Odvození pole Routh - Derivation of the Routh array

Pole Routh je a tabulková metoda umožňující jednomu zřídit stabilita systému využívajícího pouze koeficienty charakteristiky polynomiální. Středem pole návrh řídicích systémů, Routh – Hurwitzova věta a Routh pole se objeví pomocí Euklidovský algoritmus a Sturmova věta při hodnocení Cauchyho indexy.

Cauchyho index

Vzhledem k systému:



Za předpokladu, že žádné kořeny ležet na imaginární ose a nechat


= Počet kořenů se zápornými reálnými částmi a
= Počet kořenů s pozitivními skutečnými částmi


pak máme



Vyjadřování v polární formě, máme



kde



a



od (2) všimněte si toho



kde



Nyní, když ith kořen má pozitivní skutečnou část, pak (pomocí zápisu y = (RE [y], IM [y]))



a



a



Podobně, pokud ith kořen má negativní skutečnou část,



a



a



Zjistili jsme, že od (9) do (11) když ith kořen má pozitivní skutečnou část a od (12) do (14) to zjistíme když ith kořen má negativní skutečnou část. Tím pádem,



Pokud tedy definujeme



pak máme vztah



a kombinace (3) a (17) nám dává


a


Proto vzhledem k rovnici stupně musíme tuto funkci pouze vyhodnotit určit , počet kořenů se zápornými reálnými částmi a , počet kořenů s kladnými reálnými částmi.


Graf θ proti tan (θ)
Obrázek 1
proti


V souladu s (6) a obrázkem 1 je graf vs. , různé v intervalu (a, b) kde a jsou celočíselné násobky , tato variace způsobující funkci se zvýšil o , označuje, že v průběhu cestování z bodu a do bodu b, „skočil“ z na ještě jednou, než skočil na . Podobně, když se budeme lišit v průběhu intervalu (a, b) tato změna způsobuje snížit o , kde znovu je násobkem u obou a , to naznačuje vyskočil z na ještě jednou, než skočil na tak jako se v uvedeném intervalu měnila.


Tím pádem, je krát rozdíl mezi počtem bodů, ve kterém skočí z na a počet bodů, ve kterých skočí z na tak jako rozsahy v intervalu za předpokladu, že v , je definováno.


Graf θ versus −cotan (θ)
Obrázek 2
proti


V případě, že je výchozím bodem nesoulad (tj. , i = 0, 1, 2, ...) konečný bod bude také na nesrovnalosti, podle rovnice (17) (od je celé číslo a je celé číslo, bude celé číslo). V tomto případě můžeme dosáhnout stejného indexu (rozdíl v kladných a záporných skokech) posunutím os tangenciální funkce o , přidáním na . Náš index je tedy nyní plně definován pro jakoukoli kombinaci koeficientů v hodnocením za interval (a, b) = když náš výchozí (a tedy i koncový) bod není nesrovnalost, a to hodnocením



v uvedeném intervalu, když je náš výchozí bod v nesrovnalosti.


Tento rozdíl, , negativních a pozitivních nesrovnalostí při skákání, které se vyskytly při procházení z na se nazývá Cauchyův index tečny fázového úhlu, přičemž fázový úhel je nebo , v závislosti na je celočíselný násobek nebo ne.

Kritérium Routh

Abychom odvodili Routhovo kritérium, nejprve použijeme jinou notaci k rozlišení mezi sudými a lichými členy :



Nyní máme:



Proto pokud je dokonce,



a pokud je liché:



Nyní pozorujte, že pokud je liché celé číslo, pak (3) je zvláštní. Li je tedy liché celé číslo je také zvláštní. Stejný argument podobně ukazuje, že když je dokonce, bude rovnoměrné. Rovnice (15) ukazuje, že pokud je dokonce, je celočíselný násobek . Proto, je definováno pro sudý, a je tedy správným indexem, který se použije, když n je sudé, a podobně je definováno pro zvláštní, což je v tomto druhém případě správný index.


Tedy z (6) a (23), pro dokonce:



a od (19) a (24) pro zvláštní:



Lo a hle, hodnotíme stejný Cauchyův index pro oba:


Sturmova věta

Sturm dává nám metodu hodnocení . Jeho věta uvádí následovně:


Vzhledem k posloupnosti polynomů kde:


1) Pokud pak , , a


2) pro


a definujeme jako počet změn znaménka v pořadí pro pevnou hodnotu , pak:



Sekvence splňující tyto požadavky se získá pomocí Euklidovský algoritmus, což je následující:


Začínání s a a označující zbytek podle a podobně označující zbytek podle a tak dále získáváme vztahy:



nebo obecně



kde poslední nenulový zbytek, bude tedy nejvyšším společným faktorem . Lze pozorovat, že takto konstruovaná sekvence splní podmínky Sturmovy věty, a proto byl vyvinut algoritmus pro určení uvedeného indexu.


Je to v použití Sturmovy věty (28) na (29) pomocí výše uvedeného euklidovského algoritmu, kde je vytvořena Routhova matice.


Dostaneme



a identifikaci koeficientů tohoto zbytku do , , , , a tak dále, tvoří náš vytvořený zbytek



kde



Pokračování v euklidovském algoritmu o těchto nových koeficientech nám dává



kde opět označíme koeficienty zbytku podle , , , ,


takže náš vytvořený zbytek



a dává nám



Řádky pole Routh jsou určeny přesně tímto algoritmem, když jsou použity na koeficienty (20). Pozorování, které stojí za zmínku, je, že v běžném případě polynomy a mít jako nejvyšší společný faktor a tak tam bude polynomy v řetězci .


Všimněte si nyní, že při určování znaků členů posloupnosti polynomů že v dominující síla bude první člen každého z těchto polynomů, a tedy pouze tyto koeficienty odpovídající nejvyšším mocninám v , a , což jsou , , , , ... určit známky , , ..., v .


Takže máme to je je počet změn znaménka v sekvenci , , , ... což je počet změn znaménka v sekvenci , , , , ... a ; to je je počet změn znaménka v sekvenci , , , ... což je počet změn znaménka v sekvenci , , , , ...


Od našeho řetězce , , , , ... budu mít členů je jasné, že protože uvnitř pokud jde od na uvnitř nedošlo ke změně znaménka jít z na jeden má, a podobně pro všechny přechody (neexistují žádné podmínky rovné nule), které nám dávají celkové znaménkové změny.


Tak jako a a od (18) , máme to a odvodili Routhovu větu -


Počet kořenů skutečného polynomu které leží v pravé polovině roviny se rovná počtu změn znaménka v prvním sloupci schématu Routh.


A pro stabilní případ, kdy pak podle kterého máme Routhovo slavné kritérium:


Aby všechny kořeny polynomu abychom měli záporné reálné části, je nutné a dostatečné, aby všechny prvky v prvním sloupci Routhova schématu byly odlišné od nuly a stejného znaménka.



Reference

  • Hurwitz, A., „O podmínkách, za kterých má rovnice pouze kořeny se zápornými reálnými částmi“, Rpt. in Selected Papers on Mathematical Trends in Control Theory, Ed. R. T. Ballman a kol. New York: Dover 1964
  • Routh, E. J., Pojednání o stabilitě daného stavu pohybu. London: Macmillan, 1877. Rpt. in Stability of Motion, Ed. A. T. Fuller. London: Taylor & Francis, 1975
  • Felix Gantmacher (J.L. Brenner translator) (1959) Aplikace teorie matic, str. 177–80, New York: Interscience.