In d o n e sian   Jou r n al of  Ele c tr i c a l  En g in e erin g   a n d  C om pu t er S c ien ce   Vol.  17, No.  2, F ebruary 2020,  pp.  929~940  ISSN: 2502- 4752,  DOI :   10.115 91/ijeecs. v 17. i 2 . pp929-940     9 29     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i je ec s.iaesc o re .co m   D e sign of a Matlab toolbox and  GUI for minim al realizations        K a r i m Ch erifi,   Kamel Haric h e   Th e instit ute  o f  e l ectrical  and  elect ron i c en g i neerin g,  M ’h a m ed   B o u g a ra  U ni vers it y,  A lg eria       Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  M ay  2 6 , 2 019  Re vise d Ju l 2 7 201 9   Ac ce p t ed  Au g   1 1 ,  2 019      M i nim a reali zati o n   f o l i n ear  s ys tems  h as   b een  s t udied   e x t ensi vely  i the   literat u re.  Techni ques  proposed  d iff e i n   t erms  o f   the   configur at io o f   t h e   st ate  space  f o rm,  the  ti m e   e fficiency   o f   th alg o ri thm  and   t h re du c t io o f   m e m o ry  s to rage.  The  mi n i m a real izati o n   to o l b o p r es ent e i n   t h i s   p aper   o f f e r s  t h e  p o s s i b i l i t y  t o   t e s t  d i f f e r e n t  m e t h o d s  a n d   c h o o s e   t h e   m ost  su itabl f o r m  d e p e n d i n g   o n  t h e  a p p l i c a t i o n .  T h e  g i v en  s y s t e m   c a n  b e   r e p r e s en ted by   a   tran s f er f u n c t i on o r  by   raw (f req u en cy o r tim e dom ain) da t a. A   grap hical  us e in terf ace  (G UI)  was  im p l e m ent e in   o rd er  t eas the  us o f   t hi s   t o o l b ox  and  all o w to rapi d l y   t est the   meth ods an d   d is p l ay  t he  r es ults.   K eyw ord s :   Co mp ut e r -a i d ed  co n t r ol   Co nt rol   en gi n e e r i ng  M i n i m a l r ealiz a t i o n   S y stem  m odel l i n g   Co pyri gh t © 2 020 In stit u t of Advanced  En gi neeri n g  an d   Scien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   K a r i m   C h e r if i,   The  inst i t u t o f   e lectric a l  a n d   e lec t r o n i c   e ngi ne eri ng,   M’ham e Bo u g ar a U n i v e r s i t y ,     Inde pe n d e n ce  A ve nue 3500 0 ,  Boume r dès,  A lger i a .   Em ail:  cher i f ik a r imdz @gma i l . c om       1.   I N TR OD U C TI O N    M i n i ma l   r eali z a t i o an m ode re du ct io [1,  2]  a re  w i d e l use d   t o   o bt ai m a them at ical   repr esenta t i o n s   of  s y s t e m s  in  sta t e   spac e for m  with t he  s m a lle s t p o ss i b l e  n um ber  of sta te [3-7] .    M a n y   d efi n it ion s   h av b e en   g i v en  t o   re al i z ati o n s   but   g en era l ly  sp eaki n g ,   a   r ea l i z a tio n   i t h p r o c e s of  t rans f o r m in e x a c t l y   a   s yste from  i t fre que nc ba se d   t r ans f e fu n c tio G(s)  t o   time  b a se d   st at sp a ce  repr esentation (A, B, C, D)           X AX B U YC XD U    ( 1 )     Wh e r i s   t h e   i np ut   v e c t o re g r ou pin g   i n put s.  Y   i t h e   o u t p u vec t or  r e g ro up ing  w i t h   p   i np uts.  X   is  t he   s ta te  v e c t or  w i t dime nsi on  n.   A   i an   n × n   s ta te  m at rix.   B   i a n   n ×m   i np ut  m a t ri x.   C   i o u t p ut   ma trix.  D   is a p ×m  f ee dforw a rd m atrix.  A   m i n i m a l   r e a l i z a t i o n   i s  a  r e a l i z a t i o n   w i t h  a  m i n i m a l  o r d e r   n  c alle t h Mc Mil lia de gree .   A ll  min i ma re ali z a t i ons  a re   e qu i v ale n [ 3 ].  I is  w orth  n o tin g   t ha t   s t at spa ce  repr esenta t i o n   i min i m a l   rea l i z a t i o n   of  a  pr oper  ratio na l func t i o n   G (s) i f  an d   o nly  if ( A ,   B is  c ontro lla b l an d (A , C)  is  obser va b l e   [3] .   