固定模

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固定模(fixed mode)是分散控制系統研究中的一個重要概念,指系統中用常增益分散輸出反饋控制所不能改變的系統極點。固定多項式的根稱為固定模,固定模依賴於反饋信息結構,而與反饋增益陣的取值無關。固定模在分散控制系統中有極重要的作用,系統固定模在分散動態反饋中也不能被改變,它是集中系統不可控模和不可觀測模的推廣。

定義

考慮一個具有N個局部控制站的大規模線性時不變系統:

固定模 固定模
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式中:分別表示為系統狀態向量,第控制站的輸入向量和輸出向量。其原始系統的控制和輸出階次為m和 r ,由以下(3)給定

固定模 固定模
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和是具有相應階次的實常數矩陣。

分散鎮定問題就是要找出N個具有動態補償器的局部輸出控制規律:

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使整個系統穩定。式中是第 i 個補償器的輸出向量,是 i 控制器外部輸入向量, 矩陣分別為。或者說,分散輸出鎮定是要決定,使得由(1)和(2)所描述的閉環系統其極點在複平面預定的集合之中。

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定義1 考慮由(1)和(2)所描述的系統及整數。令的增益矩陣K代表下述對角方塊矩陣集合中的矩陣:

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這裡。那么系統對於 K的“固定多項式”就是對所有,多項式集合的最大公共因子,並用下式表示:

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定義2 對系統和由(4)所給定的輸出反饋的集合,那么對於 K的的 固定模的集合定義為矩陣特徵值所有可能集合的交集,即

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式中表示特徵值的集合。我們注意到,K可以取零矩陣,因此,固定模的集合包含於。根據定義(1),固定模即是式(5)中固定多項式的根,即

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{|和} (6)

式中S表示在整個S複平面上點的集合。

尋求固定模的方法

固定模 固定模

戴維遜用以下的算法,提供了快速尋求系統固定模的方法。

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步驟1 求所有A的特徵值,即。

固定模 固定模
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步驟2 選擇任意矩陣(用偽隨機數發生器或其它方法)使表示矩陣的範數。

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步驟3 求的特徵值。

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步驟4 對於 K的,即的固定模包含在與A的特徵值相同的特徵值之中。

步驟5 重複上述步驟4,直到止的固定模完全確定為止。

固定模 固定模
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可以證明:集中系統的固定模,這裡是,即相應於系統不可控和不可觀測的模。

有了固定多項式和固定模的概念之後,就可以導出分散閉環系統穩定的充分和必要條件。

相關定理

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定理1 對於式(1)和式(2)所描述的系統和式(4)那種類型的對角方決矩陣K, 若且唯若固定模的集合包含在S複平面的左半開平面,即

固定模 固定模
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式中表示S複平面的左半開平面,那么式(3)所表示的局部反饋規律才能使系統漸近穩定。

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