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线性控制系统状态方程求解
第二章 线性控制系统状态方程求解 2.4 线性定常离散系统的运动分析 注意求逆 2)A的特征值为 (n重根) (3)当矩阵A的特征值有重特征值和互异特征值时,待定系数 可以根据式(2-25)和式(2-24)求得。然后代入式(2-21),求出 对于 ,按式(2-25)计算 ,对于 按式(2-24)计算 。于是有 例2-4 已知 ,求状态转移矩阵 解: , 可求得 例:求以下矩阵A的状态转移矩阵 [解]: 1)用第一种方法-定义求解: 2)用第二种方法-拉氏变换法求解: 3)用第三种方法-标准型法求解: 得: ,具有互异特征根,用对角线标准型法。且A为友矩阵形式。 先求特征值: 4)用第四种方法-待定系数法求解. 在第3种方法中已经求得特征根,所以得: 求得状态转移矩阵如下: 或者: 由 和 得到: 从而求出系数 [小结]:状态转移矩阵的8个性质,4种计算方法 2.3 非齐次状态方程的求解 若线性定常系统的非奇次状态方程 的解存在,则解形式如下: 一、直接求解法 : 初始状态引起的响应,零输入响应 输入引起的响应,零状态响应 说明:与线性定常系统齐次状态方程的解不同,齐次状态方程的解仅由初始状态引起的响应组成。 3)对上式在 区间内进行积分,得: 2)两边左乘 ,利用 的性质 1)先把状态方程 写成 [证]: 直接求解法的关键:求状态转移矩阵或矩阵指数函数 对非齐次状态方程 两边进行拉氏变换得: 二、拉氏变换求解法 : 整理得: 结论: 例2-7 设系统状态方程为 且 ,试求在 作用下状态方程的解。 解 由例2-2已知 分析在不同情况下电路中电容上电压和电流的变化 综合例题 1、设输入电压为0V,电容上电压和电感上电流初始值分别为1V和0A 2、设电容上电压和电感上电流初始值为零,输入电压为1V 3、设输入电压为1V,初始值分别为1V 和0A 取状态变量 ,有 解:1)建立状态方程 由微分方程 2)求状态转移矩阵 3)求状态解 第一种情况:零输入响应 零输入响应电容上电压和电流的变化曲线如图所示 3)求状态解 第二种情况:零状态响应 零状态响应电容上电压和电流的变化曲线如图所示 3)求状态解 第三种情况:全响应 2.4.1 线性定常连续系统的离散化 考虑系统: 其状态方程的解为: 假设: (1) 等采样周期T: * * 第二章 线性控制系统状态方程求解 线性定常齐次状态方程的解 状态转移矩阵 线性定常非齐次状态方程的解 线性离散系统状态方程的解 2.1 线性定常系统齐次状态方程的解 2.1 线性定常连续系统状态方程的解 问题的提出: 如何知道“嫦娥一号”运动状态? 系统性能分析 定量分析:运动分析 定性分析:能控性分析 能观性分析 稳定性分析 [线性定常系统的运动 1、自由运动:线性定常系统在没有控制作用,即u=0时,由初始状态引起的运动称自由运动。 齐次状态方程的解: 2、强迫运动:线性定常系统在控制u作用下的运动,称为强迫运动。 非齐次状态方程的解: 满足初始状态 的解是: 一、直接求解: 1、标量齐次微分方程: 满足初始状态 的解是: 满足初始状态 的解是: 2、齐次状态方程: 其中: 定义为矩阵指数函数,和A一样也是n×n阶方阵 [线性定常齐次状态方程的求解方法]:直接求解,拉氏变化求解 设齐次状态方程的解为 当 时,由上式可得 此处 式(1)左右求导得: 式(1)(2)代入状态方程得: 求解过程:仿标量方程求解 式(3)左右两边t的同次幂的系数两两相等得: 将式(4)代入式(1),即可得到通解为: ----(5) -(4) -(3) -(1) ---(2) --标量齐次状态方程 2.2 状态转移矩阵 由于 是由 转移而来, 又称为状态转移矩阵,记为 ,即 定义 为矩阵指数函数 齐次方程的解为 状态转移矩阵的物理意义:
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