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1、第二章 状态空间表达式的解 一种分析系统状态和输出特性的直接法,一.线性定常齐次状态方程的解 二.状态转移矩阵 三.线性定常非齐次状态方程的解 四.线性时变系统状态方程的解 五.离散系统状态方程的解 六.连续系统的离散化,一.线性定常齐次状态方程的解,1、线性齐次状态方程解的定义 2、线性齐次状态方程解的物理意义 3、状态转移矩阵的引出 返回主页,一阶齐次微分方程组解的定义,一阶齐次微分方程： 解为： 一阶齐次微分方程组： ， 解为： 返回,推导,2. 齐次方程解的物理意义,由初始条件引起的运动规律为齐次方程的解 确定的，状态向量在任意时刻t1的取值可由 获得。并可以在以x（t）向量为坐标系的
2、n维状态空间里绘制系统状态随时间运动的轨迹，称为状态轨迹。 返回,3. 状态转移矩阵的引出 系统由初始条件引起的运动的规律及特性主要取决与eAt，eAt是由系统矩阵A唯一确定的。系统由输入引起的运动规律除了和输入信号的大小形式有关与系统的结构及eAt的形式也密切相关，定义 为系统状态转移矩阵。显然，状态空间表达式的求解关键在于求取系统的状态转移矩阵。 返回,二. 状态转移矩阵,1、状态转移矩阵的性质 2、几个典型形式的状态转移矩阵 3、 一般状态转移矩阵的求法 返回主页,(1) (2) (3) (4) (5) 状态转移矩阵的逆为时间的逆转。 (6) (7) (8) 若 ，则有 注：上述性质由定
3、义导出。 p59 返回,1. 状态转移矩阵的性质,2. 几个典型形式的状态转移矩阵 （1）若 为对角阵，则 （2）若 T-1AT= 为对角阵，则 （3）A= 为约旦阵，则 书上p61页2-15，2-16，2-17， 2-18，2-19,（4）T-1AT= 为约旦阵，则 （5）若 ，则 举例1： 若 则 举例2： 若 则 返回,3.一般状态转移矩阵的求法 (1) 利用定义计算 (2) 利用Laplace变换计算 (3) 化A阵为对角型或约旦标准型计算 （利用状态转移矩阵的性质计算） 求特征值和特征向量 由变换阵P化A为对角阵或约旦标准型 求对角阵或约旦标准型所对应的状态转移矩阵 求原矩阵A的状态
4、转移矩阵。 返回,推导,三.线性定常非齐次状态方程的解,1、非齐次方程解的通式 直接求解 Laplace变换求解 2、典型输入下非齐次方程解 脉冲输入 阶跃输入 斜坡输入 返回主页,已知系统状态空间表达式为： 直接法积分求解 初始状态引起的解： 输入作用引起的解： 由输出方程可以求出系统的输出解。,1.非齐次方程解的通式,Laplae变换求解 状态方程两边同时求拉氏变换得： 系统的状态与输出的形式取决与系统结构初始条件和输入信号的形式，所以在系统为典型输入信号作用时的状态解和输出解的形式可以依据上述通式导出。 返回,2 典型输入下非齐次方程的解 （1） 脉冲 输入下的解为： （2） 阶跃 输入
5、下的解为：(使用条件A的逆存在) （3）斜坡 输入下的解为：(使用条件A的逆存在) 注意：线性系统的输出输入特性。 返回,四.线性时变系统状态方程的解,请参考书上内容自学，本课程对此不做要求。返回主页,五.离散系统状态方程的解,1、差分方程组的求解方法 迭代法 Z变换法 2、引入状态转移矩阵，简化离散系统状态方程的求解 返回主页,1. 差分方程组的求解方法（1）,（1） 迭代法 得系统状态的迭代计算式为： 注：计算结果为逐点形式，便于计算机运算，但有累积误差。 与连续状态方程的求解公式在形式上类似,（2） z 变换法 注：计算结果为封闭的解析形式。 返回,2. 引入状态转移矩阵，简化离散系统状
6、态方程的求解,（1）状态转移矩阵的定义及计算：,（2）G 阵为典型结构形式的状态转移矩阵的计算 G为对角型时 G为约旦型 G可化对角型（变换阵为P） G可化约旦型（变换阵为P）,（3）状态转移矩阵的性质,返回,六. 连续系统的离散化,1. 连续系统离散化的意义 意义 2. 连续系统离散化的假设条件 (1) 离散化按等采样周期处理； (2) 采样脉冲为理想脉冲信号； (3) 输入向量u（t）只在采样点变化，两相邻采样点 之间的输入由零阶保持器保持不变； (4) 采样周期的选择满足香农定理。,3. 线性定常系统状态方程的离散化方法 (1) 化连续状态方程为离散状态方程 连续系统状态方程： 理论推导
7、可得：取 时，T 为采样周期， 则离散化以后的状态空间表达式为： 例8：P89 例2-12。,例题,（3） 近似离散化 连续系统状态方程： 当T足够小时，有 代入连续系统状态方程中得： 离散后的状态空间表达式为： （注：近似计算方法的采样周期越小系统近似的精度越高） 例11：P92 例2-14（2）。,返回主页,4、线性时变系统状态方程的离散化 （自学） 返回主页,1. 设系统状态空间表达式为 。 其中: 求系统的状态转移矩阵。 求零输入、初始状态为 时，系统的状态解和输出解。 求零状态、输入为单位阶跃信号时系统的状态解和输出解。,单元练习2,2、检验下列矩阵是否为系统的状态转移矩阵。若是，求
8、对应的矩阵A。 （1） （2）,1阶齐次微分方程的解,返回,Laplace变换法,返回,（2）化被控对象的连续状态方程为离散状态方程，根据系统反馈 结构及开关位置求闭环系统的离散状态空间表达式 例9：P92 例2-14（1）。 解：求连续被控对象的状态空间表达式 求状态转移矩阵,T=0.1,r（t）,e（t）,e*（t）,u（t）,y（t）,求离散后被控对象的状态空间表达式为 由系统反馈结构得： 代入T=0.1秒得：,(2) 根据离散系统结构方框图求脉冲传递函数及状态空间表达式 例10：P92 例2-14 （另外一种解题方法） 分子和分母整理成降幂排列的方式后直接写出离散后的状态 空间表达式。,返回,连续系统的离散化的意义,线性连续系统的状态方程为1阶微分方程组。可采用解析法求解。也可以采用数值解法求解，此时对微分方程做近似解，给出离散采样时刻的状态方程解的近似值。利用计算机对线性定常连续系统求数值解是现代科学技术研究中常用的一种方法，不但方便而且精确。由于实际工业生产中线性定常连续系统的被控对象需要在线控制等，必须将连续系统的状态方程化为离散系统的状态方程，即对矩阵微分方程化成差分方程，这就是连续系统的离散化。,返回,
