控制理论中的代数基础
中科大的教材，属于基础类的数学课程，课本教材简单通俗易懂，望大家下载啊前言在自动控制专业中,线性代数或矩阵论是一个重要的数学基础.比如,矩阵范数、矩阵函数及矩阵微分方程是线性系统理论必不可少的预备知识,线性系统多变量频域法建立在多项式矩阵及有理分式矩阵理论基础上,现代鲁棒控制方法可以采用线性矩阵不等式工具来实现.即便刈于非线性系统,除了需要引入更深刻的数学工具之外,矩阵分析方法仍是不可或缺的手段因此,一些人学自动控制专业特别将矩阵分析纳入研究生课程体系,就是要在人学本科线性代数的基础上,进一步增加内容以符合控制相关学科的专业需求作者在中国科学技术大学自动化系从事“控制理论中的代数基础”教学多年从选择现成教材到开始自编讲义,讲义形式从电子版到胶印版,内容在不断扩充中现在讲义内容己超出60至80学时的教学量,教师可以选择一部分讲授,其余部分可以计学生自学或作为可随时查阅的参考书.本书涉及范围较广,编写中参阅了不少经典文献.编写风格上追求叙述简洁、注重逻辑体系严谨性.因篇幅所限及个人倾向性,本书很少讨论相关的计算方法,虽然算法问题也很重要.如果作为教学用书,教师可自行选择讲授范围并增加一些实例.本书也可作为其它专业研究生、工程师和科研人员的参考书.本书共分八章.第一、二章扼要介绍抽象代数基础.第三、四章讲述线性空间与线性映射,特别是不变子空间分解定理等.第五章从多项式矩阵入手,讨论多项式矩阵 Smith标准形和复矩阵 ordan标准形,并介绍投影矩阵、正规矩阵和Hermite二次型等.第六章介绍矩阵范数、矩阵级数和矩阵函数,并讨论线性系统的稳定性、可控性与可观性.第七章包括各类广义逆矩阵、矩阵方程及矩阵不等式.第八章讨论多项式矩阵的互质、分式矩阵的既约分解,以及线性系统的零极点与实现理论.在本书编写过程中,承蒙中国科学技术大学自动化系各位同仁的支持,特别是奚宏生教授、吴刚教授的鼓励与支持.在本书排版与定稿过程中,中国科学技术大学出版社张莹莹、沈轩和韩继伟等编辑提岀了宝贵意见并给予帮助.硏究生魏波、王兴虎和陈珊杰对书稿进行了仔细校对.作者在此一并深表感谢.限于作者水平书中不妥与错误之处在所难免,敬请读者批评指正.作者2008年春lI目录第一章集合、映射与关系31.1集合1.2映射习题1-11.3代数运算1267831.4代数关系31.5等价类10习题12第二章基本代数系统142.1群142.2环与域162.2.1环162.2.2域..19§23代数系的同态习题2-124子群与陪集习题22§25环的理想§2.6多项式环§27同态基本定理423602习题2-3第三章线性空间与线性映射44531线性空间44532线性空间的基与维数533线性映射.52习题3-15734商空间58535对偶空间目录3.6内积空间37酉变换习题3-2..第四章线性变换与空间分解75§41不变子空间7542特征值问题75§43投影算子77§4.4最小多项式§4.5空间互质分解844.6空间循环分解87习题4198第五章相似变换与酉变换1015.1多项式矩阵1012 Smith标准形10653 Jordan标准形110习题5-111854正交投影与正规矩阵.12055二次型127§5.6奇值分解134习题52..137第六章矩阵范数与矩阵函数14056.1向量范数14056.2矩阵范数.146563向量和矩阵的极限153§6.4特征值与谱半径的估计158习题6-1160§6.5矩阵幂级数16266矩阵函数.164§6.7函数向量或矩阵的微积分173§68常用矩阵函数176§6.9线性系统的稳定性、可控性与可观性179目录习题62187第七章广义逆矩阵、矩阵方程189§7.1广义逆矩阵..18987.2 Penrose- Moore厂义逆矩阵193§7.3 Drazin逆与群逆习题71....20374矩阵的 Kronecker积.20437.5线性矩阵不等式209习题72214第八章多项式矩阵与有理分式矩阵21581多项式矩阵的理想21582多项式矩阵的因子与互质.21683有理分式矩阵.22584有理分式矩阵的既约分解228习题8-1..23238.5系统矩阵的等价变换233§86线性系统的实现理论23987传递函数矩阵的状态空间实现与可控可观24288线性系统的零板点249习题8-225参考书目260索引261目录第一章集合、映射与关系在认识世界的过程中,我们常常倾向于从一些具体事件中归纳出有规律性的东西来.比如说,我们把数字与具体对象分离开来,得到初等数学中数的概念,并给予了加、减、乘、除等运算规律:在髙等数学里,我们知道对向量、矩阵、函数等可以进行类似的计算在数学上,往往重要的不是对象本身,而是对象之间的关系这样就把对象抽象成集合.一般代数(或抽象代数)的主要内容就是研究所谓的代数系统,即具有运算的集合.一般代数在数学的其它分支以及相关学科里都有重要的作用.本书的前二章对一般代数作一个初步介绍81.1集集合的概念大家以前在不同场合会遇到过,这里我们来回顾一下有关的定义及常用记号若十个(有限或无限)确定的事物的全体叫做一个集合,组成一个集合的事物叫做这个集合的元素.一个没有元素的集合称为空集.