Формула Акерманна - Википедия - Ackermanns formula

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

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

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 такое, что любое государство может быть переведен в любое другое состояние . Имея это в виду, в систему можно добавить контур обратной связи с управляющим входом. , так что новая динамика системы будет

В этой новой реализации полюса будут зависеть от характеристического полинома из , то есть

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 , Такие как

куда - вектор обратной связи совместимых размеров. Формула Аккермана утверждает, что процесс проектирования можно упростить, вычислив только следующее уравнение:

в котором - искомый характеристический многочлен, вычисленный на матрице , и 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 дан кем-то

Расчет степеней приводит к

Замена предыдущих уравнений на дает

Переписывая приведенное выше уравнение в виде матричного произведения и опуская члены, которые не появляется единичных урожаев

От Теорема Кэли – Гамильтона, , таким образом

Обратите внимание, что это матрица управляемости системы. Поскольку система управляема, обратимо. Таким образом,

Найти , обе части можно умножить на вектор давая

Таким образом,

Пример

Учитывать[4]

Мы знаем из характеристического полинома что система нестабильна, так как , матрица будут иметь только положительные собственные значения. Таким образом, для стабилизации системы положим коэффициент обратной связи

Из формулы Аккермана можно найти матрицу это изменит систему так, что ее характеристическое уравнение будет равно желаемому многочлену. Предположим, мы хотим .

Таким образом, и вычисление матрицы управляемости дает

и

Также у нас есть это

Наконец, из формулы Аккермана

Рекомендации

  1. ^ Акерманн Дж. (1972). "Der Entwurf linearer Regelungssysteme im Zustandsraum" (PDF). В - Automatisierungstechnik. 20 (1–12). Дои:10.1524 / авто.1972.20.112.297. ISSN  2196-677X. S2CID  111291582.
  2. ^ Теория и дизайн современных систем управления, 2-е издание, Стэнли М. Шиннерс
  3. ^ Акерманн, Дж. Э. (2009). «Контроль расстановки полюсов». Системы управления, робототехника и автоматизация. Unbehauen, Хайнц. Оксфорд: Eolss Publishers Co. Ltd. ISBN  9781848265905. OCLC  703352455.
  4. ^ «Тема № 13: 16.31 Контроль обратной связи» (PDF). Web.mit.edu. Получено 2017-07-06.

Смотрите также

внешняя ссылка