðìèíàõ èíâàðèàíòíûõ ïîäïðîñòðàíñòâ ýòî ñäåëàòü âåñüìà ñëîæíî.
Òàáëèöà
Âèä óðàâíåíèÿ
Óñëîâèå ðàçðåøèìîñòè
íàçâàíèå
îðìóëà
Ëåâîñòîðîííåå
AX = B
A B=0
Ïðàâîñòîðîííåå
XC = B
BC
Äâóñòîðîííåå
AXC = B
A B = 0, BC
Ôîðìóëüíîå ïðåäñòàâëåíèå
L
R
L
R
{X}µ = A∼ B + A µ
{X}η = BC ∼ + ηC
=0
R
=0
R
L
{X}µ,η = A∼ BC ∼ + A µ + ηC
L
Ïðè ðåøåíèè ìàòðè÷íûõ óðàâíåíèé ìåòîäîì êàíîíèçàöèè èñïîëüçóåòñÿ ïîíÿòèå
ñâîäíîãî êàíîíèçàòîðà M ∼ , âû÷èñëÿåìîãî ïî îðìóëå
f RM
f L.
M∼ = M
Ñâîäíûé êàíîíèçàòîð õàðàêòåðèçóåò ñîâîêóïíîñòü ëèíåéíî íåçàâèñèìûõ êîìáèíàöèé ñòðîê è ñòîëáöîâ èñõîäíîé ìàòðèöû. ×àñòíûì ñëó÷àåì ñâîäíîãî êàíîíèçàòîðà
ÿâëÿåòñÿ ïñåâäîîáðàòíàÿ ìàòðèöà ïî Ìóðó Ïåíðîóçó [5, ñ. 500℄.
Ó îáðàòèìîé ìàòðèöû M äåëèòåëåé íóëÿ íåò, à ñâîäíûé êàíîíèçàòîð åäèíñòâåííûé è ñîâïàäàåò ñ îáðàòíîé ìàòðèöåé M −1 .
Íååäèíñòâåííîñòü ðàçëîæåíèÿ ìàòðèöû íà äåëèòåëè íóëÿ è êàíîíèçàòîðû ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ïðè åå ïðèìåíåíèè äîñòîèíñòâà äðóãèõ ìåòîäîâ. Òàê, íàïðèìåð,
äëÿ ìèíèìèçàöèè âû÷èñëèòåëüíûõ çàòðàò, êàíîíèçàöèÿ ìîæåò áûòü ëåãêî ïîñòðîåíà íà îñíîâå ìîäèèêàöèè àëãîðèòìà àóññà [4℄. Ïðè íåîáõîäèìîñòè ïîëó÷åíèÿ
íîðìàëüíîãî ðåøåíèÿ èëè äëÿ ïîâûøåíèÿ îáóñëîâëåííîñòè àëãîðèòìà ìîæåò áûòü
èñïîëüçîâàíî ñèíãóëÿðíîå ðàçëîæåíèå [5, ñ. 492℄, êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ ÷àñòíûì ñëó÷àåì
êàíîíèçàöèè.
 òàáëèöå ïðèâåäåíû óñëîâèÿ ðàçðåøèìîñòè è îðìóëüíîå ïðåäñòàâëåíèå ðåøåíèé ìàòðè÷íûõ óðàâíåíèé, èñïîëüçóåìûå â ñòàòüå. Èõ äîêàçàòåëüñòâà îïóáëèêîâàíû
â [4℄.  òàáëèöå áóêâàìè µ è η îáîçíà÷åíû ìàòðèöû òðåáóåìûõ ðàçìåðîâ ñ ïðîèçâîëüíûìè ýëåìåíòàìè.
2. Ïîñòàíîâêà çàäà÷è
Ïî îïðåäåëåíèþ èíâàðèàíòíîñòü âûõîäà y ñèñòåìû ïî îòíîøåíèþ ê ïðîèçâîëüíîìó âîçìóùåíèþ w ñâÿçûâàåòñÿ ñ âûïîëíåíèåì òîæäåñòâà
(4)
Fyw (p) = C(pIn − AΣ )−1 S ≡ 0,
ãäå AΣ = A + BK . Çäåñü Fyw (p) ïåðåäàòî÷íàÿ ìàòðèöà îò âîçìóùåíèÿ ê âûõîäó,
p ïåðåìåííàÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëàïëàñà. Ïðè ðåøåíèè ïðàêòè÷åñêèõ çàäà÷ ðåãóëÿòîð â ñèñòåìå (1)(3) ìîæåò îòñóòñòâîâàòü (K = 0) èëè áûòü çàäàí (ìàòðèöà K
èêñèðîâàíà).  ýòîì ñëó÷àå àíàëèç èíâàðèàíòíîñòè ñèñòåìû ê âíåøíèì âîçìóùåíèÿì ìîæåò áûòü ñâåäåí ê ïðîâåðêå ñïðàâåäëèâîñòè òîæäåñòâà (4). Ïðè áîëüøîé
ðàçìåðíîñòè ïðîñòðàíñòâà ñîñòîÿíèé çäåñü ìîãóò âîçíèêàòü òðóäíîñòè, ñâÿçàííûå ñ
íåîáõîäèìîñòüþ îáðàùåíèÿ ïîëèíîìèàëüíîé ìàòðèöû áîëüøîé ðàçìåðíîñòè. Íàèáîëüøèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò çàäà÷à ïîèñêà ðåãóëÿòîðà, îáåñïå÷èâàþùåãî ñïðàâåäëèâîñòü òîæäåñòâà (4) â ñëó÷àå, åñëè ïðè K = 0 îíî íå âûïîëíÿåòñÿ. Íåïîñðåäñòâåííî èñïîëüçîâàòü òîæäåñòâî (4) äëÿ ðåøåíèÿ â îáùåì âèäå òàêîé çàäà÷è
çàòðóäíåíî âñëåäñòâèå îïåðàöèè îáðàùåíèÿ ìàòðèöû. Òàêèì îáðàçîì, íåîáõîäèìî
íàéòè íåîáõîäèìûå è äîñòàòî÷íûå óñëîâèÿ, âûïîëíåíèå êîòîðûõ ãàðàíòèðîâàëî áû
ñïðàâåäëèâîñòü òîæäåñòâà (4) è êîòîðûå áûëè áû êîíñòðóêòèâíû äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è ñèíòåçà ðåãóëÿòîðà.
