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Aufgabenstellung:

Gegeben ist ein lineares zeitinvariantes System in der Zustandsdarstellung

wobei und gilt.

  1. Untersuchen Sie die Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit des Systems und des dazu dualen Systems .
  2. Transformieren Sie beide Systeme auf Diagonalform.
  3. Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion des primalen Systems und die des dualen Systems aus den Jordanschen Normalformen.
  4. Interpretieren Sie die bezüglich der Steuerbarkeit/Beobachtbarkeit erhaltenen Ergebnisse anhand der Übertragungsfunktionen.

Lösungsweg:

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Voraussetzung für Aufgabe a) - d) 

Zunächst wird zu dem gegebenen LTI-System

das duale System aufgestellt

Hierfür gilt der Zusammenhang

a) Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit

Primales System

Die Kalmansche Steuerbarkeitsmatrix für das primale System lautet

Das System ist offensichtlich vollständig steuerbar.

Aus der Kalmanschen Beobachtbarkeitsmatrix für das primale System folgt

Es kann sofort abgeleitet werden, dass das System nicht beobachtbar ist.

Duales System

Die Kalmansche Steuerbarkeits- und Beobachtbarkeitsmatrix lauten für das duale System

und

Wird die Beziehung zwischen primalen und dualen System eingesetzt, ergeben sich

und

Das duale System ist folglich nicht steuerbar, aber beobachtbar.

b) Transformation in Diagonalform

Primales System

Die Eigenwerte des Systems ergeben sich zu . Es folgen die Eigenvektoren aus

Die Transfomationsmatrix wird mit den Eigenvektoren aufgestellt

Für die Transformation in Diagonalform wird zusätzlich ihre Inverse benötigt.

Mit ergeben sich die transformierten Systemmatrizen

Duales System

Die Eigenwerte des dualen Systems entsprechen den Eigenwerten des primalen Systems und müssen daher nicht erneut bestimmt werden.

Analog zum primalen System werden die Eigenvektoren des dualen Systems und durch die Lösung des Eigenwertproblems bestimmt.

Mit , wobei gilt, werden die Matrizen des dualen Systems in Diagonalform transformiert

c) Bestimmung der Übertragungsfunktionen

Primales System

Die Übertragungsfunktion des primalen Systems

hat nur den Rang 1, während das System in Zustandsraumdarstellung die Dimension 2 hat. Es findet folglich eine Pol-/Nullstellenkürzung statt.

Duales System

Zur Berechnung der Übetragungsfunktion des dualen Systems wird die Definitionsgleichung betrachtet

Nun wird die Beziehung zwischen primalen und dualen eingesetzt

Für dieses System muss folglich gelten.

d) Interpretation

Da das System nicht vollständing steuer- und beobachtbar ist, entspricht der Nennergrad der Übertragungsfunktion nicht der Systemdimension. Welcher der beiden Eigenschaften nicht erfüllt ist, kann mit Hilfe der Übertragungsfunktion nicht nachgewiesen werden.

Lösung:

  1. Primales System: vollständig steuerbar, nicht beobachtbar 
    Duales System: nicht steuerbar, beobachtbar.

  2. Primales System: 


    Duales System: 

  3. siehe Musterlösung