Bes i de  t i m reduc t i o n   i c o n t r o ller   a nd  ob se r v er  d esi g n s   [ 4 ,   5 ] minim a r ealiz a t i ons  i g e ne ral  ha v e   the   a dva n t a g e   of  r edu c i n th c o st  o i m p l em enta ti on  o f   t he   s ta te   s pac e   e qua tio ns  i t e rm of  e l e c t ron i com p o n e n t s D i ffe re nt  t ec h n i q ues  e x is t   for   minima r eal iza t i on.   E a c h   t echn i que   h as  i t s   a dva n t a g e s   a nd  i t s   di sa d v a n ta ges.   S ome   tec hni q u es  f oc use d   o ob ta in i ng  th sta t s pac e   r e pre s e n t a t i o n   i m i n i ma l   t i m e   a nd   other  focused  on  the  for m   o t h m a tric es  o t h s t a t e   sp a ce  re present a tio n.  D epe n d i n g   o t h ap p l i cati o n,  ti m e   e ffic ie nc y   or  c on f i g u ra t i on  of  t he  r esu l t i n g   m i n im al  r e a li z a t i on  ma be   p referr ed.  Th is  r e q ui r e to  h a v Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 250 2- 475 2   Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i , V o l .   1 7 ,   N o . 2, F e b ruary  20 20  : 929  -  940  93 0 to ol  t ha w o u l a l l o w   r e sea r che r a n e n g i ne ers  t o   e as i l y   com p u te  m i n i m a l   r ealiza tio n .   U to  n ow   s uch   com p le te t o o c oul not  b e f o un d   i n  the  l i t era t ure.   Ma ny  to ol b o x e ha ve   b ee i m plem en ted   t o   h e l p   re se arc h ers  a n d   en g i ne er i n   t he ir   w ork  [8- 1 4 ] .   Th is  M A TLA to o l bo for   m i nima l   r eal iz a t i o ca be   c om bine t o   oth e too l t o   d e s ig n   c ont ro ll ers  a nd  obs erve rs  i a n   e fficie n w a y.   A l t ho u g h   to olb o x   f or  m i n i m al   r e a l i z a t i on  w a pr esen ted   i n   t he   p as [1 5 ] ,   it   i inc o m p let e   a it  prese n ts   o n l o n me tho d   a nd  is  n o t   u se r   frien d l as  it  d o es  n o t   h a v a   grap hic a l   u se r   int e rf ace  (GUI).   I n   t h i p a pe r,  f irst,  the i m p l e m ented  mi n i m a r ealiza t i on  t e chn iq u e are   p r e s ent e d   th e o re t i cal ly t h en the  grap h i ca l   u s er   i n t erfac e   ( G U I )   is  p rese n t e d   a l ong  w i t h   i n d i v i dua l   func t i o n c o rr espo nd ing  t o   t he  d i ffe ren t   minim a rea liz ati o n   t e c h n i q u es.  F i n a l l y,   t he  G U I   i te ste d   u sin g   prac t i c al   a pp li cat ion s   a nd   d if fe ren t   tech n i q u es  a re  com par e d us in g the  min i ma l re aliz at i on t o olbo x.   I n   t he  b roa d   s ense rea l iz a tio ns  a im   t o b ta i n   s ys t e ms  i sta t e   s pac e   r ep re senta t i ons  e v e for   r a w   in put- o u t pu d a ta.   O n of  t h e   m ost   pr o m is i n m e th o d for  da t a   f r o m   reque nc d o ma in  a nd  t i m e   d om ain ,     a r e t h e   met h od s b a se d   on  Lowe n er  fram e work [6, 7 ] . These are al so pr e s e nted  a nd im p le ment ed  i n this  paper.   Th p r e s e n t e d   t o ol box   i v a lid   f o r   s ingl e   inp u t   si ngl e   ou tpu t   ( S I S O )   s y s t e m s   a s  w e l l   a s  m u l t i  i n p u t   mult i o u t p u t   ( MIMO syste m s.  I t is a lso  vali d for   cont i n uo us  t i m e   a nd di scr e te  tim s y s t em s.      2.   PROPO S E D  PROCEDURE S   The r e x i s t   m a ny   m inim al   r ea li z a t i on   t e c h niq u e s   [ 16-1 8 ] .   I t h i pa pe w e   d is t i n g u is t w ma in   c a t e go ri e s :   re al i zati o n   fro t r a n sf er  f un ct ion   a n d   rea l i z a t io ns  from   da ta.  I n   t hi sect io n,  w e   present  t h e   the o re tica l   b as i s  for  the  m e t h o d s im p l em ente d in  t he  t oo lb o x .   I n   1 9 6 3 ,  G i l b e r t  p r e s e n t e d  a  m e t h o d   b a s e d   o n  t h e  p a r t i a l   f r a c t i on   o t h t r an sf e r   f un ct io [1 9 ] .   