通常我们用大写字母A,B,C,表示集合,用小写字母a,b,c,表示集合的元素,用②表示空集面的二种方式都可以表示一个集合:A={a1,a2,}其中第一种方式可用来表示有限或可列集合,第二种方式可读为满足条件P(x)的所有x组成的集合若a是集合A的一个元素,就说a属于A或A包含a,用符号a∈A或A3a米表示;反之若a不是集A的元,就说a不属于A或A不包含a,用符号agA或Aa米表示若集合B的每一个元素都属于集合A,就说B是A的子集,用符号BcA或A>B表示;否则就说B不是A的子集,用符号BgA或AB表示.任集合A总可以空集和其自身A作为该集合的子集,这两个子集称为平凡子集由一个集合A的所有子集作为元素而构成的集合,称为集A的幂集.不难证明,如果集A是有限集,并具有n个元素则A的幂集将有2个元素.在这个意义上我们常将A的幂集记为24第一章集合、映射与关系若集合A和集合B所包含的元素完全相同,那么A与B实际上表示同一个集合,这时称A等于B,即A_B.显然有A=B→ACB,AB式中双向蕴含号“←→”表示其左右两边互为(充分必要的)等价命题下面对二个集合A,B定义一些常见的运算并集AUB={x:x∈A或r∈B}交集A∩B={x:∈A且r∈B}差集4B={x:x∈A且xgB}直积A×B={(x,y):∈A,y∈B}集合的并和父都满足结合律与父换律,并且并与父之间还符合分配律,即对任意三个集合A,B,C有Au(B∩C)=(AUB)n(AUC)A∩(BUC)=(∩B)∪(A∩C)在很多情况下,我们的矿究对象是限制在定的范围内,形成个基本集合(全集),我们感兴趣的是基本集合里的了集之间的关系.现设有基本集合E,以及其中的集合A(AcE),称差集EA为集A的补集(余集),记x=EA作为直积的一个例子,两个实数集R的直积为平面点集R2=R×R多个集合之直积可以类似地定义为41×A2×……An={(x1,x2,…,mn):x;∈A,=1,2,…,m}式中(x1,x2,,xn)是元有序组812映射我们知道,函数概念反映了数与数之间的对应关系,现在我们把函数意义推广一下,考查一般集合里的元素之间的对应关系定义1.21(映射)对于两个集合A和B,如果能够建立某种规则∫,使得对任给a∈A,存在唯一的元b∈B与之对应,记为f:a口b或f(a)=b,那么就称∫是由集A到集B的一个映射,记作∫:A→B或A→B,其中a和b可分别叫做映射f的原象与象
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基于fpga的自适应滤波器
关于自适应滤波器的fpga实现，对于想学数字滤波器的和fpga的同学来说非常好基于FPGA的自适应滤波器设计摘要数字滤波器较模拟滤波器相比,具有信噪比髙,过渡带性能好,髙可靠性及可扩展性,设计灵活方便的优势,应用范围越米越广。随着专用数字信号处理芯片的发展,数字滤波器的可实现性能以及处理速度得到了极大的提升,FPGA(现场可编程门阵列)作为一种新型数字信号处理芯片,具有数字信号处理速度快、数据并行处理并且利用硬件编程语言直接进行硬件设计等特点,自适应滤波器的FPGA设计以及优化方法,是目前的一个研究热点。本文对自适应滤波器进行 Matlab仿真,以对其结构特性以及运算特点进行了解,利用 Matlab生成测试信号与FPGA仿真软件 Modelsim进行联合设计以及行为仿貞,采用 Altera公司的 Cyclone IV系列芯片EP4CE15F17C8为载体的开发板进行设计仿真,在设计过程中,充分利用FPGA可以并行处理以及快速的数字信号处理的特点进行针对性的结构设计。在此基础上做了以下工作。在充分了解滤波器,自适应横向滤波器,自适应陷波滤波器以及FFT变换原理的基础上,选择并搭建∫设计平台,在目前自适应横向滤波器的FPGA设计的研究基础上,采用模块化的设计方法,单独设计可重复调用的串行FR滤波模块以及串行LMS杖值更新模块,对两种模块的设计以及综合分别进行了设计以及仿真实验,通过并行调川两种不同模块,每种调用四个的方式设计一个16阶的滤波器为例来阐述模块化设计方法,并设计32阶64阶分别与仝串行以及仝并行设计方式的处理速率以及逻辑资源调用进行比较,结果说明运算速率与并行调用模块数量成正比,远快于全串行结构的设计方式,并且对于64阶仝并行系统来说,极大的减少了硬件资源的消万方数据耗,提髙了设计灵活性。在此设计的基础上,针对传统自适应陷波滤波器的滤波频夲固定不变的缺陷,提出了一种频域变换法检测噪声特征频夲,并可以根据特征噪声频率实时改变陷波频率的滤波器设计方法,为了减小设计复杂性,研究了符号LMS自适应陷波器算法,通过 Matlab仿真实验选取符号的特征变量。并对噪声信号提取算法进行了介绍和设计仿真,最终设计出根据噪声频率自动调节陷波中心频率的自适应陷波滤波器,并对滤波器性能进行了 Modelsim仿真研究,自适应陷波器具有能有效的滤除对应频的单频噪声信号,并且根据噪声的频率特性自动调节滤波频率的特点。