自动控制原理控制系统分析与设计-状态空间方法1——基础部分
自动控制原理课件8状态空间分析法
1 2 3
解析法
通过解状态方程和输出方程，得到系统的状态和 输出响应。
数值法
采用数值计算方法，如欧拉法、龙格-库塔法等， 对状态方程和输出方程进行离散化求解，得到系 统的离散时间响应。
线性时不变系统的性质
分析线性时不变系统的稳定性、可控性和可观测 性等性质，为系统设计和控制提供依据。
状态空间模型的求解方法
在处理高阶系统时，计算量较大，需要借助计算机进行数值计算。 在实际应用中，可能需要对系统进行适当的简化或近似处理，以降低
计算复杂度和提高计算效率。
状态空间分析法的优势与局限性
01 02 03 04
局限性
对于非线性系统和时变系统，建立状态空间模型可能较为复杂。
在处理高阶系统时，计算量较大，需要借助计算机进行数值计算。 在实际应用中，可能需要对系统进行适当的简化或近似处理，以降低
描述输入对状态变量的影响。
状态方程的建立
状态变量的选择
选择系统的状态变量，通常基于系统 的物理性质和动态特性进行选择。
建立状态方程
根据状态变量和系统的动态特性，建 立状态方程，描述系统内部状态的变
化规律。
确定系统矩阵
根据状态方程，确定系统矩阵A和B， 其中A描述状态变量的时间导数，B
描述输入对状态变量的影响。
计算复杂度和提高计算效率。
02 状态空间模型的建立
02 状态空间模型的建立
状态方程的建立
状态变量的选择
选择系统的状态变量，通常基于系统 的物理性质和动态特性进行选择。
建立状态方程
根据状态变量和系统的动态特性，建 立状态方程，描述系统内部状态的变
化规律。
确定系统矩阵
根据状态方程，确定系统矩阵A和B， 其中A描述状态变量的时间导数，B
自动控制原理状态空间法
目录
• 引言 • 状态空间法基础 • 线性系统的状态空间表示 • 状态反馈与极点配置 • 最优控制理论 • 离散系Biblioteka 的状态空间表示01引言
状态空间法的定义
状态空间法是一种基于状态变量描述线性时不变系统的方法，通过建立系 统的状态方程和输出方程来描述系统的动态行为。
状态变量是能够完全描述系统内部状态的变量，可以是系统的物理量或抽 象的数学变量。
最优控制问题
在满足一定约束条件下，寻找一个控制输入， 使得被控系统的某个性能指标达到最优。
性能指标
通常为系统状态或输出函数的积分，如时间加 权或能量加权等。
约束条件
包括系统动态方程、初始状态、控制输入和终端状态等。
线性二次调节器问题
线性二次调节器问题是最优控制问题的一个特例， 其性能指标为系统状态向量的二次范数。
THANKS
状态方程描述了系统内部状态变量之间的动态关系，而输出方程则描述了 系统输出与状态变量之间的关系。
状态空间法的重要性
1
状态空间法提供了系统分析和设计的统一框架， 可以用于线性时不变系统的各种分析和设计问题。
2
通过状态空间法，可以方便地实现系统的状态反 馈控制、最优控制、鲁棒控制等控制策略。
3
状态空间法具有直观性和易于实现的特点，能够 直接反映系统的动态行为，便于理解和分析。
02
状态空间法基础
状态与状态变量
状态
系统在某一时刻的状态是由系统 的所有内部变量共同决定的。
状态变量
描述系统状态的变量，通常选择 系统的输入、输出和内部变量作 为状态变量。
状态方程的建立
根据系统的物理或数学模型，通过适 当的方法建立状态方程。
自动控制原理状态空间知识点总结
自动控制原理状态空间知识点总结自动控制原理是研究控制系统的基本原理、分析方法和综合设计理论的一门学科。
状态空间方法是自动控制原理中的重要内容之一，它是一种模型描述和分析控制系统动态特性的数学工具。
在本文中，将对自动控制原理状态空间的知识点进行总结和概述。
一、状态空间模型的基本概念在自动控制系统中，状态是指系统在某一时刻的内部信息或特性。
