1、三、状态和状态变量状态状态动力学系统的状态是表征系统运动的信息。只要知道t0的状态和tt0的输入,就能完全确 定tt0的 行为。状态变量状态变量是确定系统状态的最小一组变量。eg:x1(t),x2(t),x n(t)是一组状态变量。*状态变量并不一定是物理上可测或可观察的量。但为最佳控制规律需要把所有这些状态变量反馈,故最好为测量。状态向量状态向量将几个状态变量看作是向量Z(t)的各个分量,Z(t)就叫做状态变量。状态空间状态空间由x1轴,x2轴,,xn轴所组成的n维空间叫做 状态空间,任意状态则为其中一个点。例:VLViCLLRcidtdvCVVRidtdiLcccvi01011.量矩阵方程
2、表示:为状态变量。和间表达式这就是该系统的状态空)()(tvti)(tv)(tvcRL)(ti3-2 系统状态空间的表达式 线性微分方程作用函数中不含有导数项的n阶系统的状态空间表达式:y(n)+a1y(n-1)+an-1+any=u由数学知识知,若y(0),(0),y(n-1)(0)和t0时u(t)则系统未来的行为就可知。设:)1(21nnyxyxyx则微分方程可表示为:uxaxaxaxxxxxxxnnnnnn121113221uxaxaxaxuxxxxxuxxxxxuxxxxxnnnnnnn121132113212321100000001000000或者:BuAxX.nxxxX211211
3、00001000010aaaaAnnn1000B输出方程为:nxxxY21001或者:Y=CZ 001C例:设系统方程为 求状态空间表达式。解:设状态变量为:uyyyy66116.y-输出;u-输入。yxyxyx 321故有 uxxxxxxxyx6611632133221 321321321001Y6006116100010 xxxuxxxxxxs1-11s1-66s1-6uy2x1x3x所以标准形式:CxyBuAax 状态变量的非唯一性:假设x,x,x是一组状态变量,则可取任一组函数。)x,x,x(X=x )x,x,x(X=x )x,x,x(X=x n21nn212n211作为另一组状态变量
4、,若对每一组,值都对应于唯一的一组 的值,反之也成立。则:也是一个状态变量。P是非奇异的。nxxx,21nxxx,21PXX 阶矩阵A的特征值:nn即:|I-A|=0的根。6116100010A设:特征方程:61161001|AI6116230)3)(2)(1(矩阵A的特征值为-1,-2,-3。例:上例中:假设一组新变量Z1,Z2,Z3作如下变换 321321941321111ZZZxxxBUAPZZPBUAXPZXPZX则代入将即:5.05.111435.05.23,941321111111PPBUPAPZPZ其中:即:321321321111363300020001zzzCPZYUzzzZ
5、ZZ得特征值的不变性:证明:|I-P-1AP|=|P-1P-P-1AP|=|P-1(I-A)P|=|P-1|I-A|P|=|P-1|P|I-A|=|P-1 P|I-A|=|I-A|若 q将nn阶矩阵化成对角线矩阵:121100001000010aaaaAnnn具有互不相同的特征值。nAPP00211 式中:112112222121111nnnnnnP为A的n个特征值。i若A 含有多重特征值,则A不能化为对角矩阵,而只能化为约当标准型矩阵。比如:3111000001ASS231213121101Suyyyy66116 332613)3)(2)(1(661166)()(23ssssssssssUs
6、Y例:解:)(33)()(26)()(u13)()(33)(26)(13)(321sussxsussxsssxsUssUssUssY因此:令:32133221133623xxxYuxxuxxuxx 321321321111363300020001xxxYuxxxxxx3s1-33s1-1-6s1-2uy2x1x3x 具有r个作用函数的线性微分方程描述的n阶系统的 状态空间表达式:线性对象输出元件1u2uru1x2xrx1y2yry状态向量nxxxxUtDxtCyUtBxtAx21,)()()()()(tBdt)(tC)(tA)(tDuyx xq作用函数含有导数项的线性微分方程所描述的n阶线性系
7、统的状态空间表达式:这时就不能把)1(,nyyyy 当作一组状态变量,并且也不能采用前面的简洁方法。这是因为n个一阶微分方程。21xx 32xx ubububxaxaxaxnnnnnnn)1(1)(01211un1-n1)-(n1(n)0n1-n1)-(n1(n)bubububyayayay在 时,可能得不到唯一的解。q作为一状态变量必须是能消去状态方程中u的导数项。取:yx 1uxuuuuyxuxuuuyxuxuuyxuyxnnnnnnnn1112)2(2)1(0)1(2221031110201 0111103122133021122011100nnnnnaaabaaabaababb式中:就
