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线性系统02
第2章 Linear Control System * 第2章线性系统的状态空间描述(outline) 状态和状态空间 系统动态过程的两类数学描述 状态和状态空间的定义 线性系统的状态空间描述 电路系统状态空间描述的列写示例 机电系统状态空间描述的列写示例 连续时间线性系统的状态空间描述 人口分布问题状态空间描述的列写示例 离散时间线性系统的状态空间描述 连续变量动态系统按状态空间描述的分类 线性系统和非线性系统 时变系统和时不变系统 连续时间系统和离散时间系统 确定性系统和不确定性系统 由系统输入输出描述导出状态空间描述 由输入输出描述导出状态空间描述 由方块图描述导出状态空间描述 线性时不变系统的特征结构 特征多项式 特征值 特征向量和广义特征向量 状态方程的约当规范形 特征值为两两相异的情形 特征值包含重值的情形 由状态空间描述导出传递函数矩阵 传递函数矩阵 G(s)基于(A,B,C,D)的表达式 G(s)的实用计算关系式 线性系统在坐标变换下的特性 坐标变换的几何含义和代数表征 线性时不变系统在坐标变换下的特性 线性时变系统在坐标变换下的特性 组合系统的状态空间描述和传递函数矩阵 子系统的并联 子系统的串联 子系统的反馈联接 小结和评述 * 2.1 状态和状态空间 系统动态过程的两类数学描述 系统的外部描述 又称输入-输出描述,是将系统看成一个“黑箱”,不去表征系统的内部结构和内部变量,只是反映外部变量组间的因果关系,即输出和输入间的因果关系。 * 2.1.1系统的两种数学描述 例如对于对于单输入单输出线性系统,可用以下微分方程描述: 用传递函数可表示为: 其中: * 2.1.1系统的两种数学描述 系统的内部描述(1) 又称状态空间描述,是基于系统的内部结构分析的一类数学模型,由两个数学方程组成: 一个是反映系统内部变量组x1 , x2 , … xn和输入变量组u1 , u2 , … up间因果关系的数学表达式,常具有微分方程或差分方程的形式,称为状态方程。 另一个是表征系统内部变量组x1 , x2 , … xn及输入变量组u1 , u2 , … up和输出变量组间y1 , y2 , … yq间转换关系的数学表达式,具有代数方程的形式,称为输出方程。 * 2.1.1系统的两种数学描述 系统的内部描述(2) 由状态变量构成的列向量: 称为系统的状态向量,简称为状态。状态空间则定义为状态向量取值的一个向量空间。 * 2.1.2 状态和状态空间 状态 动力学系统的状态定义为完全地表征系统时间域行为的一个最小内部变量组 维数 dim(x)=n 状态空间 状态向量的一个集合 状态空间的属性 线性代数空间 状态变量组对系统行为的完全表征性 只要给定初始时刻t0的任意初始状态变量组,以及t≥t0 * 2.1.2 状态和状态空间 状态空间的属性(续) 状态变量组最小性:物理含义,数学特征 状态变量组不唯一 状态变量组之间通过非奇异变换可以相互变换 状态空间的维数:有穷,无穷 * 例1.1 考虑电路 列出电路方程 2.2.1 电路系统状态空间描述的列写示例 * 右方程 左方程 整理得 以 和 为待定变量求解上述方程,得 * 写成向量形式 * 导出输出方程: 把 称为系统状态变量。系统的状态定义为表现系统时间域行为的一个最小内部变量组。 为输出变量。 * 若 A,B,C,D 为常数,则称系统为定常系统,记为(A,B,C,D) 状态变量, 输出向量。 输入向量, 表示参数随时间发生变化,称为时变系统 状态方程: 输出方程: 2.2.3 连续时间线性系统的状态空间描述 在一般情况下,一个有p个输入 q个输出的系统运动,可以描述为 * 状态空间 输入空间 输出空间 时间集 * 建立系统的状态方程模型有两种方法: 机理建模 辨识建模 B A C D u + + x + + y * 连续系统 的离散化模型为 2.2.4 离散时间线性系统的状态空间描述 H 单位 延时 G C D u(k) + + x(k) + + y(k) * 2.3 连续变量动态系统按状态空间描述的分类 线性系统和非线性系统 线性化:Taylor Expansion method 时变系统和时不变系统 连续时间系统和离散时间系统 确定性系统和不确定性系统 第2章
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