第1章 控制系统的状态空间表达式
第一章控制系统的状态空间表达式
§1－1 状态空间变量及状态空间表达式§1－1 状态空间变量及状态空间表达式●经典控制理论：
§1－1 状态空间变量及状态空间表达式§1－1 状态空间变量及状态空间表达式
§1－1 状态空间变量及状态空间表达式
三. 状态空间
§1－1 状态空间变量及状态空间表达式§1－1 状态空间变量及状态空间表达式§1－1 状态空间变量及状态空间表达式
六. 状态空间表达式
§1－1 状态空间变量及状态空间表达式§1－1 状态空间变量及状态空间表达式§1－2
§1－2 §1－2 §1－2
x
x=
§1－3 状态空间表达式的建立（一）§1－3 状态空间表达式的建立（一）§1－3 状态空间表达式的建立（一）
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
1＋
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
?=x x
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
§1－3 状态空间表达式的建立（一）
一. 实现问题
§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）
§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）
解：(2)
§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）
由（1）式可得：
§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－4 状态空间表达式的建立（二）
习题1－5 系统的动态特性由下列微分方程描述
§1－4 状态空间表达式的建立（二）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）
§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）
2.系统特征值的不变性
§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）§1－5 状态向量的线性变换（坐标变换）
答案 控制系统的状态空间描述 习题解答
第2章 “控制系统的状态空间描述”习题解答 系统的结构如图所示。以图中所标记的1x 、2x 、3x 作为状态变量，推导其状态空间表达式。其中，u 、y 分别为系统的输入、输出，1α、2α、3α均为标量。 图系统结构图 解 图给出了由积分器、放大器及加法器所描述的系统结构图，且图中每个积分 器的输出即为状态变量，这种图形称为系统状态变量图。状态变量图即描述了系统状态变量之间的关系，又说明了状态变量的物理意义。由状态变量图可直接求得系统的状态空间表达式。 着眼于求和点①、②、③，则有 ①：2111x x x +=α ②： 3222x x x +=α ③：u x x +=333α 输出y 为1y x du =+，得 11 12223331000100 1x a x x a x u x a x ???????? ????????=+???????????????????????? []123100x y x du x ?? ??=+?? ???? 》 已知系统的微分方程 (1) u y y y y 354=+++ ；(2) u u y y -=+ 32； (3) u u y y y y 75532+=+++ 。试列写出它们的状态空间表达式。
(1) 解 选择状态变量1y x =，2y x =，3y x =，则有： 1223 31231 543x x x x x x x x u y x =??=?? =---+??=? 状态空间表达式为：[]112233123010000105413100x x x x u x x x y x x ????????????????=+????????????????---???????? ????=?????? (2) 解 采用拉氏变换法求取状态空间表达式。对微分方程(2)在零初试条件 下取拉氏变换得： 3222332()3()()() 11()1223()232 s Y s sY s s U s U s s Y s s U s s s s s +=---== ++ 由公式、可直接求得系统状态空间表达式为 1122330100001031002x x x x u x x ?? ????????????????=+? ?????????????????????-?? ?? 123110 2 2x y x x ?????? =- ?????????? [ (3) 解 采用拉氏变换法求取状态空间表达式。对微分方程(3)在零初试条件 下取拉氏变换得：
状态空间表达式的解
第2章 状态空间表达式的解 第1节 线性定常齐次状态方程的解 线性定常齐次状态方程 0(0)x Ax x x ==& 的解为 0()At x t e x = (0)t > 式中，2 2 () 2!!k At k t At e I At A k ∞ ? ==+++=∑ L 证明： 用拉普拉斯变换法。 对 x A x =& 作拉氏变换，得 0()()sX s x AX s -=