A ltho u gh  t h is  m etho is  i n t er est i n g   i term of  t he  r esu lti n g   c o n f i g u r a t i o n ,  i t   i s  n o t  g e n e r a l  b e c a u s e  i t   i s  n o t   app l icab le  t re peate d   p o l es.   Thus,   th i s   m eth o d   w ill  n o t   b de t ai le he r e A nothe po pu l a m e th od  i s   t he   K a lm an  d e c o mpos it ion  m e t h o d The   goa l   of  t h i me tho d   i to  o bt a in  a   m i n im al  r e a l i z a t i on  g i ve no n- minim a re aliz ati o n.  O t h e r   m eth o d base o n   t he  H a n kel  m a trix  w e r presen te in  t he  f o l low i n g   y ea r s We  prese n t   he re  t w o   m e t ho ds  b a s e d   o n   t h H a n k e l   m atr i x:  t he   S in gu l a r  v a l u e  d e c o m p o s i t i o n  ( S V D )  m e t h o d  a n d   the r o w   sea r chi ng m e th o d F i nall y,  m e t hods  b ased  o n copr i m fra ctions  o f t h trans f e r  fun ctio are   pre s e n te d.   C once r n i ng  th e   rea l iz a tio ns  f rom  data,  w e   p re sen t   t w o   m e t h ods  b a s ed  o t h L o ew ner   m a trix.  One   me tho d   i a   r e aliz at i on  fro fre que ncy  doma i da ta   w hi le  t he   o t h e one  i r e a l i z at i o fr om   t im e     doma i n   da ta.     2.1.   Kalm an  D e c omp o si t i on   Th Ka l m a n   d e c o mp osi t i o n   me t h od  [2 0 ]   i a n   i nd i r ec me t hod   w hi c re qu ire s   t o   have   f irst  a   n o n - mi n i mal   re a l i zat ion   to   b e   ab le   t o   co mpu t t h min i ma l   real i zati on.   O nc rea liz a tio n   is  o b t ai ne d,  K alm a n   dec o mp os i t i o n is use d to se p a r ate  the s y stem  in t o fo ur  p ar t s :   a)   A   c ont r o lla ble   and  o b se rva b le   p art  (c- o ).  b)   A   non- co n t roll a b l e  an d   o bserva ble   par t   ( nc- o ).   c)   A   c ont r o lla ble   and  n o n -o bserva ble   par t   ( c- no).  d)   A   non- co n t roll a b l e  an d   n on- o b serva b le  par t   (nc- no).  K a lma n   d ec o m pos i t i on  is  o b t a i ne usi ng  a   si m i l a ri ty  t r a nsform at i o n.  A fter  K a l ma de com p o s it io n,  the o b t ai ne sy ste m   i i n   t he f orm:     14 12 13 24 34 00   0 0                 0 00 00 00 ˆˆ ˆˆ cn o cn o co co co n c o nc no nc o A AB AA A AB A BC C C D D A A A                 ( 2 )     S i n c e   by   d e f i n iti o n   a   minimal   re al i zati o n   is  c ont rol l a bl e   and   o bserv a ble,  o n l tha t   p art  i s   k ep t.    U s ing  t h e form  (2), the  m i n im al r ealiza t i o n is  give n   b y (3) :           co c o co X AX B U YC X D U     ( 3 )     Th ma in   a dva n t ag of   t hi fo rm  i th e   a b il i t y   t o   u se   i t   wh en   t he  g ive n   s ys tem   is   a l r eady   in   s ta te   space  form  bu it   i n o t o f   m in ima l  orde r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i    IS S N : 2502- 47 52       D e sig n  o f   a Mat l ab t o olb o x  a nd G U I  for m i nim a l re al izat i ons (K ar i m   Che r ifi)   93 1 2.2.   Han k e l  Mat ri x an d   S VD  The   H a nke l m a tri x  is de fi ned   a s :              1          2 2         3 1 12 2 12 1 HH H r HH H r T Hr Hr H r Hr Hr H r             ( 4 )     wher e H(i) are Mark ov  p a ram e te rs which  c a n   b com p u t e d  fr o t h e  tra nsf e funct i on a s :     12 ( ) ( 0 ) H ( 1 ) s ( 2 ) ..... Gs H H s    ( 5 )     Fo r   SI SO   s y s t e ms   H ( i )   i s  j u s t   a   s c a l a r .   T h eorem   1:  A stric tly  pr op er rat i on a l  fu nc t i o n  G ( s) has de g r e e   n if a nd o n l i f     ran k {T (n, n ) } =ran k{T ( n+k, n+l)} for eve ry  k ,  l = 1,2…     P r oof  o f t h e o r e m   1: [3].  The r e x is m a ny   m eth o d ba se o n   t he   H an kel   ma tri x .   