状态空间模型是一种用状态来描述系统动态特性的数学模型。
它由状态方程和输出方程组成。
其中，状态方程描述了系统状态随时间的演化规律，而输出方程则说明了系统状态与外部输入之间的关系。
二、状态空间模型的表示方法状态空间模型可以用矩阵表示，常用的表示方法有传递函数表示法和状态方程表示法。
传递函数表示法是通过系统的输入和输出之间的关系来描述系统的动态特性，而状态方程表示法则是通过系统的状态方程来描述系统的动态特性。
三、状态空间模型的性质1. 可观测性：指系统的状态是否能够通过系统的输出来唯一确定，即是否存在唯一解。
2. 可控性：指系统的状态是否能够通过控制输入来控制，即是否存在能够使系统达到任意状态的控制输入。
3. 稳定性：指系统在受到一定干扰或扰动后，是否能够以某种方式恢复到稳定状态。
四、状态空间模型的分析与设计方法状态空间模型的分析与设计方法包括系统的稳定性分析、传递函数与状态空间模型之间的转换、状态空间模型的求解方法等。
1. 稳定性分析：通过对状态空间模型的特征值进行分析，可以得到系统的稳定性信息。
2. 传递函数与状态空间模型之间的转换：传递函数和状态空间模型是描述系统动态特性的两种不同数学表达方式，它们之间可以相互转换。
3. 状态空间模型的求解方法：通过对状态空间模型的求解可以得到系统的时域响应和频域响应等信息。
五、状态观测器与状态反馈控制器状态观测器是一种用于估计系统状态的装置，通过对系统的输出进行测量，并结合系统的数学模型，可以对系统的状态进行估计。
状态反馈控制器是一种利用系统的状态信息对系统进行控制的装置，通过对系统状态进行测量，并将测量值带入控制器中进行计算，从而实现对系统的控制。
自动控制原理知识点汇总
自动控制原理知识点汇总自动控制原理是研究和设计自动控制系统的基础学科。
它研究的是用来实现自动化控制的基本概念、理论、方法和技术，以及这些概念、理论、方法和技术在工程实践中的应用。
下面是自动控制原理的一些重要知识点的汇总。
一、控制系统的基本概念1.控制系统的定义：控制系统是用来使被控对象按照一定要求或期望输出的规律进行运动或改变的系统。
2.控制系统的要素：输入、输出、被控对象、控制器、传感器、执行器等。
3.控制系统的分类：开环控制和闭环控制。
4.控制系统的性能评价指标：稳定性、快速性、准确性、抗干扰性、鲁棒性等。
二、数学建模1.控制对象的数学建模方法：微分方程模型、离散时间模型、差分方程模型等。
2.控制信号的形式化表示：开环信号和闭环信号。
三、传递函数和频率响应1.传递函数：描述了控制系统输入和输出之间的关系。
2.传递函数的性质：稳定性、正定性、因果性等。
3.频率响应：描述了控制系统对不同频率输入信号的响应。
四、稳定性分析和设计1.稳定性的定义：当外部扰动或干扰没有足够大时，系统的输出仍能在一定误差范围内稳定在期望值附近。
2.稳定性分析的方法：根轨迹法、频域方法等。
3.稳定性设计的方法：规定根轨迹范围、引入正反馈等。
五、PID控制器1.PID控制器的定义：是一种用于连续控制的比例-积分-微分控制器，通过调节比例、积分和微分系数来实现对系统的控制。
2.PID控制器的工作原理和特点：比例控制、积分控制、微分控制、参数调节等。
六、根轨迹设计方法1.根轨迹的定义：描述了系统极点随控制输入变化时轨迹的变化规律。
2.根轨迹的特点：实轴特征点、虚轴特征点、极点数量等。
3.根轨迹的设计方法：增益裕量法、相位裕量法等。
七、频域分析与设计1.频率响应的定义：描述了系统对不同频率输入信号的响应。
2.频率响应的评价指标：增益裕量、相位裕量、带宽等。
3.频域设计方法：根据频率响应曲线来调整系统参数。
八、状态空间分析与设计1.状态空间模型：描述了系统状态和输入之间的关系。
《自动控制原理》教学大纲
自动控制原理》教学大纲一、课程的性质、地位与任务本课程是电力系统自动化技术专业的基础课程。