25
åøàåìóþ â ðàáîòå çàäà÷ó ðàçäåëèì íà äâå ÷àñòè:
1. Ç à ä à ÷ à à í à ë è ç à. Äëÿ ñèñòåìû (1)(3) ñ çàäàííûìè ìàòðèöàìè A, B, C, S
è K îïðåäåëèòü íåîáõîäèìûå è äîñòàòî÷íûå óñëîâèÿ èíâàðèàíòíîñòè ê âíåøíèì
âîçìóùåíèÿì â ñìûñëå âûïîëíåíèÿ òîæäåñòâà (4).
2. Ç à ä à ÷ à ñ è í ò å ç à ð å ã ó ë ÿ ò î ð à. Äëÿ ñèñòåìû (1)(3) ñ çàäàííûìè ìàòðèöàìè A, B , C è S îïðåäåëèòü íåîáõîäèìûå è äîñòàòî÷íûå óñëîâèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ
ðåøåíèÿ çàäà÷è ñèíòåçà ðåãóëÿòîðà K , îáåñïå÷èâàþùåãî èíâàðèàíòíîñòü ê âíåøíèì
âîçìóùåíèÿì â ñìûñëå âûïîëíåíèÿ òîæäåñòâà (4), à òàêæå îïèñàòü âñå ðåãóëÿòîðû,
ðåøàþùèå ïîñòàâëåííóþ çàäà÷ó.
3. åøåíèå çàäà÷è àíàëèçà
Ïåðåäàòî÷íóþ ìàòðèöó Fyw (p) ìîæíî ðàçëîæèòü â ðÿä ïî óáûâàþùèì ñòåïåíÿì
îïåðàòîðà p:
Fyw (p) = C(pIn − AΣ )−1 S =
n−1
X
i=0
1
pi+1
CAiΣ S +
1
CAnΣ (pIn − AΣ )−1 S.
pn
Òàêèì îáðàçîì, òîæäåñòâó (4) ýêâèâàëåíòíû óñëîâèÿ
(5)
CAiΣ S = 0,
i = 0, n − 1,
CAnΣ (pIn − AΣ )−1 S = 0,
îòêóäà ïðè i = 0 âûòåêàåò íåîáõîäèìîå óñëîâèå èíâàðèàíòíîñòè [3, . 127℄
CS = 0.
Ïîýòîìó âûïîëíÿåòñÿ ðàâåíñòâî
R
(6)
S = C χ,
ãäå χ íåêîòîðàÿ ìàòðèöà ñîîòâåòñòâóþùåãî ðàçìåðà. Èç àíàëèçà (6) ñëåäóåò, ÷òî
äëÿ èíâàðèàíòíîé ñèñòåìû âñåãäà âûïîëíÿåòñÿ ðàíãîâîå óñëîâèå
(7)
rank S ≤ rank C
R
= n − rank C.
Ñîðìóëèðóåì òåîðåìó, äîêàçàòåëüñòâî êîòîðîé ïðèâåäåíî â Ïðèëîæåíèè.
Ò å î ð å ì à 1.  ñèñòåìå (1)(3) ïðè çàäàííûõ ìàòðèöàõ AΣ , C è S îáåñïå÷èâàåòñÿ èíâàðèàíòíîñòü ê ïðîèçâîëüíûì âíåøíèì âîçìóùåíèÿì â ñìûñëå âûïîëíåíèÿ òîæäåñòâà (4) òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå2
R
(8)
L
C π S = 0,
ãäå π ìàòðèöà ìàêñèìàëüíîãî ñòîëáöîâîãî ðàíãà, óäîâëåòâîðÿþùàÿ óñëîâèþ
R
(9)
L
R
C π AΣ C π = 0.
2
Çäåñü è äàëåå ïîâòîðíàÿ ÷åðòà ñâåðõó îáîçíà÷àåò ïîâòîðíîå îïðåäåëåíèå ñîîòâåòñòâóþùåãî
äåëèòåëÿ íóëÿ ìàêñèìàëüíîãî ðàíãà îò êîìáèíàöèè ìàòðèö, ñòîÿùèõ ïîä ýòîé ÷åðòîé.
26
Èç àíàëèçà óñëîâèÿ (9) ñëåäóåò, ÷òî äëÿ èíâàðèàíòíîñòè ñèñòåìû òðåáóåòñÿ îáíóëåíèå îïðåäåëåííûõ êîìáèíàöèé ñòðîê è ñòîëáöîâ ìàòðèöû AΣ , çàäàâàåìûõ ìàòR
L
R
ðèöàìè C π è C π . Ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèÿ (9) òîæäåñòâî (4) âûïîëíÿåòñÿ äëÿ
ëþáîé ìàòðèöû S èç ìíîæåñòâà
(10)
R
{S}µ = C πµ
è äëÿ ëþáîé ìàòðèöû C èç ìíîæåñòâà
(11)
L
R
{C}η = ηC π ,
ãäå µ è η ìàòðèöû ñîîòâåòñòâóþùèõ ðàçìåðîâ ñ ïðîèçâîëüíûìè ÷èñëîâûìè ýëåìåíòàìè. Óñëîâèå (8) ïîçâîëÿåò ïðîâåðèòü ïðèíàäëåæíîñòü èêñèðîâàííîé ìàòðèöû S ìíîæåñòâó (10). Ìàòðèöà æå C èñõîäíîé ñèñòåìû (1)(3) âñåãäà ïðèíàäëåæèò
ìíîæåñòâó (11) â ñèëó îñîáåííîñòåé åãî îðìèðîâàíèÿ. Äëÿ äîêàçàòåëüñòâà ýòîãî
àêòà äîñòàòî÷íî çàïèñàòü óðàâíåíèå
(12)
R
L
C = ηC π
è ïðîâåðèòü óñëîâèå åãî ðàçðåøèìîñòè îòíîñèòåëüíî ìàòðèöû η . Â ñîîòâåòñòâèè ñ
òàáëèöåé òàêèì óñëîâèåì ÿâëÿåòñÿ
R
L
CC π
R
R
= CC π = 0,
êîòîðîå âûïîëíÿåòñÿ âñåãäà.