We   p re se n t  h e r e   t w o   m e t h o d s :  o n e   b a s e d  o n   the S V D   a nd the  othe r one  o row   se arc h in g.   I n  the  f irs t   m etho d, the  si ngu l a r   value   dec o mpos i tio o f  t he  H a nke ma t r i x   ( 4)  i com pute d :     0 00 T TK L     ( 6 )     By   d efi n it ion , K  a n d   T L are   o r t h o gon al   a nd   12 d iag   , , , n    w h e r e   i  a r e  t h e  s q u a r e  r o o t s   of  t he  p osit iv eige n v al ues  o f   T TT The r a nk of T   can  b e de duc e d   f rom   theor e m   1.  Let  K   d e n ot t h f i rst   n   co lumn s   of   K   a nd  T L   d enot the  first  r o ws   o f T L T h e n   T  c a n   b e   dec o mp ose d   a s:     1/ 2 1 / 2  : O TT TK L K L   ΛΛ Λ  ( 7 )   wher 1/ 2 OK Λ   a nd  1/ 2 T L Λ .  Is t h e c ont rol l a bi li ty  ma t ri x   a n d   is  O   t he  o bser va b ili ty m atri x.  The   re sult in g m i ni m a l r ealiz a tio i s   g ive n  b y:     A OT    (8)       B F i r s t   colum n s   of    ( 9 )     C F i r st   q   c olum ns  o O  ( 1 0 )     (0 ) DH   (1 1 )     Th is m i n ima l  r ea li z a t i on  is a l s o c a lle d ba l a n ced rea l i z a t i on  be ca use   t h con t ro ll ab il i t y   m a t r ix    and  t h e   ob serv abil it y   ma t r ix   O sa tisfy:     '' OO  ( 1 2 )     A   m odifie d  ver si on  of th i m e th o d   i s use d  in  mode l   red u c t i o n.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 250 2- 475 2   Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i , V o l .   1 7 ,   N o . 2, F e b ruary  20 20  : 929  -  940  93 2 2.3.   Han k e l  Mat ri x an d   R o w   S e arc h in g   Th is  m eth od  c ons is t s   o sea r chi n for   l i n e arly  d e p en de n t   r ow ( c o lu mn s)  i n   th Han k e l   ma t r ix .   Be ca use   of   t he   s truc t u re   o t h H a nke l   ma t r ix  a nd   t he ore m   1 i f   one   r ow   i b l oc k   r o w   i s   l i n ea rl depe nde n t   on i t s pre v i o u s  r ow s, the n   it   i als o  li n ear ly  d e p en de nt   o n t h e  s u b s e qu en t   r o w s  i n   t h s a me  b l o ck   r o w .   Let    i be  t he  n u m be of  line a rly   i n depe nde n t   r ow i n   a   b l o ck   r ow   i   w h e re  i =1,  2…,  a.  E ach  prima r l i ne ar ly  d e p e nde n t   r o w   i a   gi ve b l oc row   w i l l   b w r i tte as  a   l i n ea com b i n a tio o f   i ts  p re vio u bl oc r o w s A   pr i m ar l i n ear ly  d e p e n d e n t   r o w   i t h e firs l i nea r l de pe nd e n r o w   i n   a   g i v en  b loc k   r ow A t   t he   end,   t he   outc o m e   o f   the   r o w   sea r ch in a l g o ri thm  w i l l   b e   t h c o e f f i c i e nt co rre s po ndi n g   t th p r i m a r y   line a rl y de pen d en t r o w s         11 1 1 1 1 2 2 1 2 1 1 22 22 2 11 1 2 2 2 11   0 0   00 0   0   00 0 1 1 0 0   0   0 0        10 1 0 0 1   1  0 qq q q q q q q q q ka a ka a a a ka a a a a a                ( 1 3 )     Su c h  t h a t 0 i kT A   m i nim a l r eal iza t i on  is gi v e n   by:      1 11 1 2 21 22 2 12 0        0 0 0       0              0 qq q q q q h Ab h AA b AB D AA A b h            ( 1 4 )        0                 1   0 0                  0 0 0                  0 0 0                  0 0           ,           00 1 0 00 12 12 ij ij ij ij ij i ij i j ij j for i j A for i j A aa a aa a               ( 1 5 )       1 1 1 1 2 i i i ii h h b h          ( 1 6 )     F o r all   i.   The   m a trix C i s c o mpu t ed  a s:     12 10 0 0 0 0   0 0 0 00 0 1 0 0   0 0 0                00 0 0 0 0 1  0 0 q Cq                          ( 1 7 )     for i=1, 2…,  q,   and  if   0 i Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i    IS S N : 2502- 47 52       D e sig n  o f   a Mat l ab t o olb o x  a nd G U I  for m i nim a l re al izat i ons (K ar i m   Che r ifi)   93 3 If   0 i   f or   s ome   i   t h e n   t he   i t h   r ow   i t h (i- 1 fi r s bl oc c o l u mns   w il be   c on st itu t e d   fro m    ij av   w here  j is  t h e   num ber  of t he  bl o c k  c olum a nd     1 , 2 , j v    2.4.   