通过本课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，并具有对简单连续系统进行定性分析、定量估算和初步设计的能力，学生将掌握自动控制系统分析与设计等方面的基本方法，如控制系统的时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、状态空间分析法、采样控制系统的分析等基本方本课程系统地阐述了自动控制科学和技术领域的基本概念和基本规律，介绍了自动控制技术从建模分析到应用设计的各种思想和方法，内容十分丰富。
通过自动控制理论的教学，应使学生全面系统地掌握自动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，以便将来胜任实际工作，具有从事相关工程和技术工作的基本素质，同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。
二、教学基本要求了解自动控制的概念、基本控制方式及特点、对控制系统性能的基本要求。
理解典型环节的传递函数、结构图化简或梅森公式以及控制系统传递函数的建立和表示方法，初步掌握小偏差线性化方法和通过机理分析建立数学模型的方法，以串联校正为主的根轨迹综合法，掌握常用校正装置及其作用。
熟悉暂态性能指标、劳思判据、稳态误差、终值定理和稳定性的概念以及利用这些概念对二阶系统性能的分析，初步了解高阶系统分析方法、主导极点的概念，能利用根轨迹对系统性能进行分析，熟悉偶极子的概念以及添加零极点对系统性能的影响。
频率特性的概念、开环系统频率特性Nyquist图和Bode图的画法和奈氏判据，了解绝对稳定系统、条件稳定系统、最小相位系统、非最小相位系统、稳定裕量、频指标的概念，以及频率特性与系统性能的关系。
基本校正方式和反馈校正的作用，掌握复合校正的概念和以串联校正为主的频率响应综合法。
三、教学学时分配表四、教学内容与学时安排第一章自动控制系统的基本知识……4学时本章教学目的和要求：掌握自动控制系统组成结构和基本要素，理解自动控制的基本控制方式和对系统的性能要求，了解一些实际自动控制系统的控制原理。
自动控制原理课件8状态空间分析法
目录
• 状态空间分析法概述 • 线性系统的状态空间分析 • 非线性系统的状态空间分析 • 状态空间分析法的应用
01
状态空间分析法概述
Chapter
状态空间的概念
状态变量
描述系统动态行为的内部变量， 通常选取系统的输入、输出及内 部变量作为状态变量。
状态方程
描述系统内部状态变量之间关系 的数学模型，通常采用微分方程 或差分方程形式表示。
故障隔离和定位
结合状态空间方法和故障诊断算法，可以隔离和 定位故障源，提高故障处理的效率和准确性。
3
故障预测和预防
利用状态空间方法和数据挖掘技术，可以对控制 系统的故障进行预测和预防，降低故障发生的概 率。
THANKS
感谢观看
在控制系统仿真制系统的动态行为，验证 控制策略的有效性。
系统分析和调试
通过仿真实验，分析系统的性能指标，对系统进行调 试和优化。
多目标优化
利用状态空间方法，可以对多个性能指标进行优化， 实现多目标控制。
在控制系统故障诊断中的应用
1 2
故障检测和诊断
通过状态空间方法，可以检测和诊断控制系统的 故障，及时采取措施进行修复和维护。
状态方程定义
描述系统内部状态变量随时间变化的数学模型，通常表示为dx/dt = Ax + Bu，其中x是状态向量，u是输入向量，A 和B是系统矩阵。
建立状态方程
根据系统的物理特性和输入输出关系，通过适当的方法建立状态方程。
状态方程解法
通过求解状态方程，可以得到系统的状态响应。
线性系统的稳定性
稳定性的定义
极点配置的方法
通过求解线性矩阵不等式或优化问题，找到合适的 控制输入u(t)，使得系统的极点配置在期望的位置 上。