Ïðèâåäåì àëãîðèòì, ïîçâîëÿþùèé ñîðìèðîâàòü ìàòðèöó π ìàêñèìàëüíîãî ðàíãà, óäîâëåòâîðÿþùóþ óñëîâèþ (9), çà êîíå÷íîå ÷èñëî øàãîâ. Ñïðàâåäëèâîñòü àëãîðèòìà ñëåäóåò èç ïðîöåññà äîêàçàòåëüñòâà òåîðåìû.
1. Ïðîâåðÿåòñÿ óñëîâèå
(13)
CAΣ C
R
= 0.
Åñëè ýòî óñëîâèå âûïîëíÿåòñÿ, òî ïðèíèìàåòñÿ π = π0 = I(n−rank C) .
2. Åñëè óñëîâèå (13) íå âûïîëíÿåòñÿ, òî îïðåäåëÿåòñÿ ìàòðèöà
(14)
π1 = CAΣ C
R
R
.
Åñëè π1 = 0, òî ñèñòåìà íå îáëàäàåò èíâàðèàíòíîñòüþ, àëãîðèòì îñòàíàâëèâàåòñÿ.
 ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïðîâåðÿåòñÿ óñëîâèå (9) ïðè π = π1 .
3. Åñëè óñëîâèå (9) íà ïðåäûäóùåì øàãå íå âûïîëíÿåòñÿ, òî i óâåëè÷èâàåòñÿ íà
åäèíèöó è îïðåäåëÿåòñÿ ìàòðèöà i-é èòåðàöèè
(15)
R
L
πi = C πi−1 AΣ C
R
R
.
Åñëè πi = 0, òî ñèñòåìà íå îáëàäàåò èíâàðèàíòíîñòüþ, àëãîðèòì îñòàíàâëèâàåòñÿ.
 ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïðîâåðÿåòñÿ óñëîâèå (9) ïðè π = πi .
4. Àëãîðèòì îñòàíàâëèâàåòñÿ íà k -ì øàãå ïðè ïåðâîì âûïîëíåíèè óñëîâèÿ (9).
Ìàòðèöà π ìàêñèìàëüíîãî ðàíãà èìååò çíà÷åíèå πk .
Òàêèì îáðàçîì, ïðåäëàãàåìàÿ ìåòîäèêà àíàëèçà èíâàðèàíòíîñòè ñèñòåìû (1)(3) ïî âûõîäó ñâîäèòñÿ ê îïèñàííîìó âûøå èòåðàöèîííîìó àëãîðèòìó îïðåäåëåíèÿ ìàòðèöû π ìàêñèìàëüíîãî ñòîëáöîâîãî ðàíãà, óäîâëåòâîðÿþùåé óñëîâèþ (9), ñ ïîñëåäóþùåé ïðîâåðêîé óñëîâèÿ (8). Ïðè ýòîì íå òðåáóåòñÿ âû÷èñëåíèÿ
ñàìîé ïåðåäàòî÷íîé ìàòðèöû Fyw (p).
27
4. åøåíèå çàäà÷è ñèíòåçà ðåãóëÿòîðà
Ïðèìåíèì ïîëó÷åííûå âûøå ðåçóëüòàòû äëÿ ñèíòåçà ðåãóëÿòîðîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ äëÿ ñèñòåìû (1)(3) èíâàðèàíòíîñòü ê âîçìóùåíèÿì ïî âûõîäó. Ñîðìóëèðóåì
òåîðåìó, ñïðàâåäëèâîñòü êîòîðîé äîêàçàíà â Ïðèëîæåíèè.
Ò å î ð å ì à 2. Ñèñòåìà (1)(3) ïðè çàäàííûõ ìàòðèöàõ A, B , C è S îáëàäàåò
èíâàðèàíòíîñòüþ ê âîçìóùåíèÿì â ñìûñëå âûïîëíåíèÿ òîæäåñòâà (4) òîãäà è
òîëüêî òîãäà, êîãäà âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå (8), â êîòîðîì ìàòðèöà π óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèþ
(16)
L
L
R
B
L
R
C π B C π AC π = 0
è ñèñòåìà çàìêíóòà ëþáûì ðåãóëÿòîðîì èç ìíîæåñòâà
R
R ∼
L ∼
L
L
L
R
R
R
R
R
(17)
{K}χ,γ = − C π B
C π AC π C π
+ C π B χ + γC π ,
ãäå χ è γ ìàòðèöû çàäàííûõ ðàçìåðîâ ñ ïðîèçâîëüíûìè ÷èñëîâûìè ýëåìåíòàìè.
 êîììåíòàðèÿõ ê òåîðåìå 1 áûëî óêàçàíî, ÷òî äëÿ èíâàðèàíòíîñòè ñèñòåìû òðåáóåòñÿ òðèâèàëüíîñòü êîìáèíàöèè (9).  (16) ýòà êîìáèíàöèÿ ñëåâà óìíîæàåòñÿ íà
R
L
L
ìàòðèöó C π B . Òåì ñàìûì óñëîâèå (16) ðàñêðûâàåò âîçìîæíîñòü íåîáõîäèìîãî
äëÿ èíâàðèàíòíîñòè îáíóëåíèÿ êîìáèíàöèé ñòðîê è ñòîëáöîâ ìàòðèöû AΣ ïóòåì
ââåäåíèÿ â ñèñòåìó èñêóññòâåííûõ îáðàòíûõ ñâÿçåé.