C o p r ime  Frac t i on G i ve n   copri m e right  f ra ct ion  G ( s):       1 RR Gs N s D s  ( 1 8 )     I f  the  f ra ct io n i s  col um n re duc ed  t he n D ( s)  and   N (s)  ca n be w ri tte n a s :        hc lc D sD H s D L s   ( 1 9 )       lc N sN L s  ( 2 0 )     wher 11 1 1 1 0 0 () ()     01 0 uu up up s ss Hs L s s s s                       ( 2 1 )     hc D ,   lc D  and  lc N  ar e  c onsta nt   m a t rices.   i Is the  c ol umn  de gre e  of D ( s) for  i= 1 ,   2. .., p.  I t   w as  p roven  [21] t hat  if a  sys t e is  c on tro l lab l e a n d ob ser v a b l e t h en :   1 1 ()( ) nr h r IA B L s D    ( 2 2 )     1 rh c BD   (2 3 )     A nd  b y  def ini t i on:       1 1 () ( ) RR n Gs C I A B N s D s   ( 2 4 )     Re plac ing   ( 2 2 )   and  (23)  r esults i n:    R rh r Ds D  ( 2 5 )     () R N sC L s  ( 2 6 )     W h ere:    () () rr Hs A L s   ( 2 7 )     Re plac ing  (2 4)  i (25):     () ( ) Rh c h c r Ds D H s D A L s   ( 2 8 )   Th is r esul t s   i n:    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
           ISS N :   250 2- 4 7 5 2   I ndone s i a n   J   E le En C o m p   S ci,   V ol.   1 7 ,   N o 2,  F ebr u ar 2020   :  929  -  9 4 0   93 4   11 ,       ,        rh c l c r h c l c AD D B D C N     ( 29)     r A an d r B ar e   the  no n t r i via l   r ow of   A   a nd  B.   The  resul t i n g   m inim a l  re a liz ati o n is i n c o n t r o lle r c a non ica l   f o rm:  a.   A   is  i gene r a con t r o l l e r   c ano n ica l   f or m   w h e r         b.   B is i gener a l con t ro l l er  c a n o n ic a l  for m wher e         c.   CN l c   The  c o n t r o l l er   c a n o n i c a l   f or m   w a obta i n e fr om  a   r i g ht  c o p r i me   fract ion .   T his  is  p articularly  i n t e rest in g   f o co nt r o l l e r   d e si gn   u sing   pol p l a c e m e n t   [ 2 2 ] If   a   l ef c opr im fr a c tio i s   u se d,   t he   r e s ult    is  a   m i n ima l   r ealiza t i o in   obs er ve r   ca n o n i c a l   f or m .   B ot m e t h o ds  w e r i m plem ente i n   t he   m in i m al     r ealiza t i o to o l bo x.     2. 5.   Rea liza t io n f r o Frequency   Do ma in  Da t a :   The  fir s r e su l t f o r   r e a liza tions   b a s ed   o fr e que nc do ma in  d a t a   u si n g   t he   L oew n er   m atr i w e r e   pr esen ted  i n   [ 6 ] .   I n   t h i su bse c tio w e   p r e sent  t he  m a i r e s u l t a nd  br i e f   exp l a n a t i on  of   t he  p r o ce dur use d   to   c on trc u the   n u me rica l   m i nima rea liz a tion.   T he  r es ul ti ng   s y stem   i a   desc r i p t or   s yste or   a ls kn ow a s   di ff er e n tia alg e br a i c   e q uat i on ( D A E ).  I t   has  the   for m :     Ex Ax B u yC x D u       If  E   i i nver t i b le,   t h sta n da rd  s tate  s pace   f or can  b e a si ly  r e c o v e r e d .   I f   E  i s   s i n g u l a r  s o m e   tec h n i q u e s   e x i st  t tra n sf orm   it  t o   a   s ta nda r d   s ta te   s pa ce  p r ov ide d   t ha so m e   c ondi ti o n a r m e t.   M or de t a ils   c a be   f ou nd  in  [ 2 3 - 2 6] .   