3. Obserwowalność

Rozpatrujemy następujący układ liniowy:

x˙=A⁢x⁢,⁢x⁢0=x0⁢,⁢y=C⁢x⁢,⁢t≥0⁢, (3.1)

gdzie x=x⁢t∈Rn, y=y⁢t∈Rm, A jest macierzą n×n oraz C jest macierzą m×n.

Problem 3.1

Zagadnienie obserwowalności (Observability question): dla zadanego y=y⁢t∈Rm odtworzyć x=x⁢t∈Rn, a w szczególności x0∈Rn.

Sens tego zagadnienia widać dla m<n: y to pomiary (obserwacje), z których należy odtworzyć wielowymiarowe x.

Definicja 3.1

Układ (3.1) nazywa się obserwowalny (observable), jeżeli dla rozwiązań x1, x2, z faktu, że C⁢x1⁢t=C⁢x2⁢t, dla t∈0,t1, wynika, że x1⁢0=x2⁢0.

Przykład 3.1

Jeżeli C=0, to układ nie jest obserwowalny. Jeżeli n=m i C jest nieosobliwa, to x⁢t=C-1⁢y⁢t i układ jest obserwowalny.

Twierdzenie 3.1

Dwa następujące warunki są równoważne

  • (a) układ (3.1) jest obserwowalny;

  • (b) rank⁢⁢CT,AT⁢CT,…,ATn-1⁢CT=n, czyli układ

    x˙=AT⁢x+CT⁢u (3.2)

    jest lokalnie sterowalny.

Dowód: [19], str. 25, [27], str. 117.

1. Dowód b ⇒ a, czyli ∼a ⇒ ∼b. Załóżmy więc ∼a, czyli, że układ (3.1) nie jest obserwowalny. Istnieją wówczas punkty x1,0,x2,0∈Rn, t.ż. x1,0≠x2,0,

x˙1=A⁢x1⁢,⁢x1⁢0=x1,0x˙2=A⁢x2⁢,⁢x2⁢0=x2,0 (3.3)

oraz y⁢t=C⁢x1⁢t=C⁢x2⁢t dla każdego t≥0. Niech

x⁢t=x1⁢t-x2⁢t⁢,⁢x0=x1,0-x2,0⁢. (3.4)

Stąd

x˙=A⁢x⁢,⁢x⁢0=x0≠0⁢, (3.5)

czyli x⁢t=et⁢A⁢x0. Mamy C⁢x⁢t=0 dla t≥0. Zatem

C⁢et⁢A⁢x0=0⁢,⁢t≥0 . (3.6)

Zatem dla t=0 otrzymujemy C⁢x0=0, następnie różniczkując względem t i wstawiając t=0 otrzymujemy, że

C⁢Ak⁢x0=0⁢,⁢∀k=0,1,2,…⁢. (3.7)

Stąd x0T⁢AkT⁢CT=0, a więc x0T⁢ATk⁢CT=0, czyli

x0T⁢CT,AT⁢CT,…,ATn-1⁢CT=0 . (3.8)

Ponieważ x0≠0, więc rank⁢CT,AT⁢CT,…,ATn-1⁢CT<n, co kończy dowód b ⇒ a.

2. Dowód a ⇒ b, czyli ∼b ⇒ ∼a. Załóżmy więc ∼b, czyli, że

rank⁢CT,AT⁢CT,…,ATn-1⁢CT<n⁢.

Zatem istnieje x0≠0, t.ż.

x0T⁢⁢CT,AT⁢CT,…,ATn-1⁢CT=0⁢,

czyli C⁢Ak⁢x0=0 dla każdego k=0,1,…,n-1.

Z twierdzenia Cayleya–Hamiltona wynika, że

An=-βn-1⁢An-1-…-β0⁢I

dla odpowiednich stałych β0,…,βn-1 (z wielomianu charakterystycznego).

Stąd C⁢An⁢x0=0. Następnie

An+1=-βn-1⁢An-…-β0⁢A⁢,

a więc C⁢An+1⁢x0=0. Kontynuując otrzymujemy C⁢Ak⁢x0=0 dla każdego k=0,1,…. Mamy

x⁢t=et⁢A⁢x0=∑k=0∞tk⁢Akk!⁢x0⁢,

skąd otrzymujemy C⁢x⁢t=0, a zatem układ (3.1) nie jest obserwowalny. To kończy dowód.

∎

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.