Îïðåäåëåíèå ìàòðèöû π ìàêñèìàëüíîãî ðàíãà ïðîèçâîäèòñÿ ïî àíàëîãèè ñ àëãîðèòìîì, îïèñàííûì â ðàçäåëå 3. Îòëè÷èÿ çàêëþ÷àþòñÿ â òîì, ÷òî íà ïåðâîì øàãå
âìåñòî (13) ïðîâåðÿåòñÿ óñëîâèå
(18)
L
CB CAC
R
= 0,
ìàòðèöà π1 îïðåäåëÿåòñÿ íå ïî (14), à ïî îðìóëå
(19)
L
π1 = CB CAC
R
R
,
ìàòðèöà πi ïðè i > 1 îïðåäåëÿåòñÿ íå ïî (15), à ïî îðìóëå
(20)
R
L
R
L
R
L
πi = C πi−1 B C πi−1 AC
R
è âìåñòî óñëîâèÿ (9) ïðîâåðÿåòñÿ óñëîâèå (16).
Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ïðåäñòàâëåííàÿ çäåñü ìåòîäèêà àíàëèçà èíâàðèàíòíîñòè è
àëãîðèòì ÷èñëåííîãî ðàñ÷åòà V ∗ [3, . 133℄ äàþò îäíî è òî æå ðåøåíèå. Íî ïðîöåäóðà ÷èñëåííîãî ðàñ÷åòà V ∗ , â îòëè÷èå îò ïðåäñòàâëåííîé ìåòîäèêè, ïðèâîäèò ê
óâåëè÷åíèþ âû÷èñëèòåëüíûõ çàòðàò çà ñ÷åò ëèøíåé èòåðàöèè è èç-çà îïåðèðîâàíèÿ ìàòðèöàìè áîëüøèõ ðàçìåðîâ, òàê êàê ïðè ÷èñëåííîì ðàñ÷åòå íå èñïîëüçóåòñÿ
àíàëèòè÷åñêèé ìåòîä ðåøåíèÿ óðàâíåíèé.
5. àñïðîñòðàíåíèå ðåçóëüòàòîâ íà çàäà÷ó ïàðàìåòðè÷åñêîé èíâàðèàíòíîñòè
Ââåäåì îáîçíà÷åíèå
(21)
ρ = ∆A + ∆BK,
ãäå ∆A è ∆B ïîñòîÿííûå (ïàðàìåòðè÷åñêèå) âîçìóùåíèÿ ìàòðèö A è B ñîîòâåòñòâåííî.
28
Î ï ð å ä å ë å í è å . Ñèñòåìà (1)(3) îáëàäàåò ïàðàìåòðè÷åñêîé èíâàðèàíòíîñòüþ âûõîäà ê ïîñòîÿííûì âîçìóùåíèÿì ρ, åñëè âûïîëíÿåòñÿ òîæäåñòâî
(22)
Fyx0 (p) = C(pIn − AΣ )−1 ≡ C(pIn − AΣ − ρ)−1 ,
ãäå Fyx0 (p) ïåðåäàòî÷íàÿ ìàòðèöà îò íà÷àëüíûõ óñëîâèé ê âûõîäó.
Çàäà÷ó àíàëèçà ïàðàìåòðè÷åñêîé èíâàðèàíòíîñòè ñèñòåìû (1)(3) ìîæíî ñîðìóëèðîâàòü êàê îïðåäåëåíèå óñëîâèé, ïðè êîòîðûõ âûïîëíÿåòñÿ òîæäåñòâî (22) ïðè
èêñèðîâàííûõ ìàòðèöàõ AΣ , C è ρ. Çàäà÷à ñèíòåçà ðåãóëÿòîðà çàêëþ÷àåòñÿ â îïðåäåëåíèè óñëîâèé ñóùåñòâîâàíèÿ è îïèñàíèè âñåõ ðåãóëÿòîðîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ âûïîëíåíèå òîæäåñòâà (22) ïðè èêñèðîâàííûõ ìàòðèöàõ A, B , C è ρ.
Ïóñòü âûïîëíÿåòñÿ òîæäåñòâî (22). Óìíîæèâ (22) ñïðàâà íà îáðàòèìóþ ìàòðèöó
(pIn − AΣ − ρ) è âûïîëíèâ î÷åâèäíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ, ïîëó÷àåì
(23)
C(pIn − AΣ )−1 ρ ≡ 0.
Ñðàâíèâàÿ (4) è (23), ïðèõîäèì ê âûâîäó, ÷òî îïðåäåëåíèå óñëîâèé èíâàðèàíòíîñòè ê âíåøíèì è ïàðàìåòðè÷åñêèì âîçìóùåíèÿì ñâîäèòñÿ ê îäíîé è òîé æå ìàòåìàòè÷åñêîé çàäà÷å. Äëÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïîëó÷åííûõ âûøå ðåçóëüòàòîâ íà çàäà÷ó
ïàðàìåòðè÷åñêîé èíâàðèàíòíîñòè äîñòàòî÷íî â ñîðìóëèðîâàííûõ âûøå òåîðåìàõ 1
è 2 âìåñòî ìàòðèöû S èñïîëüçîâàòü ìàòðèöó ρ.
6. Ïðèìåð
Ïóñòü â ñèñòåìå (1)(2) ÷èñëîâûå ìàòðèöû èìåþò âèä
(24)
a1 0 a2 a3
0 a1 0 a4
A=
,
a5 a6 a7 0
a8 a8 a2 0
C = [ c c 0 −c ] ,
b1 b2
0 −b2
B=
,
0
0
b1 0
s1 0
−s1 0
S=
,
s2 s3
0
0
ãäå ai , bi , c è si íåðàâíûå íóëþ äåéñòâèòåëüíûå ÷èñëà.
Òðåáóåòñÿ ñèíòåçèðîâàòü ðåãóëÿòîðû, îáåñïå÷èâàþùèå èíâàðèàíòíîñòü ñèñòåìû
ê ïðîèçâîëüíûì âíåøíèì âîçìóùåíèÿì, à òàêæå îïèñàòü ìíîæåñòâî âîçìóùåíèé ρ,
ê êîòîðûì â ñèñòåìå ïðè ñèíòåçèðîâàííûõ ðåãóëÿòîðàõ îáåñïå÷èâàåòñÿ ïàðàìåòðè÷åñêàÿ èíâàðèàíòíîñòü.
å ø å í è å.
