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[工学]1 线性系统的状态空间描述修改
第一章 线性系统的状态空间描述 本章主要内容 1.1 状态空间分析法 1.2 状态结构图 1.3 状态空间描述的建立 1.4 化输入-输出描述为状态空间描述及其几种标准形式 1.5 由状态空间求传递函数 1.6 离散时间系统的状态空间描述 1.7 状态矢量的线性变换 系统描述中常用的基本概念 系统的外部描述 传递函数 系统的内部描述 状态空间描述 1.1 状态空间分析法 状态空间分析法例子 状态变量和状态矢量 状态空间和状态空间描述 二、状态变量和状态矢量 状态:指系统的运动状态 ,包括初始状态(t=0)和t0的一切状态。 状态变量:指足以完全描述系统运动状态的最小个数的一组变量。 完全描述:如果给定了t= t0时刻这组变量值 ,和 t=t0时输入的时间函数 ,那么,系统在t=t0的任何瞬间的行为 就完全确定了。 最小个数:意味着这组变量是互相独立的。一个用n阶微分方程描述的含有n个独立变量的系统,当求得n个独立变量随时间变化的规律时,系统状态可完全确定。若变量数目多于n,必有变量不独立;若少于n,又不足以描述系统状态。 三、状态空间和状态空间描述 MIMO线性定常系统(r个输入,m个输出)的状态空间描述 1.2 状态结构图 状态空间描述的结构图绘制步骤: ⑴画出所有积分器; 积分器的个数等于状态变量数,每个积分器的输出表示相应的某个状态变量。 ⑵根据状态方程和输出方程,画出相应的加法器和比例器; ⑶用箭头将这些元件连接起来。 例1-1 画出一阶微分方程的状态结构图。 状态结构图 二、由系统机理建立状态空间描述 步骤: 1)根据系统的机理建立相应的微分方程或差分方程; 2)选择有关的物理量作为状态变量; 3)导出状态空间表达式。 线性定常系统的状态空间表达式为 2、标准II型 前面得到的结果完全适合于离散系统 例如: 首先,考察三阶差分方程 选取状态变量 写成矩阵形式 可以表示为 其中 输出方程 或者 其中 微分方程: 系统 系统 1.3 状态空间描述的建立 建立状态空间描述的三个途径: 1、由系统框图建立 2、由系统物理或化学机理进行推导 3 、由微分方程或传递函数演化而得 一、由系统框图建立状态空间描述 略 电路如图所示。建立该电路以电压u1,u2为输入量,uA为输出量的状态空间表达式。 [例1-6 ] 图 L2 uA u1 u2 + _ + _ i1 i2 R2 R1 L1 [解]: 1) 选择状态变量 两个储能元件L1和L2,可以选择i1和i2为状态变量,且两者是独立的。 2)根据克希荷夫电压定律,列写2个回路的微分方程: 整理得: 3)状态空间表达式为: [例1-7]试列出在外力f作用下,以质量 的位移 为输出的状态空间描述。 [解]:该系统有四个独立的储能元件。取状态变量如下: 质量块受力图如下: 则有: 及: 将所选的状态变量 代入上式并整理出状态方程得: 输出方程: 状态方程: 写成矩阵形式: ú ú ú ú ? ù ê ê ê ê ? é ú ? ù ê ? é = 4 3 2 1 0 0 1 0 0 0 0 1 x x x x y 1.4 化输入-输出描述为状态空间描述 及其几种标准形式 对于给定的系统微分方程或传递函数,寻求对应的状态空间描述而不改变系统的输入-输出特性,称此状态空间描述是系统的一个状态空间实现。由于所选状态变量不同,其状态空间描述也不同,故其实现方法有多种。 。 n阶SISO控制系统的时域模型为: 可实现的条件: m≤n 系统的传递函数为: 当系统传递函数中m=n时,即 微分方程形式 : 一、微分方程中不包含输入函数的导数项 系统的传递函数为: 1.)选择状态变量 若给定初始条件 则系统行为被完全确定,依此选择一组状态变量。即: 令: 1、标准I型 2.)化为向量矩阵形式: 状态方程为: 输出方程为: 注: 状态变量是输出y及y的各阶导数 系统矩阵A特点:主对角线上方的元素为1,最后一行为微分方程系数的负值,其它元素全为0,称为友矩阵或相伴矩阵。 3.)画系统结构图: 1.)选择状态变量 若给定初始条件 则系统行为被完全确定,依此选择一组状态变量。即: 令: 2.)化为向量矩阵形式: 状态方程为: 输出方程为: 注: 标准I型的A、b阵和标准II型的A、c阵互为转置的关
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