卡爾曼分解

卡爾曼分解（Kalman decomposition）是控制理論中的數學工具，可以將線性時不變（LTI）控制系統轉變為可以清楚區分系統可觀測及可控制成份的系統。分解後的系統會有更清楚的結構，更容易可以對系統可到達及可觀測子空間的特性下結論。

符號

推導方式在離散時間系統及連續時間系統都是一様的。連續時間線性系統可以表示如下：

${\dot {x}}(t)=Ax(t)+Bu(t)$

$\,y(t)=Cx(t)+Du(t)$

其中

$\,x$為狀態向量

$\,y$為輸出向量

$\,u$為輸入（或控制）向量

$\,A$為狀態矩陣

$\,B$為輸入矩陣

$\,C$為輸出矩陣

$\,D$為前饋矩陣

而離散時間線性系統可以表示如下：

$\,x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)$

$\,y(k)=Cx(k)+Du(k)$

各向量及矩陣的意思如上。因此，系統可以表示為包括四個矩陣的數組$\,(A,B,C,D)$。 令系統的階數為$\,n$。

卡爾曼分解定義為將矩陣數組$\,(A,B,C,D)$轉換為矩陣數組$\,({\hat {A}},{\hat {B}},{\hat {C}},{\hat {D}})$，且後者有以下的特性：

$\,{\hat {A}}={T^{-1}}AT$

$\,{\hat {B}}={T^{-1}}B$

$\,{\hat {C}}=CT$

$\,{\hat {D}}=D$

$\,T$為$\,n\times n$的可逆矩陣，可以定義為

$\,T={\begin{bmatrix}T_{r{\overline {o}}}&T_{ro}&T_{\overline {ro}}&T_{{\overline {r}}o}\end{bmatrix}}$

其中

• $\,T_{r{\overline {o}}}$的各行（column）會生成可到達，不可觀察的狀態子空間。
• 選擇$\,T_{ro}$ ，使得$\,{\begin{bmatrix}T_{r{\overline {o}}}&T_{ro}\end{bmatrix}}$的各行（column）是可到達子空間的基底。
• 選擇$\,T_{\overline {ro}}$ ，使得$\,{\begin{bmatrix}T_{r{\overline {o}}}&T_{\overline {ro}}\end{bmatrix}}$的各行（column）是不可觀察子空間的基底。
• 選擇$\,T_{{\overline {r}}o}$ ，使得$\,{\begin{bmatrix}T_{r{\overline {o}}}&T_{ro}&T_{\overline {ro}}&T_{{\overline {r}}o}\end{bmatrix}}$可逆。

依上述的建構方式，矩陣$\,T$可逆。可以觀察到其中有些矩陣可能會是零維度。例如，若系統有時有可觀察性及可控制性，則$\,T=T_{ro}$，其他的矩陣都是零維。

標準型

利用可控制性及可觀察性的結果，可以證明轉換後的系統$\,({\hat {A}},{\hat {B}},{\hat {C}},{\hat {D}})$有以下形式的矩陣：

$\,{\hat {A}}={\begin{bmatrix}A_{r{\overline {o}}}&A_{12}&A_{13}&A_{14}\\0&A_{ro}&0&A_{24}\\0&0&A_{\overline {ro}}&A_{34}\\0&0&0&A_{{\overline {r}}o}\end{bmatrix}}$

$\,{\hat {B}}={\begin{bmatrix}B_{r{\overline {o}}}\\B_{ro}\\0\\0\end{bmatrix}}$

$\,{\hat {C}}={\begin{bmatrix}0&C_{ro}&0&C_{{\overline {r}}o}\end{bmatrix}}$

$\,{\hat {D}}=D$

因此可得以下結論

• 子系統$\,(A_{ro},B_{ro},C_{ro},D)$具有可到達性及可觀察性。
• 子系統$\,\left({\begin{bmatrix}A_{r{\overline {o}}}&A_{12}\\0&A_{ro}\end{bmatrix}},{\begin{bmatrix}B_{r{\overline {o}}}\\B_{ro}\end{bmatrix}},{\begin{bmatrix}0&C_{ro}\end{bmatrix}},D\right)$有可到達性。
• 子系統$\,\left({\begin{bmatrix}A_{ro}&A_{24}\\0&A_{{\overline {r}}o}\end{bmatrix}},{\begin{bmatrix}B_{ro}\\0\end{bmatrix}},{\begin{bmatrix}C_{ro}&C_{{\overline {r}}o}\end{bmatrix}},D\right)$有可觀察性。

相關條目

• 可觀測性
• 可控制性

外部連結

• Lectures on Dynamic Systems and Control, Lecture 25（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） - Mohammed Dahleh, Munther Dahleh, George Verghese — MIT OpenCourseWare