 ñîîòâåòñòâèè ñ ìåòîäèêîé, ïðåäñòàâëåííîé â ðàçäåëå 4, ïðîâåðÿåòñÿ óñëîâèå (18). Âõîäÿùèå â ýòî óñëîâèå ìàòðèöû èìåþò çíà÷åíèÿ
C
R
1
0
=
0
1
CAC
R
0
1
0
1
0
0
,
1
0
CB
L
=[ 0 0 ]
L
= 1,
= [ c(a1 − a8 + a3 + a4 ) c(a1 − a8 + a3 + a4 ) 0 ] .
29
Ïîñêîëüêó óñëîâèå (18) íå âûïîëíÿåòñÿ, íåîáõîäèìî ïî îðìóëå (19) âû÷èñëèòü
ìàòðèöó
L
π1 = CB CAC
"
#
1 0
= −1 0 .
0 1
R
R
= [ c(a1 − a8 + a3 + a4 ) c(a1 − a8 + a3 + a4 ) 0 ]
R
=
Ïðîâåðÿåì óñëîâèå (16) ïðè ðàâåíñòâå π = π1 :
1
R
−1
C π1 =
0
0
L
R
C π1
=
L
0 0
C π1 B =
= [1 0],
b1 0
L
R
R
0 0
C π1 AC π1 =
,
0 a2
R
R
L
L
0
0
,
1
0
L
L
R
L
R
C π1 B C π1 AC π1 = [1 0]
1 1 0 −1
0 0 0
1
0 0
0 a2
,
= [0 0].
Òàêèì îáðàçîì, óñëîâèå (16) âûïîëíÿåòñÿ. Òåïåðü ïðîâåðÿåòñÿ óñëîâèå (8)
R
L
C π S=
1 1 0 −1
0 0 0
1
s1 0
0 0
−s1 0
=
.
s
s3
0 0
2
0
0
åøåíèåì çàäà÷è ÿâëÿþòñÿ ðåãóëÿòîðû, îïðåäåëÿåìûå ïî îðìóëå (17). Çäåñü
èãóðèðóþò ìàòðèöû
R ∼ L ∼
R
0 1/b1
0 −1 0 0
C π1 B
=
,
C π1
=
,
0
0 1 0
0 0
R
L
C π1 B
R
=
0
1
,
ïîäñòàíîâêà êîòîðûõ â (17) ïðèâîäèò ê îðìóëå
0 0 a2 /b1 0
0
(25)
{K}χ,γ = −
+
[ χ1 χ2 χ3 χ4 ] +
0 0
0
0
1
γ11 γ12
1 1 0 −1
+
=
γ21 γ22
0 0 0
1
γ11
γ11
−a2 /b1
γ12 − γ11
=
,
γ21 + χ1 γ21 + χ2
χ3
γ22 − γ21 + χ4
ãäå γij è χi ëþáûå äåéñòâèòåëüíûå ÷èñëà.
30
Äëÿ îïèñàíèÿ ìíîæåñòâà ïàðàìåòðè÷åñêèõ âîçìóùåíèé ρ, äëÿ êîòîðûõ ïðè ëþáîì ðåãóëÿòîðå èç ìíîæåñòâà (25) îáåñïå÷èâàåòñÿ ïàðàìåòðè÷åñêàÿ èíâàðèàíòíîñòü,
âîñïîëüçóåìñÿ îðìóëîé (10), çàìåíèâ â íåé â ñîîòâåòñòâèè ñ ðàçäåëîì 5 ìàòðèöó S íà ρ
(26)
1 0 R
−1 0 µ11 µ12 µ13 µ14
{ρ}η = C πµ =
=
0 1 µ21 µ22 µ23 µ24
0 0
µ11
µ12
µ13
µ14
−µ11 −µ12 −µ13 −µ14
=
,
µ21
µ22
µ23
µ24
0
0
0
0
ãäå µij ïðîèçâîëüíûå äåéñòâèòåëüíûå ÷èñëà.
7. Çàêëþ÷åíèå
Íà îñíîâå ìåòîäà êàíîíèçàöèè ìàòðèö îáîñíîâàíû óñëîâèÿ èíâàðèàíòíîñòè âûõîäà ñèñòåìû (1)(3) ê ïðîèçâîëüíûì âíåøíèì âîçìóùåíèÿì. Ïðè çàäàííûõ ìàòðèöàõ A, B , C , K è S íåîáõîäèìûìè è äîñòàòî÷íûìè óñëîâèÿìè èíâàðèàíòíîñòè
ÿâëÿþòñÿ óñëîâèÿ (8) è (9). Çàäà÷à ñèíòåçà ðåãóëÿòîðà, îáåñïå÷èâàþùåãî äëÿ ñèñòåìû (1)(3) èíâàðèàíòíîñòü ê ïðîèçâîëüíûì âíåøíèì âîçìóùåíèÿì, èìååò ðåøåíèå
ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèé (8) è (16), à èñêîìîå ìíîæåñòâî ðåãóëÿòîðîâ ïðè âûïîëíåíèè ýòèõ óñëîâèé îïèñûâàåòñÿ (17). Ôèãóðèðóþùèå â óñëîâèÿõ (9) è (16) ìàòðèöû π ìàêñèìàëüíîãî ñòîëáöîâîãî ðàíãà îïðåäåëÿþòñÿ çà êîíå÷íîå ÷èñëî øàãîâ â
ñîîòâåòñòâèè ñ èòåðàöèîííûìè àëãîðèòìàìè (13)(15) èëè (18)(20). Ïîëó÷åííûå
ðåçóëüòàòû ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ íà çàäà÷ó ïàðàìåòðè÷åñêîé èíâàðèàíòíîñòè.
Ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ ñ èçâåñòíûìè ïîëîæåíèÿìè òåîðèè èíâàðèàíòíîñòè [3℄ ïîäòâåðæäàåò èõ äîñòîâåðíîñòü. Îñíîâíûìè îòëè÷èÿìè
ïðåäëîæåííîé ìåòîäèêè ÿâëÿþòñÿ ñíèæåíèå îáúåìà âû÷èñëèòåëüíûõ çàòðàò, à òàêæå àíàëèòè÷åñêîå îïèñàíèå âñåõ ðåãóëÿòîðîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ èíâàðèàíòíîñòü. Òàêîå îïèñàíèå ðàñøèðÿåò âîçìîæíîñòè äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ
ïðè ðåøåíèè ïðèêëàäíûõ çàäà÷ ñèíòåçà ñèñòåì.