自动控制原理状态空间设计知识点总结
自动控制原理状态空间设计知识点总结自动控制原理是探讨和研究如何实现系统的自动控制以达到预期目标的学科。
状态空间法是自动控制领域中一种重要的设计方法。
本文将对自动控制原理中的状态空间设计的知识点进行总结。
一、什么是状态空间法状态空间法是自动控制原理中一种用于描述和分析线性时不变系统的方法。
它通过引入状态变量和状态方程的概念，将系统的输入、输出和状态统一起来，从而使得系统的设计和分析更加方便和灵活。
在状态空间法中，系统被描述为一组由状态变量、输入和输出组成的方程，其中状态变量描述了系统的内部状态，输入是系统的外部指令或信号，输出是系统的响应结果。
二、状态空间模型的表示方式1. 状态方程表示状态方程是状态空间模型的一种常用表示方式。
它由一组常微分方程组成，描述了系统状态随时间的变化规律。
一般形式的状态方程可以表示为：dx(t)/dt = Ax(t) + Bu(t)y(t) = Cx(t) + Du(t)其中，x(t)为n维状态向量，描述系统的内部状态；u(t)为m维输入向量，描述系统的外部输入；y(t)为p维输出向量，描述系统的响应结果；A、B、C、D为系统的系数矩阵。
2. 传递函数表示传递函数是状态空间模型的另一种常用表示方式。
它通过 Laplace 变换将系统的输入、输出表示为复频域函数的比值。
传递函数的一般形式为：G(s) = C(sI - A)^(-1)B + D其中，G(s)为传递函数，s为复变量，I为单位矩阵。
三、状态空间设计的基本步骤1. 确定系统的状态变量状态变量的选择对系统的描述和分析有重要影响。
一般来说，状态变量需要能够全面反映系统的内部状态，并且能够适应系统的控制要求。
2. 建立系统的状态方程根据系统的特点和要求，建立描述系统状态变化规律的状态方程。
可以根据物理原理、经验模型或者系统的观测数据进行建模。
3. 确定系统的输出方程输出方程描述了系统的响应结果如何与状态变量、输入信号相联系。
自动控制原理第五版
自动控制原理第五版自动控制原理第五版是一本介绍自动控制理论和应用的教材。
本书详细讲解了自动控制系统的基本概念、原理和方法，并通过大量的工程实例和案例分析，帮助读者理解和应用自动控制技术。
本书主要内容包括：1. 自动控制系统的基本概念和组成部分。
介绍了自动控制系统的基本概念，包括控制对象、传感器、执行器和控制器等组成部分，并详细解释了它们的作用和相互关系。
2. 系统建模与传递函数。
介绍了系统建模的方法和技巧，包括传统的数学建模方法和现代的系统辨识方法，并通过实例演示了如何得到系统的传递函数模型。
3. 闭环控制系统的分析与设计。
详细讲解了闭环控制系统的分析和设计方法，包括稳定性分析和频域分析等，并介绍了常用的控制器设计方法，如比例控制、积分控制和微分控制等。
4. 数字控制系统及其设计。
介绍了数字控制系统的基本原理和设计方法，包括采样定理、数字控制器设计和离散系统分析等内容。
5. 状态空间分析与设计。
详细介绍了状态空间分析和设计方法，包括状态空间模型的建立、可控性和可观性分析，以及状态反馈控制和观测器设计等。
6. 多变量控制系统。
介绍了多变量控制系统的基本概念和分析方法，包括多变量系统的稳定性判据、传递矩阵和多变量控制器设计等内容。
本书特色包括：1. 结合理论与实践。
除了介绍基本理论和方法，本书还通过大量的工程实例和案例分析，帮助读者更好地理解和应用自动控制技术。
2. 结构清晰、内容丰富。
本书的内容安排清晰，逻辑严谨，既覆盖了基础知识，又涵盖了应用技术，非常适合自动控制领域的学习和应用。
总的来说，自动控制原理第五版是一本全面介绍自动控制理论和应用的教材，通过理论讲解和实例分析，帮助读者掌握自动控制系统的基本原理和方法，具备自动控制系统分析与设计的能力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