针对两种自适应滤波器的FPGA设计,体现了FPGA在自适应滤波器设计时灵活性以及针对性,两种不同类型的自适应滤波器,可以分别适用于普通数字滤波器无法有效发挥作用的场合,同时本文的设计方法对其它类型数字信号处理系统的FPGA实现具有一定参考价值关键词:现场可编程门阵列,自适应横向滤波器,模坎化设计,自适应陷波器万方数据DESIGN OF ADAPTIVE FILTER BASED ON FPGAABSTRaCTCompared with analog filter, digital filter has the advantages of high signalto noise ratio, good performance of transition zone, high reliability andexpansibility, flexible and convenient design and application With developmentof special digital signal processing chip, digital filter Can achieve performanceand processing speed has been greatly improved, the realization of the use of thebetter performance of digital chip design more complex filter, so that the adaptivefilter realization and application become possible, FPGA (field programmablegate array) is a new type of digital signal processing chip, with parallel processingof data and Can use hardware programming language directly the characteristicsof the hardware design, is currently a hot research topic for study of adaptive filteris implemented on FPgaThe matlab simulation of the adaptive filter to understand the characteristicsof the structure and opcration characteristics, and the use of Matlab generatingtest signals and FPGA simulation software Modelsim joint behavior simulation ofFPGa design, then to Altera cyclone Iv series chip ep4cel5f17c8 as the carrierof the development board for simulation design. in the design process, make fulluse of FPGa parallel processing and fast digital signal processing for structuraldesign On this basis, the following work has been doneThe filter needed to fully understand, adaptive transversal filter, adaptivenotch filter and Fft transform based on the principle of selection and build adesign platform, first in the basic research of current FPGA adaptive transversalfilter realization, using modular design method, the structure is divided into singleand serial FiR filter module serial LMS weight update module, the design of thetwo modules and integrated were designed, and simulation experiments, through万方数据the parallel call two different modules, each call the four way to design a 1 6 orderfilter as an example to illustrate the modular design method, and design of 32order and 64 order respectively with serial and the processing rate parallel designmethods and logic resources call were compared. The results show that theoperation rate and parallel call module is proportional to the number, far faster Inthe whole serial design mode, and for the 64 order all parallel system, greatlyimprove the design flexibility, reduce the consumption of