G i ve r i gh t   fr e q uenc y   da ta ( ; r ; ), 1 , . .., ii i wi k   a n d   l ef t   fr eq uenc y   da ta ( ; * ; v * ) , j 1 , ..., q . jj j Th e   g o a l   i s  to f i nd   a  t ran s f e r   f u n c t i on  H (s)   t h at   i nt erpo l a t e s   thi s  data  suc h  tha t:     ( )  ,  * ( ) * ii i j j j Hr w H v     ( 30)     The n   one  c an  r egr o up  the   da ta   i m a tr ice s   s uch  tha t   f or   r ig ht  d at a:      1 12 12 , kk k mk k pk k Rr r r Ww w w              ( 31)   an d   fo l e ft d ata:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i    IS S N : 2502- 47 52       D e sig n  o f   a Mat l ab t o olb o x  a nd G U I  for m i nim a l re al izat i ons (K ar i m   Che r ifi)   93 5 11 1 *v *   ,   L  ,  *v * qq q p qm qq q l MV l             ( 3 2 )     The n  fr o t h is  da t a,  one  can  c on trcu t t h e   w e ll k n o w n   L oe w n er  m a trix  qk L  a s   f o l l o w   11 11 1 1 11 1 11 1 L kk k qq q k q k qq k vr l w vr l w vr l w vr l w                 ( 3 3 )     Th is L  m a t rix sati sfies t h Syl v es ter  equa ti o n :     LM L V R L W   ( 3 4 )     The n  one  a ls o nee d s to c o n tru c t the  shi f t e L o ew ne r m a trix  qk s L   s uch t h at :     11 1 11 1 1 1 1 11 1 11 1 1 L kk k k s qq q q q k q k k qq k vr l w vr l w v r lw v r lw                    ( 3 5 )     This  s L  m atrix sat i sfies  the S y l v es ter equati on:    ss L ML MVR L W   ( 3 6 )     The n  one  c a n  c on truc a r e a l iz a tio n:      ,    ,      ,   0 s E L A L BVC WD    ( 3 7 )     I f   t he   num eric a l   m in i m al  r ea li z a tio i s   t be   c ompu te an d t h e   nu me ri ca l   rank L k c o mp u t t h rank  reve al i ng  S V D :     ** kk k LY X Y X   ( 3 8 )     Th e n  t h e  mi n imal  rea l i za ti on i s  g iv e n  by:    *  ,  *   *  ,   ,  0 kk k s k k k E Y LX A Y L X B Y V C W X D    ( 3 9 )     The   re su lt in sys t em   m ay  b e   c o mp lex.   A   p roce dure  w a s   de vel o ped   t o   r ec over  the   u n d er lyi n r eal   syste m .   This proc e d u re  and  t h e   proof s for  the   r e sult g i ve n a b o ve  ca n  be   fo un d i n   [ 2 7 ].      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 250 2- 475 2   Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i , V o l .   1 7 ,   N o . 2, F e b ruary  20 20  : 929  -  940  93 6 2.6.   R e al izat ion   from T ime  D o m a in   D ata:  The   g o al  i thi s  pr o ced ur e is to  i n ter p ola t e   t h t i m e   doma i i n p u t- ou t p u t  da t by a   desc ri pt or  s yst e m:     Ex Ax Bu y Cx D u    ( 4 0 )     T o   a c h i e v e  t h i s   o b j e c t i v e ,  a  m o d i f i e d  L o e w n e r  c a n  b e   u s e d  [ 7 ] .   This  a lg ori t h cons tr ucts  a   m od e l   for  a n   LTI  s y s tem   d i rec tly   f r o a   sing le   tim d o m a in   i n p u t/o u t p ut  s na psh o t   w i t hou pri o know le dge   o fre que nc resp ons da ta.   O f   c ourse,   the  mo r e   k now le d g a b o u t   t h char a c ter i s t ics  o f   t he  s yste m,   t he   m o r e   ac cura t e  t he  m ode l   w ill  be.   Th e i npu t   u   and   th e   o u t p ut  y  o f   t h e sy st em a re   m e a su re d   wi t h  re sp ec t   to   time  an d   rec o rded   a s v e cto r a n d   y   w i t h   l e ngt K   w h ic corre spo n d to   t he   n um ber  o f   s am ple t a ke n .   K m i i s   s e l ec te d   a s   a   qua rte r   o K   su ch   t h a t   to   e nsu r th at   t h e   o u t pu t s   h av e   ente re d   st e a dy   s t a t e   after   km i n . n is  a n i n t e ger   corr espo n d in g   to   t he  dime n s i o n of t he  m ode l .   The   c h o i ce   o the   i n put  u ,   th e   i n t e rp o l a tio n   po i n ts  a nd  the   num be of  s a m ples  K   c a n   b c h a nge to  b e st   c o rre sp ond  t o   t h sy st e m   a t   h a nd  i n c l u di ng   w hi c h  ran ge  o f r e q u e n c i e s   i s   o f   i m po rt an ce Sp ec i f i c all y the  range  of t h e p o ssi bl e   i n terp ola t i o n fr eque nc i e tha t  c an be   cho s e n is   22 ( 1 ) , K KK      ( 4 1 )     The r ef ore,  incre asi ng t h n u mber  of sam p les K , incr ease s   t h e  r a nge  o f po ss ib l e  freq u en c i e s W e  u s e d   a   m o d i f i e d  v e r s i o n  o f   t h a t  a l g o r i t h m   i n  o u r  i m p l e m e n t a t ion   t o   m e e o u re qu irem ents.     