状态空间模型.pdf

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引言

状态空间模型是应用状态空间分析法对动态系统所建立的一种数学模型,它

是应用现代控制理论对系统进展分析和综合的根底。状态空间模型由描述系统的

动态特性行为的状态方程和描述系统输出变量与状态变量间变换关系的输出方

程组成。

在经典控制理论中,采用n阶微分方程作为对控制系统输入量u〔t〕和输

出量y〔t〕之间的时域描述,或者在零初始条件下,对n阶微分方程进展Laplace

变换,得到传递函数作为对控制系统的频域描述,变换,得到传递函数作为对控制系统的频域描述,传递函数〞建立了系统输入

量U(s)=L[u(t)]和输出量Y(s)=L[y(t)]之间的关系。传递函数只能描述系统的

外部特性,不能完全反映系统内部的动态特征,并且由于只考虑零初始条件,难

以反映系统非零初始条件对系统的影响。

现代控制理论是建立在现代控制理论是建立在状态空间〞根底上的控制系统分析和设计理论,它

用用状态变量〞来刻画系统的内部特征,用用一阶微分方程组〞来描述系统的动态

特性。系统的状态空间模型描述了系统输入、输出与内部状态之间的关系,提醒

了系统内部状态的运动规律,反映了控制系统动态特性的全部信息。

龙格-库塔(Runge-Kutta)方法是一种在工程上应用广泛的高精度单步算法。

由于此算法精度高,采取措施对误差进展抑制,所以其实现原理也较复杂。该算

法是构建在数学支持的根底之上的。

标准四阶龙格——库塔法的根本思想

龙格和库塔提出了一种间接地运用Taylor公式的方法,即利用y(*)在假设

干个待定点上的函数值和导数值做出线性组合式,选取适当系数使这个组合式进

Taylor展开后与y(*i+1)的Taylor展开式有较多的项到达一致,从而得出较高

阶的数值公式,这就是龙格—库塔法的根本思想。

一、实验原理

龙格——库塔法

龙格—库塔法是仿真中应用最广泛的方法。它以泰勒展开公式为根底,用函

数f的线性组合代替f的高阶导数项,防止了高阶导数的运算,又提高了精度。

泰勒公式的阶次取得越高,龙格—库塔法所得的误差等级越低,精度越高。最常

用的是四阶龙格—库塔法,它虽然有一定的时间损耗,但比梯形法要快,而且与

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其它方法比拟,其误差比欧拉法高三个数量级,比预估—校正法高两个数量级,

是自启动的。它之所以广泛用于仿真上,还有不可无视的优点:编程容易、改变

步长方便、稳定性好。

龙格库塔方法的理论根底来源于泰勒公式和使用斜率近似表达微分,它在积

分区间多预计算出几个点的斜率,然后进展加权平均,用做下一点的依据,从而

构造出了精度更高的数值积分计算方法。如果预先求两个点的斜率就是二阶龙格

库塔法,如果预先取四个点就是四阶龙格库塔法。

一阶常微分方程可以写作:y=f(*,y),使用差分概念。

(Yn+1-Yn)/h=f(*n,Yn)推出〔近似等于,极限为Yn〕

Yn+1=Yn+h*f(*n,Yn)

另外根据微分中值定理,存在0t1,使得

Yn+1=Yn+h*f(*n+th,Y(*n+th))

这里K=f(*n+th,Y(*n+th))称为平均斜率,龙格库塔方法就是求得K的一

种算法。利用这样的原理,经过复杂的数学推导〔过于繁琐省略〕,可以得出截

断误差为O(h^5)的四阶龙格库塔公式:

K1=f(*n,Yn);

K2=f(*n+h/2,Yn+(h/2)*K1);

K3=f(*n+h/2,Yn+(h/2)*K2);

K4=f(*n+h,Yn+h*K3);

Yn+1=Yn+h*(K1+2K2+2K3+K4)*(1/6);

Smulink介绍

Simulink是MATLAB软件包之一,用于可视化的动态系统仿真,它适用于连

续系统和离散系统,也适用线性系统和非线性系统。它采用系统模块直观地描述

系统典型环节。因此可十分方便地建立系统模型而不需要花较多时间编程。正由

于这些特点,Simulink广泛流行,被认为是最受欢送的仿真软件。

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