1 0()()X s sI A x -=- 11 0()[()]x t L sI A x --=- 因为 2 23111()()sI A I A A I s s s -+++=L 故 1 223111()sI A I A A s s s --=+++L 12023111()[]x t L I A A x s s s -=+++L 2201()2! I At A t x =+++L 0At e x = 顺便可知 ])[(1 1---=A sI L e At 第2节 矩阵指数函数At e 1、At e 的定义和性质
（1）定义 2 2 () 2!!k At k t At e I At A k ∞ ==+++=∑ L 式中 A —线性定常系统系统矩阵，n n ?阶； At e —矩阵指数函数，n n ?阶时变矩阵。 若A 中各元素均小于某定值，At e 必收敛；若A 为实矩阵，At e 绝 对收敛。 （2）基本性质： ◆组合性质： ) (2121t t A At At e e e += 其中21,t t 为相衔接的两时间段。 推论1：I e e e e A t t A t A At ===--0 ) () ( 推论2：) (1 ][t A At e e --=
第2章(2) 控制系统的状态空间表达式
2-3 由控制系统的方块图求系统状态空间表达式 系统方块图是经典控制中常用的一种用来表示控制系统中各环节、各信号相互关系的图形化的模型，具有形象、直观的优点，常为人们采用。 要将系统方块图模型转化为状态空间表达式，一般可以由下列三个步骤组成： 第一步：在系统方块图的基础上，将各环节通过等效变换分解，使得整个系统只有标准积分器（1/s ）、比例器（k ）及其综合器（加法器）组成，这三种基本器件通过串联、并联和反馈三种形式组成整个控制系统。 第二步：将上述调整过的方块图中的每个标准积分器（1/s ）的输出作为一个独立的状态变量i x ，积分器的输入端就是状态变量的一阶导数 dt dx i 。 第三步：根据调整过的方块图中各信号的关系，可以写出每个状态变量的一阶微分方程，从而写出系统的状态方程。根据需要指定输出变量，即可以从方块图写出系统的输出方程。 例2-5 某控制系统的方块图如图2-6所示，试求出其状态空间表达式。 解： 该系统主要有一个一阶惯性环节和一个积分器组成。对于一阶惯性环节，我们可以通过等效变换，转化为一个前向通道为一标准积分器的反馈系统。 图2-6所示方块图经等效变换后如下图所示。我们取每个积分器的输出端 信号为状态变量1x 和2x ，积分器的输入端即1x 和2x 。 图2-6 系统方块图
从图可得系统状态方程： ()??? ??? ?+--=-+-==u T K x T x T K K x K u T K x T x x T K x 11211131131121222 2111 取y 为系统输出，输出方程为：1x y = 写成矢量形式，我们得到系统的状态空间表达式： []?????????? ?=???? ??????+? ???????=x y u T K x K K T K x 010********
由传递函数转换成状态空间模型(1)
由传递函数转换成状态空间模型——方法多!!! SISO 线性定常系统 高阶微分方程化为状态空间表达式 SISO ()()()()()()m n u b u b u b y a y a y a y m m m n n n n ≥+++=++++--- 1102211 )(2 211110n n n n m m m a s a s a s b s b s b s G +++++++=--- 假设1+=m n 外部描述 ←—实现问题：有了部结构—→模拟系统 部描述 SISO ? ??+=+=du cx y bu Ax x 实现问题解决有多种方法，方法不同时结果不同。 一、 直接分解法 因为 1 0111 11()()()()()()()() 1m m m m n n n n Y s Z s Z s Y s U s Z s U s Z s b s b s b s b s a s a s a ----?=? =?++++++++ ???++++=++++=----) ()()() ()()(11 11110s Z a s a s a s s U s Z b s b s b s b s Y n n n n m m m m 对上式取拉氏反变换，则 ? ??++++=++++=----z a z a z a z u z b z b z b z b y n n n n m m m m 1) 1(1)(1)1(1)(0 按下列规律选择状态变量，即设)1(21,,,-===n n z x z x z x ，于是有
?????? ?+----===-u x a x a x a x x x x x n n n n 12113 221 写成矩阵形式 式中，1-n I 为1-n 阶单位矩阵，把这种标准型中的A 系数阵称之为友阵。只要系统状态方程的系数阵A 和输入阵b 具有上式的形式，c 阵的形式可以任意，则称之为能控标准型。 则输出方程 121110x b x b x b x b y m m n n ++++=-- 写成矩阵形式 ??????? ? ????????=--n n m m x x x x b b b b y 12101 1][ 分析c b A ,,阵的构成与传递函数系数的关系。 在需要对实际系统进行数学模型转换时，不必进行计算就可以方便地写出状态空间模型的A 、b 、c 矩阵的所有元素。 例：已知SISO 系统的传递函数如下，试求系统的能控标准型状态空间模型。 4 2383)()(2 3++++=s s s s s U s Y 解：直接得到系统进行能控标准型的转换，即