F o r   m o re  d etai ls o n the  al g o ri thm   i t sel f   a n d  i ts pro of, ple ase   refer   t o   [ 7].       3.   RESEARCH  M ETH O D   Th ere   exi s t   di ff ere n t   alg o r i t hms  ea c h   w i t h   it adv a n t ag e s   a n d   d r a w b ac k s .   The  be st   m et ho depe n d s   on  e a c h   s pec i f i c   a p p lic at io n.   T h i req u ires  h avi n a   to ol  t be  a b l e   t o   c o m p a r e  b e t w e e n  t h e  d i f f e r e n t  m e t h o d s   and  c h oose the   m o st  a ppr o p ri ate  m e t h o d   f or  t ha s p e c i f ic  a p p l i c a t io n .   T his  t o o l   ( or  c om mon l cal le too l b o x )   is  t he  m i n i m al   r e a li z a t i o t o ol b ox  im p l e m e n te i n   M A T LA an pr e s en t e d   i n   t hi pa p e r.  M ATLAB  wa cho s en   b eca us i t   i use d   b a   l o t   o f   r es e a rc hers  a n d   e ngi ne ers   [ 2 8 29].  A l l   th e   m e tho d s   pre s e n te i n     S e ctio n   w e r e   i m p lem e n t e d   i func tio ns G i lber Me t h o d K a lm an   d ec om pos it io n,  H ank e an S V D ,   H anke l   and  row   sear chi n g,  L eft  co p r im fra c tio ( L CF ),  R i g ht  c opr im f ra ctio (RCF ),   I nt e rfe rq  ( from   f reque nc y   domain   data) , Inter time  (from   time dom ain data).  Al l   t h p r og ra m m ed   f un c t i o ns  a re   g roup e d   i n   too l bo fo m i n i m al  r ea l i z a tio n.   T his   to ol bo c a n   b e   ea si ly use us ing  the   gra p h i c a l use r  in t erfac e   (G U I)  sho w in F i gur e 1.   The   G U I   i di vi de i n t o   t w o   m a i sec tio ns T h firs o n e   o n   t he   t op   l e f t   is  t he   in t e rp ola t ion  a n d   minim a r eal iz a t i o n”  s ec tio w h ere   on e   can   o b t a i n   a   m i ni m a re a l i z a t i o fr om   f r e que nc y   or  t im e   d o m a i n   d ata   by  pressi n g   t h e   a ppro p ria t bu t t o n In  t he  s ec o nd  sec t io n ,   one  c a com p u t m i n i m a re alza it i on  from   a   trans f e r   f u n c t i on  ( T F ) .   S i b u tt on corre sp o n d i n g   t s i m i nim a l   re aliz ati o me t h o d are   a v ai lab l e.   C ho os in g   spec ific  m et ho w i ll  dis p la the   res u l t   o t h a t   m eth o d   d i r ec t l y   on  the   sam e   v iew   ( F ig ure  1).  C h o o s i ng  ano t her  m e th o d   w i ll  dis p la the   r e su l t of  t hat   m e tho d   d i s car di ng   t he  p re vious   r e s u l t s F i na lly   o th e   top   rig h t,  i n   t h o p t i o n s   s e c t i o n,   one   c a n   l oad   data sa ve  t he  r e s u lts  t o   a   m a t l a b   f i l e   or   c om pa re  t he  d iffe ren t   minim a r ealiz a t i o me t h od s   avai lab l w i th  a   b o d p l o t .   U nde t he se  s e c t i o n s,   w ha ve  f i v te x t   f i e lds  di sp la yi n g   t he   m a t rices  o f   t h m i n i m a l   re a l iz a t ion.   I n   the   nex t   s ec ti on th e   GUI  i u s ed   t o   co mp ut th m i nim a l re aliz ati o n of pra c t i c al pr oble m s.       4.   RESULT S   A N D   DISCU SSIO N   I n   o rde r   t te st  t he  m e t h o d s   f or  t he   m i n im al  r ea l i z a tio from   a   t ransf e f u n c t i on a   d i st il l a ti on  col u m n   s ys t e m   is  u sed [ 30].  The  m a t r i x   t rans fe r func t i o n   i as  follow:     32 32 32 32 2. 581   6 .7 46 5. 949   2 6 . 64  4   5     4. 087 5   2. 622 5 4 .9 59. 48 4  4   5     4   5   ss s s ssss Gs s s s ssss s             ( 4 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I ndone s i a n   J   E le En C o m p   S ci    I S S N 2502- 47 52       Desig n   o f   a Matl ab to ol b o x a n d GUI for mini m a l  re al i z at i ons (K arim C h e r ifi)   93 7 En ter i n g   t h i ma t r i x   t r a n s fer   func t i o n   i n t o   t h e   G U I   a nd  c hoos i n g   fo r   examp l left  c o p rime  fract ion  r e sults  i t h e   m i nima l   st a t e spa ce  r e ali z a t io n sh ow n i n   F i g u r e   1.   