ÏÈËÎÆÅÍÈÅ
Äîêàçàòåëüñòâî òåîðåìû 1.
Îáîçíà÷èì Sm ìàòðèöó S ìàêñèìàëüíîãî
ïîëíîãî ðàíãà, óäîâëåòâîðÿþùóþ (4). Â ñîîòâåòñòâèè ñ (6) ýòà ìàòðèöà îáÿçàòåëüíî
áóäåò îðìèðîâàòüñÿ ïî îðìóëå
R
Sm = C π,
ãäå π ìàòðèöà ìàêñèìàëüíîãî ñòîëáöîâîãî ðàíãà, óäîâëåòâîðÿþùàÿ ðàâåíñòâó
(Ï.1)
R
C(pIn − AΣ )−1 C π = 0.
Òîãäà âñå ìíîæåñòâî ìàòðèö {S}, äëÿ êîòîðûõ ñïðàâåäëèâî òîæäåñòâî (4), áóäåò
îïèñûâàòüñÿ (10). Óñëîâèåì ïðèíàäëåæíîñòè èêñèðîâàííîé ìàòðèöû S ñèñòåìû
ìíîæåñòâó (10) ÿâëÿåòñÿ ðàâåíñòâî (8). Òàêèì îáðàçîì, äîêàçàòåëüñòâî òåîðåìû
31
ñâîäèòñÿ ê äîêàçàòåëüñòâó íåîáõîäèìîñòè è äîñòàòî÷íîñòè óñëîâèÿ (9) äëÿ ñïðàâåäëèâîñòè ðàâåíñòâà (Ï.1). Çàìåòèì, ÷òî èìååò ìåñòî ðàâåíñòâî
L
R
L
C
R
(Ï.2)
R ∼ = C π ,
πL C
êîòîðîå ñëåäóåò èç îðìóëû äëÿ ëåâîãî äåëèòåëÿ íóëÿ ìàêñèìàëüíîãî ïîëíîãî ðàíãà
R
R
R
ïðîèçâåäåíèÿ äâóõ ìàòðèö [6℄ ïðè C
= 0 (C ìàòðèöà ïîëíîãî ñòîëáöîâîãî
ðàíãà, ïîýòîìó îíà íå èìååò ïðàâûõ äåëèòåëåé íóëÿ).
Ñíà÷àëà äîêàæåì äîñòàòî÷íîñòü óñëîâèÿ (9). Ïóñòü âûïîëíÿåòñÿ (9). Òîãäà ñïðàâåäëèâî ðàâåíñòâî
(Ï.3)
R
L
R
C π (pIn − AΣ )C π = 0.
R
Èç (Ï.3) ñëåäóåò, ÷òî îäíèì èç ëåâûõ äåëèòåëåé íóëÿ ìàòðèöû (pIn − AΣ )C π ÿâëÿR
L
åòñÿ ìàòðèöà C π . Ó÷èòûâàÿ ýòî è ðàñêðûâàÿ ëåâûé äåëèòåëü íóëÿ ïðîèçâåäåíèÿ
R
ìàòðèö (pIn − AΣ )C π [6℄, ïîëó÷àåì ñëåäóþùåå ïðåîáðàçîâàíèå ìàòðèö:
R
N (p)(pIn − AΣ )C π
L
R
L
R
L
= N (p)C π (pIn − AΣ )−1 = C π ,
R
L
ãäå N (p) îáðàòèìàÿ ìàòðèöà. Åå îáðàòèìîñòü ñëåäóåò èç òîãî, ÷òî ìàòðèöû C π ×
R
L
× (pIn − AΣ )−1 è C π èìåþò îäèíàêîâûå ðàçìåðû è ðàâíûå ïîëíûå ñòðî÷å÷íûå
ðàíãè. Íî òîãäà èìååò ìåñòî ðàâåíñòâî
R
L
R
R
L
R
N (p)C π (pIn − AΣ )−1 C π = C π C π = 0.
 ñèëó îáðàòèìîñòè N (p) ïîñëåäíåìó ðàâåíñòâó ñ ó÷åòîì (Ï.2) ýêâèâàëåíòíû ðàâåíñòâà
L
R
C
−1 R
(Ï.4)
R ∼ (pIn − AΣ ) C π =
πL C
"
#
R
C R ∼
=0⇔
(pIn − AΣ )−1 C π = 0,
πL C
R
òàê êàê ìàòðèöà C ÿâëÿåòñÿ äëÿ ìàòðèöû C ëåâûì äåëèòåëåì íóëÿ ìàêñèìàëüíîãî
ðàíãà (íî íåîáÿçàòåëüíî ïîëíîãî ðàíãà, òàê êàê C ìîæåò ñîäåðæàòü ëèíåéíî çàâèñèìûå ñòðîêè). Èç ïðàâîãî áëî÷íîãî ðàâåíñòâà (Ï.4) ñëåäóåò (Ï.1). Ñëåäîâàòåëüíî,
óñëîâèå (9) ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íûì äëÿ ñïðàâåäëèâîñòè (Ï.1).
Ïåðåéäåì ê äîêàçàòåëüñòâó íåîáõîäèìîñòè óñëîâèÿ (9) äëÿ ñïðàâåäëèâîñòè (Ï.1).
Ïîñòðîèì åãî òàê, ÷òîáû îäíîâðåìåííî îáîñíîâàòü àëãîðèòì îðìèðîâàíèÿ ìàòðèöû π ìàêñèìàëüíîãî ñòîëáöîâîãî ðàíãà, óäîâëåòâîðÿþùåé (Ï.1).
 ñîîòâåòñòâèè ñ (6) è (7) ìàòðèöåé π ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûì ðàíãîì áóäåò
îáðàòèìàÿ êâàäðàòíàÿ ìàòðèöà ðàçìåðà (n−rank C)×(n−rank C). Îáîçíà÷èì åå π0 .
