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[现代控制理论2-5] 传点函数及系统零极点分析

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在经典控制理论中,传递函数是描述系统动态行为的重要工具。然而,零极点相消(Pole-zero cancellation)的现象会引发一些问题。当传递函数中的零点和极点相等并相互抵消时,系统动态可能无法完全通过传递函数表达,影响系统的能控性、能观性或两者。这意味着输入可能无法控制某些模态,输出可能无法反映某些状态,或者两者皆有。在连续系统的分析中,极点/零点的定位并不直接明了,尤其是通过状态空间表示与传递函数之间的关系。

对于状态空间描述,通过罗森布鲁克矩阵,我们可以从系统的状态信息推导出输入输出关系的传递函数。如果系统是MIMO的,我们需要计算系统的特征值,即极点,来了解系统的动态特性。系统极点的定义与系统矩阵的特征值问题密切相关,通过矩阵的逆或特征多项式来求解。

在SISO系统中,系统的极点和不变零点紧密相关。例如,一个自治系统中,如果初始状态不为零且输入为零,不变零点会在复平面上的特定点上,使得系统的状态与初始状态相关性不再满秩,即满足某些条件的复数点。

对于MIMO系统,输入等于输出数量时,不变零点的数量可以通过矩阵行列式的秩来确定。当系统极点和不变零点相同时,可能会影响传递函数阵的结构,导致解耦零点的出现,即输入或输出零点与不可控或不可观的极点相匹配。

传递零点和传递极点是SISO系统中的特殊情况,它们之间存在相互影响。传递极点是指在传递函数中未被抵消的系统极点,而传递零点是不变零点中未被抵消的部分。例如,一对相同的极点和零点在SISO传递函数中相互抵消,通过传递函数可视化,我们能理解这对极点和零点的关系。

对于MIMO系统,传递极点和传递零点的定义同样适用,但直接从传递函数阵中读取它们并不直接,需要通过其他方法,如B方法,来判断是否存在零极点相消。这表明,虽然零极点对消对MIMO系统的分析更为复杂,但传递函数仍然可以揭示系统某些重要的动态特性。

在系统设计中,零极点相消对稳定性有显著影响。系统极点,作为系统矩阵特征值,是稳定性分析的关键。通过Hautus准则,我们可以判断系统的可观性和可控性。如果系统存在不可控或不可观的极点,它们会在传递函数中与不变零点相互补偿,从而影响系统的整体性能。因此,理解零极点关系对于控制系统的分析和设计至关重要。