hardware resourcesAfter the design on this basis, the traditional adaptive trapped wave filter, filterfrequency fixed defects, put forward a method of frequency domain transformdetection noise characteristic frequency, and can change in real time accordingto the characteristics of noise frequency trapped wave frequency filter designmethods, in order to reduce the design complexity and the sign LMs adaptivenotch filter algorithm, the characteristic variables of the symbol is determinedthrough the simulation experiment of Matlab. And the noise signal extractionalgorithm are introduced and the simulation design, the final design according tofrequency noise automatically adjust the trapped wave frequency adaptive notchfilter, and on the performance of the filters were Modelsim simulation researchthe adaptive notch filter has CaN effectively filter on the frequency of the singlefrequency noise signal, and does not affect the characteristics of waveforms usefulFor the fpga design of two based on the lms adaptive algorithm of filterreflecting the FPGa in the adaptive filter design flexibility and uniqueness, twodifferent types of adaptive filter can be respectively applicable to ordinarydigital filter Can not effectively play the role of occasions, also the designmethod of other types of digital signal processing system based on FPGaimplementation has a certain reference valueKEY WORDS: FPGA, Adaptive transversal filter, Modular design, Adaptivenotch filter万方数据目录摘要ABSTRACT··,··*···第·章绪论…1.1研究目的与意义1.1.1数字滤波器简介·················+··*····+··········*···:··.*····…···*········:··+*·········1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义·“中,非2国内外研究现状1.2.1自适应滤波器研究现状122自适应滤波器的FPGA实现研究现状·······申中···申1.3课题的主要研究内谷··B申61.3.1课题的主要工作1.3.2课题的研究实现方案…4本章小结第二章自适应陷波滤波器的原理以及实验平台2.自适应滤波器理论介绍·····中中·········中·中·"中··中·中····中····申2.1.1IR与FIR滤波器简介2.12LMS算法原理132.1.3自适应陷波器的原理15214FFT变换的原理··p··中··中··,和p申·和中中····中·申22设计平台介绍2022.1自适应滤波器的设计平台20222自适应陷波滤波器接2223本章小结24第三章自适应横向滤波器的FPGA实现..273.1自适应滤波器的 Matlab仿真研究…····中中中申·中申···申申p中申·中申··申p申中273.1.1自适应滤波器的功能仿真研究273.2自适应滤波器的滤波收敛性能研究方法…83.1.3自适应滤波器的收敛性能研究….30万方数据3.2自适应滤波器的FPGA模块化设计333.2.1自适应滤波器FPGA模块化设计原理333.22FIR串行模块的设计申·中p申申,申申申·申和中p申申非申·p;申p申·非申·申新申中和申p申和·申·申P申申·申申申p申p343.2.3LMS串行模块的设计35324自适应滤波器多级处理结构整体设计363.2.5结构特性分析393.3木章小结···非中中非第四章自适应陷波滤波器的FPGA设计41符号LMS算法的梯度特征值选择及系统结构设计.414.1.1符号LMS算法的梯度特征值选择4141.2FIR自适应陷波滤波器系统结构设计42噪声信号分析以及参考信号频率值提取……1464.2.1FFT变换的功能464.2.2FFT变换的参数介绍42.3 FFT IP核的调试以及功能测试……4842.4特征噪声频率提取算法.