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线性系统课件2
结论2 给定单输入,单输出线性时不变系统的输入输出描述,其对应的状态空间描述可按如下两类情况导出 (1)m=0情形 此时输入输出描述为: 选取n个状态变量 其对应的状态空间描述为: 其对应的方框图描述为: (2)m≠0情形 此时输入输出描述为: a: 令 其对应的状态空间描述为: 其中 b: 改写为 令 将: 则: 结论3 给定单输入单输出线性时不变系统的传递函数描述为: 其极点即分母方程的根 为两两互异实数,则对应的状态空间描述可按如下两类情形导出: (1) mn,即系统为严真情形 对应的状态空间描述为 (2) m=n,即系统为真情形 令 对应的状态空间描述为: 由方块图描述导出状态空间描述 例1 设系统方块图如下,试列写其状态空间描述 解 上图等效为 指定状态变量组后,列写变量间的关系方程: 写成矩阵形式 例2 设单输入单输出系统的传递函数为 试列写其状态空间表达式。 解 可画出系统结构图如下 写出变量之间的关系 写成矩阵形式 也可以画出结构图为 e11 e13 e12 e2 e3 可写出系统的动态方程为 例3 设 画出结构图 动态方程为 本章提纲 状态和状态空间 线性系统的状态空间描述 系统输入输出模型导出状态空间描述 线性时不变系统的特征结构 状态方程的约当规范型 状态空间描述导出传递函数矩阵 线性系统在坐标变换下的特性 组合系统的传递函数矩阵 吴亚丽 对连续时间线性时不变系统 (1) 特征多项式 均为实常数 (2) 特征方程式 (3) 凯莱-哈密尔顿(Caley-Hamilton)定理 对系统矩阵A,有且仅有 所有 为线性无关, 都可表示为它们的线性组合 特征多项式相关概念 (4) 最小多项式 的各个元多项式之间互质 定义Φ(s)为系统矩阵A的最小多项式,最小多项式Φ(s)也满足凯莱-哈密尔顿定理,即Φ(A)=0 (5) 系统矩阵的循环性 如果系统矩阵A的特征多项式α(s)和最小多项式Φ(s)之间只存在常数类型的公因子k,即 则称系统矩阵A是循环的。 (6) 特征多项式的计算 预解矩阵 ① 基于迹计算的特征多项式迭代算法 ② 基于分解计算的特征多项式迭代算法 特征值 (1) 特征值的代数属性 系统特征值就是使特征矩阵(sI-A)降秩的所有s值 (2) 特征值集 对n维线性时不变系统,有且仅有n个特征值,特征值的全体构成系统的特征值集。 (3) 特征值的形态 特征值的形态要么为实数,要么为共轭复数 特征值相关概念与定义 (5) 特征值的代数重数 代数重数σi 代表特征值集Λ中值为λi 的特征值个数 (6) 特征值的几何重数 (7) 特征值重数和类型的关系 对n 维线性时不变系统,若λi ∈A为单特征值,则其代数重数σi和几何重数αi之间必 有 (4) 特征值类型 系统特征值可区分为“单特征值”和“重特征值”两种类型 吴亚丽 * 特征向量和广义特征向量 特征向量相关概念与定义 (1) 特征向量的几何特性 (2) 特征向量的不唯一性 (3) 单特征值所属特征向量的属性 对n维线性时不变系统,系统矩阵A的属于特征值{λ1、λ2、…λn}的相应一组特征向量{v1、v2、…vn}为线性无关,当且仅当特征值{λ1、λ2、…λn}为两两互异。 (4) 广义特征向量 对n维线性时不变系统,设λi为n×n维系统矩阵A的一个σi重特征值,则 本章提纲 状态和状态空间 线性系统的状态空间描述 系统输入输出模型导出状态空间描述 线性时不变系统的特征结构 状态方程的约当规范型 状态空间描述导出传递函数矩阵 线性系统在坐标变换下的特性 组合系统的传递函数矩阵 吴亚丽 * 结论4 状态方程的约当规范形 特征值为两两互异的情形 对n个特征值{λ1、λ2、…λn}两两互异的n维线性时不变系统,基于n个特征向量构造变换阵p=[v1、v2、…vn],则状态方程 可通过线性非奇异变换 而化为约当规范形 结论5 特征值包含重值的情形 对包含重特征值的n维线性时不变系统,设系统的特征值 基于相应于各特征值的广义特征向量组所组成的变换阵Q,令 可将系统状态方程化为约当规范形: 其中,Ji为相应于特征值λi 的约当块: 吴亚丽 吴亚丽 * * * 吴亚丽 * 线性系统的时间域理论 线性系统时间域理论是以时间域数学模型为系统描述,直接在时间域内分析和综合线性系统的运动和特性的一种理论和方法。 吴亚丽 * 提纲: 第二章:线性系统的状态空间描述 第三章:线性系统的运动分析 第四章:线性系统的能控性和能观测性 第五章:系统运动的稳定性 第六章:线性反馈系统的时间域综合 吴亚丽 * 提纲: 第二章:
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