状态空间表达式
2.5 控制系统的状态空间表达式 2.5 控制系统的状态空间表达式 随着科学技术的发展，被控制的对象越来越复杂，对自动控制的要求也越来越高。面对时变系统，多输入多输出系统、非线性系统等被控量和对控制系统高精度、高性能的严格要求，传统的控制理论已不能适用。同时，计算机技术的发展也要求控制系统地分析，设计中采用计算机技术并在控制系统的组成中使用计算机。因此，适用这些要求的控制系统的另一种数学描述方法----状态空间就应运而生。 2.5.1 状态变量 在对系统动态特性描述中，足以表征系统全部运动状态的最少一组变量，称之为状态变量。只要确定了这组变量在t=时刻的值以及时的输入函数，则系统在任何时刻的运动 状态就会全部确定。状态变量互相间是独立的，但对同一个系统，状态变量的选取并不是唯一的。一个用n 阶微分方程描述的系统，有n个独立变量，这n个独立变量就是该系统的状态变量。 若用表示这n个状态变量，则可以把这n个状态变量看作是向量x(t) 的分量。我们称x(t)为状态变量，它是一个n维向量，记为 分别以状态变量作为坐标而构成的n维空间，称为状态空间。系统在t时刻的状态，就是状态空间的一点。系统在时刻的状态称为初始点，随着时间的变化， x(t)从初始点出发在状态空间描述出一条轨迹，称为状态轨迹。状态魁及表征了系统状态的变化过程。 2.5.2 状态空间表达式 1. 状态方程 由系统的状态变量和输入函数构成的一阶微分方程组，称为系统的状态方程。 对于线性系统，可以写成如下形式
(2.59) 记为 (2.60) 式中x(t)是n维列向量 u(t)是r维输入向量 A是n*n维矩阵，称为系数矩阵 B是n*r矩阵，称为输入矩阵或控制矩阵
状态空间方程
状态空间方程 以传递函数为基础的经典控制理论的数学模型适应当时手工计算的局限，着眼于系统的外部联系，重点为单输入-单输出的线性定常系统。伴随计算机的发展，以状态空间理论为基础的现代控制理论的数学模型采用状态空间方程，以时域分析为主，着眼于系统的状态及其内部联系，研究的机电控制系统扩展为多输入-多输出的时变系统。 所谓状态方程是由系统状态变量构成的一阶微分方程组;状态变量是足以完全表征系统运动状态的最小个数的一组变量。状态变量相互独立但不唯一。 状态空间方程可表示成 u x x B A += （状态方程） （2.63） u x y D C += （输出方程） (2.64) 式中， []τ=n x 2x 1x x n 维状态矢量； ??????????=nn 2n 1n n 22221n 11211a a a a a a a a a A n ×n 维系统状态系数矩阵； []τ=r 21u u u u r 维控制矢量； ??????????=nr 2n 1n r 22221r 11211b b b b b b b b b B n ×r 维系统控制系数矩阵； []τ=m 21y y y y m 维输出矢量； ??????????=mn 2m 1 m n 22221n 11211c c c c c c c c c C m ×n 维输出状态系数矩阵； ??????????=mr 2m 1 m r 22221r 11211d d d d d d d d d D m ×r 维输出控制系数矩阵； 系统信号传递方块图如图2-46所示。 D A B C u y + + + + x x ?
状态空间分析法
第二章状态空间分析法 2－1 状态、状态变量、状态空间、状态方程、动态方程 任何一个系统在特定时刻都有一个特定的状态，每个状态都可以用最小的一组(一个或多个)独立的状态变量来描述。 设系统有n个状态变量x1，x2，…，x n，它们都是时间t的函数，控制系统的每一个状态都可以在一个由x1，x2，…，x n为轴的n维状态空间上的一点来表示，用向量形式表示就是: X = (x 1，x 2 ，…，x n )T X称作系统的状态向量。 设系统的控制输入为：u1，u2，...，u r，它们也是时间t的函数。记： U = (u 1，u 2 ，...，u r )T 那么表示系统状态变量X(t)随系统输入U(t)以及时间t变化的规律的方程就是控制系统的状态方程，如式（2－1）所示。 ………………………………………………………………（2－1） 其中F = (f1，f2，...，f n)T是一个函数矢量。
设系统的输出变量为y1，y2，...，y m，则Y = (y1，y2，...，y m)T 称为系统的输出向量。表示输出变量Y(t)与系统状态变量X(t)、系统输入U(t)以及时间t的关系的方程就称作系统的输出方程，如式2－2所示。 …………………………………………………………. (2－2) 其中G = (g1，g2，...，g m)T是一个函数矢量。 在现代控制理论中，用系统的状态方程和输出方程来描述系统的动态行为，状态方程和输出方程合起来称作系统的状态空间表达式或称动态方程。 根据函数向量F和G的不同情况，一般控制系统可以分为如下四种：?线性定常(时不变)系统（LTI-Linear Time Invariant）； ?线性不定常(时变)系统； ?非线性定常系统； ?非线性时变系统。 在本课程中，我们主要考虑线性定常系统(LTI)。这时，系统的动态方程可以表示如下： …………….（2－3）