…43自适应陷波模块的设计非··申申中431自适应波器的 Matlab仿真43.2自适应陷波器FPGA设计时的数据截取方法554.3.3白适应陷波器模块的FPGA设计56434自适应陷波器的整体设计6044采用频域变换法自适应陷波器滤除工频噪声.44.1提高系统实时性的方法6144.2模拟与实验验证45木章小结·········65第五章总结与展望DD67参考文献致谢75攻读学位期间发表的学术论文目录77ⅤI万方数据太原理工大学硕上饼究生学位论文第一章绪论1.1研究目的与意义滤波器从1917年发明以米,已经有近一个世纪的发展史1,滤波器的发明也极大的推进了电了器件以及通信的发展。计算机技术以及集成电路的技术的发展又使滤波器产生飞跃式的发展,各科数字电路以及模拟开关电路元件体积越来越小,密度越来越高,直接催生了集成芯片式RC有源滤波器,开关电容滤波器以及数字滤波器。使滤波器的应用范围再一次扩大,不仅仅在通信领域,在医学,电气,图像处理等领域也起到了举足轻重的作用。1.1.1数字滤波器简介数字滤波器作为数字信号处理的一部分,是随着计算机以及数字器件的发展而发展起来的一门比较新的技术,尤其近几年来,数字处理芯片以及数字信号处理技术的发展使得数字滤波器的优点越米越突出,现代数字滤波器可以轻易实现将过渡带缩短到Iz以內,这点是模拟滤波器无法达到的性能指标。数字滤波器比模拟滤波器还有更优越的信噪比、可靠性以及灵活性和可扩展性,并且随着数字集成电路的发展,制作成本将会越来越低S。目前使用比较多的滤波器设计方法分别是无限冲击响应(IR)以及有限冲击响应(FR)波器,其屮由于FR滤波器可以很容易实现具有严格线性相位结构的滤波器,而IR滤波器要达到严格线性相位结构必须经过仝通网终线性相位矫正从而大大增加滤波器的阶数。FR滤波器由于其冲击响应有限,所以是个稳定系统。并且没有反馈环节,有利于其在使件上实现。所以FR滤波器以其独有的优势应用于线性相位结构的系统屮。近几年米,随着RLS以及LMS自适应算法的提出S,很多专家学者提出了利用自适应算法在数字系统上设计自适应滤波器,使滤波器的性能更加灵活,并且在对滤波器有特殊滤波要求的场合使用門,例如自适应陷波器常用在电气设备中滤除工频干扰而对其余频率信号几乎完全不产生影响,以及在通道失配屮采用自适应滤波原理进行矫正12,有些系统可以采用自适应算法达到抵消噪声千扰3,这些都是常规滤波器无法达万方数据基于FPGA的自适应滤波器设计到的性能指标。LMS算法以其简单的特性,可以在多和数字芯片上进行设计。尤其在FPGA上实现各种自适应滤波器14,是目前针对自适应滤波器方面的一个研究方向。1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义FIR与IR滤波器都是数字滤波器,即在数字系统上实现滤波器功能,而数字系统又分为软件数字系统实现以及硬件数字系统实现,软件数字系统实现最常用的例如使用MEATLAB或者 Labview进行编程实现15,其优点是可以自如的调节信号字长以及滤波步长,可以达到很高的精度,并且可以综合其它的处理功能为一体。缺点是接口比较单,必须接外置的采集卡,需要以计算机为载休休积往往很大。并且对信号的处理速度在相同糸件下要比硬件实现的滤波器系统要慢,并不能达到很好的实吋性,实际应用中只适用于屮、少量的数据后期分析以及对成本以及实时性要求不高的一些系统使用16。哽件芯片实现的数字滤波器实吋性要比PC杋软件好,并且硬件载体也比较多,如单片机、ARM类芯片,和专门用于数字信号处理的DSP芯片上均可以实现滤波器功能,但是其运算均为串行运算,(现场可编程门阵列)FPGA作为·种可编辑器件,不仅能实现上述所有芯片的功能,在资源配置合理的情况下,还能进行处理馍垬多重并行调用,即在个芯片上实现多个基本芯片同时处理的功能8,从而达到特别优异的数字信号处理功能,目前在图像处理等需要实时对大量数字信号进行滤波处理的领域,FPGA已经成为款不可或缺的芯片。但硬件设计数字滤波器的时候,山于数字滤波器的特殊性,在设计数字滤波器的时候,并没有现成的标准公式,这造成了很多数字滤波器并不能完全直接在硬件系统上实现,例如,FR数字滤波器,必须先利用软件工具得出FIR滤波器的各延迟抽头系数才能进行硬件设计,所以设计FIR滤波器的时候,是离不开计算机系统的,但是设计好的滤波器,可以脱离软件系统进行使用。由亍FR滤波器的本质就是一个标准的乘加运算集,恰好可以利用分布式算法实砚FIR滤波器,分布式算法的每个乘法运算屮必须有一个乘数为常数,这又与FPGA的基本逻辑单元査找表的功能相适应,利用査找表结构可以进行个常数乘数与·个变量相乘的运算,这样在实现FIR滤波器的时候,利用分布式算法,可以实现不使用或仅使用少量乘法器资源即可完成FR滤波器结构设计,FPGA的设计结构刚好与FIR滤波器的万方数据
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