T hi ca be  d o n f o r   all  the  ot he r   m e thod s   b y   se l e c t i ng  the  a ppr opr ia te  b u t t on.   Usi n g   t h e   bu tto n   M e t h o d s ’  co mp ari s o n th e   me t hod s   can   b e   co mp ar ed   i ter m of  t h e ir   B ode  p l o t   wh ere   t h t r ansf er  f u n c ti on   i pl ott e in   d ot a n d   th e   ot h e me t h od as  c on t i n uou l i n e .   F o t h e x a m pl u s e d ,   the  r e su lt i ng  Bode   p l o i s   s ho w n   i F i g u r e   2 .           F i gur 1.   M i n i m a l   r e a lizat io n   of   a   d ist i lla ti o n   c ol umn  usi n th e p r es e n t e d GU         F i gur 2.   B o d e   pl o t   c ompa r i s on  o f   t he   T F   ( dot te blue )   a n d   stat e   s p ac e fo rm (l i n e  red     The  prev i ous   e xam p le   a llow e us  t tes t   t he   c a p a b i l ities   o f   t h e   G UI.  Af ter  f e click s min i mal  r ealiza t i o n c a n   b e ob ta ine d   u s i ng  the  c h o se n   m i n i m a l rea liz a tio n me tho d .   Th is a l s o   perm itte to  de t er mi ne  t he  Mc Mi l l ia de g r ee Sinc the   siz e   o th ma t r ix  A   i c l ea rl y   t he the  Mc M ill ian  de gr ee  is  4 .   A l so,   bas e o n   t h e   co mp ari s on   o f   t h e   me thod s,  t h e   B od e   p l ot   o f   th e   o r i g in al   s y s t em   p er fec t l y   s u p er po se with  t he  r e s u lti ng   m e tho d s.   T his  pr o v es  t ha t   the s m i nima l   r e ali z a t i ons  a r e   i n d ee d  ex a ct.   Since   the   a l g o r i t hm ha ve  s i m il a r   tim co m p lex i tie be twe e ran gi n g   b etw e e n    3   n and  4 ,   the  e n g i ne er  o the  r e sea r che r   w il gen e rall y   cho o se  t he  m eth o d   b ase d   o th e   usef u l ne ss  o the  c o n f ig ur a t i o n   of   t he  s ta te   s pa c e   r epr e sentat ion.     I n   o r d e r   t o   te s t   t he   L oe w n er   m eth o d   g i ven   fr e q uenc d o m a i da ta we   u se   t he   b e a m   exam p l of  or d e r   3 4 8   f r o m   [ 31] . T he   L oe w n er   m eth o d   a l l o w s   t o   c hoos e   t h n u m er ica l   m i n i a or de r   base on   t he   d e cay   o f   si ng u l a r   v al ues .   I or der   to  c a p tur e   t he   b eha v i o ur   o t h sy ste m ,   t he  o r d er   i chose n   t b e   14.   T he   r esul t s   a r e   show i n   F i gur 3.   T he  o r i g i n a l   and  r e su lti n g   b o d e   p l o t ar e   de p i c t ed  in  Figu re  5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 250 2- 475 2   Ind ones i a n   J   E lec  En g &   Co m p   S c i , V o l .   1 7 ,   N o . 2, F e b ruary  20 20  : 929  -  940  93 8 F i nal l i n   o rde r   t te st   t he  t i m e   dom a i L o e w ner  m e th od,   w e   co n s i der  P e nzl ' t i m e -c o n t i n uo us   LTI  syste m   i n t r o duc ed  i n   [32] w h ich  i s   i nve sti g a t e d   i the   c o n t e x t   o the  L o e w ner   a pproac h .   T h e   d a ta  g ive n   i in   form   o i n pu t - ou tpu t   t i m d o m ain  data.   U s ing   t h t h bu t t o n   ti m e   d om ain   in ter p ol a t i on”.   We   o b t a i the  sy st em  s ho wn   i n   Figu re   4 c o m p a r i s o n   b e t w ee n   t h bode   p lot s   o the   ori g i n a l   s y s te m   and  the  i n t e rpo l ate d   syste m   i desc r i p t or  f orm   a r e   show n in F igur e 5.          F i gure  3.  R e s ul t of t he  i nter pola t i on o f  t he  b e a m   e x am pl e   a s   s h ow n i n  t he  G U I           F i gure  4. Resu l t of  t he P enz l   e xam p le’s  i n t e r po l a tio as sho w n   i n  t h e  GUI  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.