自动控制原理 第二版课件 教学课件 ppt 作者 王永骥 王金城 王敏 主编 chap9第9章 状态空间分析与综合1.ppt

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第十章 状态空间分析与综合 9.1 引言 9.2 状态空间和状态方程 9.3 线性系统状态空间表达式的建立 9.4 线性定常系统连续状态方程的解 9.5 线性定常系统的可控性与可观测性分析 9.6 线性定常系统的状态反馈和状态观测器 9.7 李雅普诺夫稳定性分析 下一页 * * 9.1 引言 经典控制理论中常常采用系统关系来输入和输出之间的来描述一个控制系统。这称之为控制系统的输入-输出描述。微分方程和传递函数就是属于这种系统描述所采用的数学模型。经典控制理论分析和设计控制系统所采用的方法是频率特性法和根轨迹法。这两种方法用来分析和设计线性、定常单变量系统是很有效的。 但是,对于非线性系统、时变系统、多变量系统等,经典控制理论就显得无能为力了。同时,随着生产过程自动化水平要求的提高,控制系统的任务越来越复杂,控制精度要求也越来越高,因此,建立在状态空间分析方法基础上的现代控制理论便迅速地发展起来。 上一页 下一页 9.2 状态空间和状态方程 9.2.1状态空间方法的几个基本概念 状态:所谓状态,是指系统过去、现在和将来的状况。 状态变量: 状态变量是指能确定系统运动状态的最少数目的一组变量。一个用n微分方程描述的系统就有n个独立的变量,当这n个独立变量的时间响应都求得时,系统的行为也就完全被确定。因此,由n微分方程描述的系统就有n个状态变量。状态变量具有非唯一性,因为不同的状态变量业能表达同一个系统的行为。 状态向量:若以n个状态变量 向量x(t)的分量,则x(t)称为状态向量。 上一页 下一页 状态空间:以状态变量 构成的n维空间,称为状态空间。系统在任意时刻的状态向量x(t)在状态空间中是一个点。系统随时间的变化过程,使x(t)在状态空间中描绘出一条轨迹。 状态空间表达式:将反映系统动态过程的n微分方程或传递函数 ,转换成一阶微分方程组的形式,并利用矩阵和向量的数学工具,将一阶微分方程组用一个式子来表示,这就是状态方程。将状态方程与描述系统状态变量与系统输出变量之间的关系的输出方程一起就构成了状态空间表达式。下面就是状态空间表达式的标准描述 式中,分别为状态向量及其一阶导数, u(t),y(t)分别为系统的输入变量和输出变量, A, B, C分别为具有一定维数的系统矩阵。 上一页 下一页 (9-1) 9.2.2 几个示例 【例9-1】 RLC电路的状态空间模型 设有如图9-1所示的RLC 电路,根据电工学的定理可以建立RLC电路的动态过程的微分方程为:

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