t
)
RC
duC ( dt
t
)
uC
(
t
)
u(
t
)
状态方程
x1 x2
x1
x2
0 1
LC
1 R
L
x1 x2
0 1
u
该方法具有一般性,可用于 输入输出高阶微分方程
y 1
0
x x
1 2
输出方程
7
同一系统不同状态变量之间的关系？
前例R-L-C网络的两 种状态变量为
i
x
uc
和
0x
0 0
0
0
x u,
1
0
an1 b0
16
即 x Ax Bu
y Cx
0
1
0
0
0
1
A
0
0
0
a0 a1 a2
c 1 0 0 0
0 0
0
0
, b ,
1
0
an1
b0
输入端含导数项时如何建立状态空间表达式？
17
基于传递函数的直接分解法：
x2
1RL
C
1 L 0
x1 x2
1
L
0
u
y 0
1
x x
1 2
x1
x2
0 1
LC
1 R
L
x1 x2
0 1u
1 G( s ) LCs2 RCs 1
y 1
0
x x
1 2
由同一系统的不同状态空间表 达式导出的传递函数（阵）必 然相同
13
由微分方程或传递函数转化为状态空间模型
个变换阵为Vandermonde矩阵，即
1 1 1
λ1
λ2
λn
P
λ 12
λ22
λ n2
λ 1n
1
λ2n 1
λ nn
1
自证
26
0 1 0
例：A 0
0
1
,
试求变换矩阵P。
-6 -11 -6
解： 由 det( λI A ) 0 , 得 λ1 1, λ2 2, λ3 3
2 4
λ2=λ3=1，求将矩阵A变换为约当形的变换矩阵P。
解： 设属于λ1的特征向量为P1
(λ1I A)P1 0 取 p11 2, 则求得 p21 1, p31 2
P1 2 -1 -2T
30
双重特征值2 , 3 的特征向量P2 和 P3
x
uc uc
令
~x
uc uc
则
~x
uc uc
uc i C
0 1C
1 i
0
uc
即同一系统不同状态变量之间
Px
存在线性变换关系
8
线性系统状态空间表达式的一般形式
设 系 统 有p个 输 入 ，q个 输 出 ，n个 状 态 变 量 ， 则 有
x Ax Bu y Cx Du
系统
x1
y 1
0
0
x
2
x3
15
一般规律（输入端不含导数项）
xn
xn
xn1
x2 x1
y(n) an1 y(n1 ) an2 y(n2 ) a1 y a0 y b0 u
y
x1 x2 , x2 x3 , , xn1 xn
0
0
x
0
a0
y 1 0 0
1
0
0
1
0
0
a1 a2
11
由状态空间模型转化为传递函数（阵）
设 线 性 定 常 系 统 的 状 态空 间 模 型 为
x Ax Bu 注意！ u(t)
G(s)
y(t)
y Cx Du
系统
对其进行拉氏变换 sX(s) x(0 ) AX(s) BU(s) Y(s) CX(s) DU(s)
令初始条件为零， x( 0 ) 0 得：sX(s) AX(s) BU(s)
状态可控性和可观性 —— 核心内容
状态空间描述下系统的结构分析 —— 可控或可观状 态变量的划分（自学）
状态反馈和极点配置、最优控制、状态观测器设
计 —— 理论应用
主要讲SISO线性定常系统 4
一、线性系统的状态空间描述
状态变量：完全描述系统行为的最小一组变量
对 于n阶 系 统 ， 有n个 状 态 变 量 x1 ( t ), x2 ( t ), , xn ( t )
u( t ) 状
态 方
程
… …
x1
x2
xn
输
出
y( t )
方
程
状态空间描述的示意图
D
u
B
x ∫
x
C
y
A
线性系统状态空间模型的结构图
x Ax Bu y Cx Du
10
2. 两种模型的相互转化
由状态空间模型转化为传递函数（阵） 由微分方程或传递函数转化为状态空间模型 应用MATLAB进行模型之间的相互转化（自学）