Ïðè ìàòðèöå π0 óñëîâèå (Ï.1) ïðèíèìàåò âèä
(Ï.5)
32
C(pIn − AΣ )−1 C
R
= 0.
Âûïîëíåíèå (Ï.5) âîçìîæíî òîëüêî â ñëó÷àå, åñëè îäíèì èç ïðàâûõ äåëèòåëåé íóëÿ
R
ìàòðèöû C(pIn − AΣ )−1 ÿâëÿåòñÿ ìàòðèöà C
(Ï.6)
R
R
R
C(pIn − AΣ )−1 M0 (p) = (pIn − AΣ )C M0 (p) = C ,
ãäå M0 (p) îáðàòèìàÿ ìàòðèöà ñ äðîáíî-ïîëèíîìèàëüíûìè ýëåìåíòàìè. Èç (Ï.6)
ñëåäóåò ðàâåíñòâî
R
C(pIn − AΣ )C M0 (p) = CC
R
= 0.
Íî â ñèëó îáðàòèìîñòè M0 (p) ýòî âîçìîæíî òîëüêî â ñëó÷àå, åñëè
C(pIn − AΣ )C
R
= 0.
Îòñþäà ñëåäóåò ðàâåíñòâî
(Ï.7)
CAΣ C
R
= 0.
Ñëåäîâàòåëüíî, óñëîâèå
(Ï.7) ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì äëÿ ñïðàâåäëèâîñòè (Ï.5). Íî
äëÿ π = π0 π0 L = 0 óñëîâèå (Ï.7) ñîâïàäàåò ñ (9).
Åñëè óñëîâèå (Ï.7) íå âûïîëíÿåòñÿ, òî ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ðàâåíñòâî (Ï.1) âûïîëíÿåòñÿ òîëüêî äëÿ íåêîòîðîé ìàòðèöû π , ðàíã êîòîðîé ìåíüøå, ÷åì ðàíã π0 .
Îáîçíà÷èì ÷åðåç π1 ìàòðèöó ìàêñèìàëüíîãî ðàíãà, íî ìåíüøåãî ÷åì rank π0 , ïðè
êîòîðîé âîçìîæíî âûïîëíåíèå ðàâåíñòâà (Ï.1). Èç ïðàâîãî óñëîâèÿ (5) ïðè i = 1
ñëåäóåò, ÷òî òàêàÿ ìàòðèöà îáÿçàòåëüíî óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèþ
(Ï.8)
R
CAΣ C π1 = 0.
Òàê êàê (Ï.7) íå âûïîëíÿåòñÿ, òî π1 áóäåò èìåòü ìàêñèìàëüíûé ðàíã â ñëó÷àå, åñëè
(Ï.9)
π1 = CAΣ C
R
R
ϕ,
ãäå ϕ ëþáàÿ îáðàòèìàÿ ìàòðèöà ïîäõîäÿùåãî ðàçìåðà ñ ÷èñëîâûìè ýëåìåíòàìè.
Òåïåðü îñòàåòñÿ íàéòè íåîáõîäèìîå óñëîâèå äëÿ ñïðàâåäëèâîñòè (Ï.1) ïðè ðàâåíñòâå
π = π1 . Ïî àíàëîãèè ñ ïðèâåäåííûì âûøå àíàëèçîì ñïðàâåäëèâîñòè (Ï.5) èñòèííîñòü ðàâåíñòâà (Ï.1) îáåñïå÷èâàåòñÿ â ýòîì ñëó÷àå òîëüêî òîãäà, êîãäà
(Ï.10)
R
R
R
C(pIn − AΣ )−1 M1 (p) = (pIn − AΣ )C M1 (p) = C π1 ,
ãäå M1 (p) ìàòðèöà ñ äðîáíî-ïîëèíîìèàëüíûìè ýëåìåíòàìè, ðàíã è ðàçìåð êîòîðîé
ñîâïàäàþò ñ ðàíãîì è ðàçìåðîì π1 . Èç (Ï.10) ñëåäóåò öåïî÷êà ðàâåíñòâ
L
R
R
R
L
R
C π1 (pIn − AΣ )C M1 (p) = C π1 C π1 = 0.
Ïîñëåäíåìó ðàâåíñòâó ñ ó÷åòîì (Ï.2) ñîîòâåòñòâóþò ñëåäóþùèå äâà ðàâåíñòâà:
(Ï.11)
(Ï.12)
C
R
L
R
(pIn − AΣ )C M1 (p) = 0.
R ∼
R
L
π1
C
(pIn − AΣ )C M1 (p) = 0.
Èç (Ï.11) ñëåäóåò ñïðàâåäëèâîñòü ðàâåíñòâ
C
R
L
R
R
AΣ C M1 (p) = 0 ⇔ CAΣ C M1 (p) = 0,
2 Àâòîìàòèêà è òåëåìåõàíèêà, 2
33
è ïîýòîìó ñ ó÷åòîì íåâûïîëíèìîñòè óñëîâèÿ (Ï.7) ìîæíî çàïèñàòü ðàâåíñòâî
(Ï.13)
M1 (p) = CAΣ C
R
R
λ(p),
ãäå λ(p) îáðàòèìàÿ ìàòðèöà ïîäõîäÿùåãî ðàçìåðà ñ äðîáíî-ïîëèíîìèàëüíûìè ýëåìåíòàìè. Òåïåðü óìíîæèì (Ï.12) ñïðàâà íà îáðàòèìóþ ìàòðèöó λ−1 (p)ϕ. Ñ ó÷åòîì (Ï.9) è (Ï.13) ïîëó÷èì ðàâåíñòâî
R ∼
R
π1 L C
(pIn − AΣ )C π1 = 0,
ýêâèâàëåíòíîå ðàâåíñòâó (Ï.12) è ñïðàâåäëèâîå òîëüêî ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèÿ
R ∼
R
(Ï.14) π1 L C
AΣ C π1 = 0.