8、能保证状态方程解的存在性和唯一性。由上述可得:uxxxyuxxxxaaaaxxxxnnnnnnnnnn02111121121121001100001000010DUCxyBUAxx或:nnnnnnnnasasasbsbsbsbsUsYsG1111110)()()(该表达式表示了传递函数:例、研究图所示的控制系统,闭环传递函数为:64019218)4(160)()()(23sssssUsYsGuuyyyy64016064019218 解:对应的微分方程为:uxuuuyxuuxuuyxuyyx222103110201)0180(00 令:16)4(4ss)2(40ssuy2240160019201
9、816000180003122133021122011100aaabaababb其中:3213213210012240160018192640100010 xxxyuxxxxxx3-3 定常系统状态方程的解法 齐次状态方程的解法:axx(纯量微分方程)假设x(t)为:将所设解代入方程中可得:kktbtbtbbtx2210)()(32221012321kkkktbtbtbbatkbtbtbb显然有:!232003302201kbabbabbababbkk的值可将t=0代入方程求得,即:方程的解x(t)可写为:0b0)0(bx)0()0()!1!211()(22xextaktaattxatkk现在
10、来解矩阵微分方程:式中 x=n维向量,A=nn常系数矩阵设方程解为t的向量幂级数形式,即:AXX kktbtbtbbtX2210)(要求t的同幂项系数相等,即:!232003302201kbAbbAbbAbAbbkk 将t=0代入方程中可得:0)0(bx方程的解:)0()0()!1!21()(22xextAktAAtItxAtkk矩阵指数:一个nn阶矩阵A的矩阵指数:0!kkkAtktAe对于所有有限时间是绝对收敛的。微分性:AsAtstAAtAteeeAeedtd)(.,)(AtAtttAAtAteeIeeets的逆为有时当BtAttBABtAttBAAtAteeeBAABeeeBAABee
11、)()(.,*,那么如果那么如果为非奇异矩阵的逆总是存在的,由于 齐次状态方程的拉普拉氏解法。首先考虑纯量状态方程:axx)0()()0()()0()()()0()(1xetxxasasxsXsaXxssXat对方程取拉氏变换:)()(tAxtx将推广到)0()()()0()()()()0()(:1XASIsXXsXAsIsAXXssXLT322111)()0()()(SASASIASIZASILtx)0()(X!3!2)(332211XetetAtAAIAsILAtAt 状态转移矩阵:AxX 的解写成为 x(t)=(t)x(0)式中(t)是nn阶矩阵,且是:ItAt)0(,)()(的唯一解。
12、由上可知:)()(1AsILetAt注意:)()(1tetAt)(t状态转移矩阵状态转移矩阵的性质)()()()()(5)()(4)()()()()(3)()()()()(2)0(112010201121221)(2111102121ttttttttttntttttteeettttteetIenAtAtttAAtAtA,或,21213210 xxxx)(t例:求系统的状态转移矩阵 和状态转移矩阵的逆)(1t3210A解:)()(11ASILetAt由于:3213210sssoosASIssssASIAASIAASIAASIAASIadjAASI213)2)(1(1)(221221111tttt
13、ttttAteeeeeeeeASIet2222112222)()(ttttttttAteeeeeeeettt222211222e2)()()(非齐次状态方程的解对纯量方程:dbuextxetbuetxedtdtantxebuaxxbuaxxatatatatatetat)()0()()()()()(00 dbueexetxattatat)()0()(0或:零状态响应零输入响应dbueexeattatat)()0(0非齐次状态方程:BUAxx阶常系数矩阵阶常系数矩阵维向量维向量式中rnBnnArUnx:AttetdButxttx)(:)()()0()()(0式中同理可求出:非齐次状态方程的拉普拉斯
14、变换解法:BUAXXdBuexetxtAtAt)()0()()(0略解得:时:当初始时刻为0tdBuetxetxtAttttA)()()()(0)(00)(1)(1032102121ttuuxxxx解:103210BA由上例:ttttttttAteeeeeeeeet22222222)(如果初始条件为零:deeeeeeeexetxtttttttttAt102222)0()()(2)()(2)()(2)()(2)(0tttteeeetxtx22212121)()(如果初始条件为零:3-4传递矩阵传递矩阵是传递函数的推广,传递函数:)()()()()()0()(sDUsCXsYsBUsAXZsSXD