A,B,C,D
这种转换不唯一! u(t) 系统 y(t)
U(s)
Y(s)
G(s)
转化的实质：寻找在外部特性上等价的状态空间表 达式，使其满足输入输出微分方程或传递函数
G(s) = C(sI-A)-1B+D 并称该状态空间表达式为该传递函数的一个实现。
方法：直接分解法、极点分解法、结构图分解法 （自学）
18
xn
xn
xn1
x2 x1
h(n) an1h(n1 ) an2h(n2 ) a1h'a0h u
x1 x2 , x2 x3 , , xn1 xn
y( t ) bn1 xn b1 x2 b0 x1
0
1
0
0 0
0
0
1
0 0
x
0
0
0
x
u,
1 0
a0 a1 a2
CP P 1sI AP 1 P 1B D
C sI A 1 B D
G( s )
24
矩阵 A 的对角化
（1） 矩阵A的特征值λi 互异（可变换为对角形） 设变换矩阵P为
P P1 P2 Pn1 Pn
A P 1 AP diag[ i ]
λi Pi APi , i 1,2 , ,n 即 ( λi I A )Pi 0 , i 1,2, ,n
y C P x Du
A P1AP , B P1B, C C P , D D
22
非奇异线性变换的几个重要性质
（1）线性变换不改变系统的特征值
∵变换前后有 A P 1 AP
变换后的特征多项式为
det λI A det λI P 1 AP
det P 1λI AP
det P 1 det λI Adet P det λI A
an1 1
y b0 b1 b2 bn1 x
称为可控规范形
19
思考：若传递函数不是严格真的有理分式 G(s) Y(s) bnsn bn1sn1 b1s b0 U(s) sn an1sn1 a1s a0 如何导出状态空间模型的可控规范形？
20
练习
B2.24(1),(2)； B2.25； B2.26; B2.27
i( t ) C duC ( t )
dt
x1
x2
y
x1
x2
1RL
简记为 x Ax Bu
C
状态方程
1 L 0
x1 x2
1
L
0
u
y Cx
y 0
1
x1 x2
输出方程
6
状态变量的选择是否唯一？
不唯一!
由R-L-C网络的输入
输出微分方程求
x2
x2 x1
y LC
d
2 uC ( dt 2
即 P1 1 0 1 T
28
用同样的方法可求得属于2 2 和 3 3
的特征向量分别为
P2 1 2 4T P3 1 6 9T
1 1 1
P 0
2
6
1 4 9
验证
1
A
P 1 AP
-2
- 3
29
（2）矩阵A 有多重特征值（可变换为约当标准形）
0 例：A 1
3
6 -5
0
2
，其特征值为λ1=2，
u(t)
y(t)
系统
A: 系 统 （ 状 态 ） 矩 阵（n n）
B: 控 制 矩 阵 （n p）
C: 输 出 矩 阵 （q n）
D: 前 馈 矩 阵 （q p）
A、B、C、D 为常数阵 定常系统 A、B、C、D 含时变参数 时变系统
9
一般的状态空间表达式：
x f ( x , u, t ) y g( x, u, t )
A,B,C,D
u(t)
y(t)
设 G(s) 为SISO系统
系统
U(s)
Y(s)
G(s)
G(s) Y(s) bn1sn1 b1s b0 b( s ) U(s) sn an1sn1 a1s a0 a( s )
则 Y(s) b( s )a1( s )U( s ) b( s )H( s )
a( s )H(s) U( s )
xn
xn
引入中间
变量 h(t)
x2
x1
h(n)( t ) an1h(n1 )( t ) a1h' ( t ) a0h( t ) u( t )
y( t ) bn1h(n1 )( t ) b1h' ( t ) b0h( t )