Çàïèñûâàÿ (Ï.8) è (Ï.14) â áëî÷íîì âèäå, ïðèõîäèì ê íåîáõîäèìîñòè óñëîâèÿ (9) â
ðàññìàòðèâàåìîé ïîñòàíîâêå (ò.å. ïðè íåâûïîëíèìîñòè óñëîâèÿ (Ï.7) è ïðè ðàâåíñòâå π = π1 ). Çàìåòèì, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå ðàñøèðÿåòñÿ ïîäïðîñòðàíñòâî âûõîäîâ, äëÿ
êîòîðûõ îáåñïå÷èâàåòñÿ èíâàðèàíòíîñòü: âûïîëíÿåòñÿ íå òîëüêî ðàâåíñòâî (Ï.1), íî
è ðàâåíñòâà (Ï.4).
Åñëè (9) íå âûïîëíÿåòñÿ è ïðè ðàâåíñòâå π = π1 , òî ñëåäóþùåé ìàòðèöåé ìàêñèìàëüíîãî ðàíãà, ïðè êîòîðîé âîçìîæíî âûïîëíåíèå (Ï.1), ÿâëÿåòñÿ ìàòðèöà π2 ,
îïðåäåëÿåìàÿ ïî îðìóëå
(Ï.15)
π2 =
"
C R ∼
π1 L C
#
R
AΣ C
R
κ,
ãäå κ îáðàòèìàÿ ìàòðèöà ïîäõîäÿùåãî ðàçìåðà ñ ïðîèçâîëüíûìè ÷èñëîâûìè ýëåìåíòàìè. Äàëåå äîêàçàòåëüñòâî âûïîëíÿåòñÿ ïî àíàëîãèè.  ðåçóëüòàòå ñïðàâåäëèâîñòü (Ï.1) áóäåò èìåòü ìåñòî òîëüêî òîãäà, êîãäà íàéäåòñÿ ìàòðèöà πi , îïðåäåëÿåìàÿ ïî îðìóëå
πi =
"
C
R ∼
L
πi−1
C
#
R
AΣ C
R
κ,
è äëÿ êîòîðîé âûïîëíèòñÿ óñëîâèå (9).
Ä î ê à ç à ò å ë ü ñ ò â î ò å î ð å ì û 2 . Èç òåîðåìû 1 ñëåäóåò, ÷òî äëÿ èíâàðèàíòíîñòè ñèñòåìû ê âîçìóùåíèÿì íåîáõîäèìî è äîñòàòî÷íî âûïîëíåíèÿ óñëîâèé (8) è (9).
àññìîòðèì óñëîâèå (9), ðàñêðûâàÿ îáîçíà÷åíèå AΣ = A + BK , êàê äâóñòîðîííåå
ìàòðè÷íîå óðàâíåíèå îòíîñèòåëüíî ìàòðèöû K . Óñëîâèÿìè åãî ðàçðåøèìîñòè â ñîîòâåòñòâèè ñ òàáëèöåé ÿâëÿþòñÿ
(Ï.16)
R
L
L
R
L
R
C π B C π AC π = 0
R
L
R
R
è C π AC πC π
R
= 0.
R
Íî ïðàâîå óñëîâèå â (Ï.16) âûïîëíÿåòñÿ âñåãäà, òàê êàê ìàòðèöà C π èìååò ïîëíûé
R
R
ñòîëáöîâûé ðàíã è ñïðàâåäëèâî ðàâåíñòâî C π = 0. Ïîýòîìó äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ
ðåãóëÿòîðà, îáåñïå÷èâàþùåãî ñïðàâåäëèâîñòü (9), íåîáõîäèìûì è äîñòàòî÷íûì ÿâëÿåòñÿ âûïîëíåíèå óñëîâèÿ (16). Ïðè âûïîëíåíèè (16) âñå ðåãóëÿòîðû, ÿâëÿþùèåñÿ
ðåøåíèåì óðàâíåíèÿ (9), â ñîîòâåòñòâèè ñ òàáëèöåé îïèñûâàþòñÿ îðìóëîé (17).
34
ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÀÒÓÛ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Ùèïàíîâ
.Â. Òåîðèÿ è ìåòîäû ïðîåêòèðîâàíèÿ àâòîìàòè÷åñêèõ ðåãóëÿòîðîâ // ÀèÒ.
1939. 1. Ñ. 4966.
Ñîâðåìåííûå ìåòîäû ïðîåêòèðîâàíèÿ ñèñòåì àâòîìàòè÷åñêîãî óïðàâëåíèÿ / Ïîä ðåä.
Á.Í. Ïåòðîâà, Â.Â. Ñîëîäîâíèêîâà, Þ.È. Òîï÷ååâà. Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1967.
Óîíýì Ì. Ëèíåéíûå ìíîãîìåðíûå ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ.
åîìåòðè÷åñêèé ïîäõîä. Ì.:
Íàóêà, 1980.
Áóêîâ Â.Í., ÿá÷åíêî Â.Í., Êîñüÿí÷óê Â.Â., Çûáèí Å.Þ. åøåíèå ëèíåéíûõ ìàòðè÷íûõ
óðàâíåíèé ìåòîäîì êàíîíèçàöèè // Âåñò. Êèåâ. óí-òà. Ñåð.: Ôèç.-ìàò. íàóêè. Âûï. 1.
Êèåâ: Èçä-âî Êèåâ. íàö. óí-òà, 2002. Ñ. 1928.
Õîðí ., Äæîíñîí ×. Ìàòðè÷íûé àíàëèç. Ïåð. ñ àíãë. Ì.: Ìèð, 1989.
Áðîííèêîâ À.Ì., Áóêîâ Â.Í., Çóáîâ Í.Å., ÿá÷åíêî Â.Í. Àëãåáðàè÷åñêèå îñîáåííîñòè
äèíàìè÷åñêèõ ñèñòåì â âèäå äåëèòåëåé íóëÿ èõ ïåðåäàòî÷íûõ ìàòðèö // Òåîðèÿ è ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ. 2004. 3. Ñ. 2638.
Ñòàòüÿ ïðåäñòàâëåíà ê ïóáëèêàöèè ÷ëåíîì ðåäêîëëåãèè À.Ï. Êóðäþêîâûì.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 16.02.2004
2
∗
35
0
You can add this document to your study collection(s)
Sign in Available only to authorized usersYou can add this document to your saved list
Sign in Available only to authorized users(For complaints, use another form )