状态空间表达式的解
第2章 状态空间表达式的解 第1节 线性定常齐次状态方程的解 线性定常齐次状态方程 0(0)x Ax x x == 的解为 0()At x t e x = (0) t > 式中，2 2 () 2!!k At k t At e I At A k ∞ ? ==+++=∑ 证明： 用拉普拉斯变换法。 对 x A x = 作拉氏变换，得
0()()s X s x AX s -= 1 0()()X s sI A x -=- 1 1 0()[()]x t L sI A x --=- 因为 2 23111()()sI A I A A I s s s -+++= 故 1 223111()sI A I A A s s s --=+++ 12023111()[]x t L I A A x s s s -=+++ 2201()2! I At A t x =+++ 0At e x = 顺便可知 ])[(1 1---=A sI L e At 第2节 矩阵指数函数At e
1、At e 的定义和性质 （1）定义 2 2 () 2!!k At k t At e I At A k ∞ ==+++=∑ 式中 A —线性定常系统系统矩阵，n n ?阶； At e —矩阵指数函数，n n ?阶时变矩阵。 若A 中各元素均小于某定值，At e 必收敛；若A 为实矩阵，At e 绝对收敛。 （2）基本性质： ◆组合性质： ) (212 1t t A At At e e e += 其中21,t t 为相衔接的两时间段。 推论1：I e e e e A t t A t A At ===--0 )() (
状态空间分析法
·258· 第9章 线性系统的状态空间分析与综合 重点与难点 一、基本概念 1．线性系统的状态空间描述 （1）状态空间概念 状态 反映系统运动状况，并可用以确定系统未来行为的信息集合。 状态变量 确定系统状态的一组独立（数目最少）变量，它对于确定系统的运动状态是必需的，也是充分的。 状态向量 以状态变量为元素构成的向量。 状态空间 以状态变量为坐标所张成的空间。系统某时刻的状态可用状态空间上的点来表示。 状态方程 状态变量的一阶导数与状态变量、输入变量之间的数学关系，一般是关于系统的一阶微分（或差分）方程组。 输出方程 输出变量与状态变量、输入变量之间的数学关系。 状态方程与输出方程合称为状态空间描述或状态空间表达式。线性定常系统状态空间表达式一般用矩阵形式表示： ???+=+=Du Cx y Bu Ax x (9.1) （2）状态空间表达式的建立。系统状态空间表达式可以由系统微分方程、结构图、传递函数等其他形式的数学模型导出。 （3）状态空间表达式的线性变换及规范化。描述某一系统的状态变量个数（维数）是确定的，但状态变量的选择并不唯一。某一状态向量经任意满秩线性变换后，仍可作为状态向量来描述系统。状态变量选择不同，状态空间表达式形式也不一样。利用线性变换的目的在于使系统矩阵A 规范化，以便于揭示系统特性，利于分析计算。满秩线性变换不改变系统的固有特性。 根据矩阵A 的特征根及相应的独立特征向量情况，可将矩阵A 化为三种规范形式：对角形、约当形和模式矩阵。 （4）线性定常系统状态方程解。状态转移矩阵)(t φ（即矩阵指数At e ）及其性质：
·259· (9.8) i ． I =)0(φ ii ．A t t A t )()()(φφφ == iii. )()()()()(122121t t t t t t φφφφφ±=±=+ iv. )()(1t t -=-φφ v. )()]([kt t k φφ= vi. )( ])exp[()exp()exp(BA AB t B A Bt At =+= vii. )( )exp()exp(11非奇异P P At P APt P --= 求状态转移矩阵)(t φ的常用方法： 拉氏变换法 =)(t φL －1])[(1--A sI （9.2） 级数展开法 ++++ +=k k At t A k t A At I e ! 12122 （9.3） 齐次状态方程求解 )0()()(x t t x φ= （9.4） 非齐次状态方程式（9.1）求解 ?-+=t Bu t x t t x 0d )()()0()()(τττφφ （9.5） （5）传递函数矩阵及其实现 传递函数矩阵)(s G ：输出向量拉氏变换式与输入向量拉氏变换式之间的传递关系 D B A sI C s G +-=-1)()( (9.6) 传递函数矩阵的实现：已知传递函数矩阵)(s G ，找一个系统},,,{D C B A 使式（9.6）成立，则将系统},,,{D C B A 称为)(s G 的一个实现。当系统阶数等于传递函数矩阵阶数时，称该系统为)(s G 的最小实现。 传递函数矩阵的实现并不唯一。实现的常用标准形式有可控标准形实现、可观测标准形实现、对角形实现和约当形实现等。 （6）线性定常连续系统的离散化及其求解 对式（9.1）表示的线性定常数连续系统进行离散化，导出的系统离散状态空间描述为 ???+=+=+ )()()( )()()()()1(k D k Cx k y k u T G k x T k x φ