15、UCxyBUAxx)()()(sUsYsG状态方程为:)()()()()()(,0)0(11sUDBASICsYSBUASIsXX有当.)(,)()()(1的多项式为SsQASIsQDBASICsG的极点相等。的特征值与的特征多项式,即等于)()(sGAsGAsI 例:如图所示的传达室递函数:解:由图状态方程:5s1-22s1-2uy3-121x1x 2x2x 2121221125325xxyUxxxUxxx知阵表达式:21212121521315xxyuxxxx)4)(2(591252131521)()(11sssssBASICsG所以,传递函数:传递矩阵G(s):Y(s)=G(s)U(s)
16、(1)若ur 维向量,ym 维向量,A则为m.r矩阵。则式展开为:)()()()()()()()()(2122221112112121sGsGsGsGsGsGsGsGsGuuuyyymrmmrrrm)(sGij表示第i个输出,j个输入的传递函数,即)()()(susysGjiij传递函数矩阵为 DBASICsG1)()(s)E(s)H(s)G=H(s)Y(s)=B(s)0如多变量控制的方框图为:)(0 sG)(sH)(sU)(sE)(sY)(sBH(s)Y(s)-(s)U(s)G=B(s)-(s)U(s)G=Y(s)00(s)U(s)G=s)(s)H(s)Y(G+I00(s)U(s)G(s)H
17、(s)G+I=Y(s)01-0(s)G (s)H(s)G+I=G(s)00多输入多输出系统消除交链的问题:设对象的传递函数阵为 (n*n阶矩阵),现设计一组补偿器 (也是n阶矩阵),使得n个输入和n个输出是相互独立的。即)(sGc)(000)(000)()(2211sGsGsGsGnnb)(sGp则闭环传递矩阵:(s)G(s)G (s)G(s)G+H(s)=(s)Gcpcpb现考虑反馈矩阵H(s)为单位矩阵,则:(s)G (s)G+I=(s)G01-0b其中:)()()(0sGsGsGcp(s)G=(s)G(s)G+I0b0(s)G=(s)G-(s)IGbb0或:(s)G-I(s)G=(s)G
18、1-bb0由于 是对角阵,所以 也是对角阵。)(sGb)(sGIb)(sGo也是一个对角阵。例:现有一如图所是示的系统,试确定一组补偿器的传递矩阵,使得闭环传递矩阵为:1510011)(sssGb121s1y1)(11sGc11s)(22sGc)(21sGc)(12sGc2y1r2r1u2u解:由于(s)G-I(s)G=(s)G1-bb0ssssssss510015150011510011)()(1110121)()(2121sususssYsY)()()()()()()()()()(22112221121121sYsRsYsRsGsGsGsGsusucccc)()()()()()()()(1
19、100121)()(22112221121121sYsRsYsRsGsGsGsGsssYsYcccc)()()()(510012211sYsRsYsRsssssssGsGsGsGsGccccc510011110121)()()()()(122211211sssssss51)12)(1(01235 线形时变系统 状态空间法可适用于线形的时变系统。只要将转移矩阵 改为 ,前面 大部分都适用于时变系统的分析。但对时变系统而言,转移矩阵通常是不能用矩阵函数给出的。时变系统状态方程的解法:1、对纯量微分方程:)(t),(0ttxtax)(其解为:)()(0)(0txetxttda状态转移矩阵函数为:tt
20、daett0)(0),(v这个结果不能用于矩阵微分方程。2状态方程 xtAx)(维列向量ntx)(阶矩阵,其各元素在 tt0内是t的分段连续函数 nntA)(解为:)(),()(00txtttx式中),()(),(00tttAttItt),(00为非奇异矩阵矩阵 就是由状态方程所描述的时变系统的状态转移矩阵。),(0tt时变系统的状态转移矩阵 当 和 是可交换时,状态转移矩阵 才可用矩阵指数表示。)(tAttdA0)(),(0tt为了能用数值计算方法计算 ,可将 展开成级数形式:),(0tt),(0tttttttddAAdAItt001012210)()()(),(通常,不能用封闭形式给出 。
21、),(0tt例如:求时变系统 的 。2121010 xxtxx)0,(t解:采用上述方程的形式:200010)(200ttddAtt8060200010010010431211011202011ttdddtt82106180602001001)0,(423432ttttttttt状态转移矩阵 的一些性质),(0tt),(),(),(020112tttttt),(),(10101tttt线形时变状态方程的解法:状态方程:utBxtAx)()(式中 x=n 维向量 u=r 维向量矩阵为矩阵为nntBnntA)()(设 、的各元素都是在时间 间隔内分段连续。方程的解为:)(tA)(tB10tttttttduBttxttduBttttxtttx00)()(),()(),()()(),(),()(),()(0001000