线性系统理论 - 机电工程学院
线性系统理论全PPT课件
若f(x,u,t),g(x,u,t)的全部组成元为x、u的 线性函数,该系统称为线性系统
A(t ) X B(t )u X 对于线性系统 Y C (t ) X D(t )u
1/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ,12/50
若f(x,u,t),g(x,u,t)的全部或至少一个 组成元素为x、u的非线性函数,该系 统称为非线性系统 。 非线性系统可以用泰勒展 开方法化为线性系统。
线性系统理论
电子信息学院
1
1、线性系统理论的研究对象 • 系统是系统理论研究的对象； • 系统是由相互关联和相互作用的若干组 成部分按一定规律组合而成的具有特定 功能的整体； • 系统模型，是对系统或其简化形式的一 种描述；
2
• 动态系统---动力学系统 • 动力学系统--可用一组微分方程或差分方程 来描述； • 系统的线性性和非线性性; • 当数学方程具有线性属性时，相应的系统
5
• 建立数学模型 • 数学模型的基本要素是变量、参量、常数 和它们之间的关系 • 变量：状态变量、输入变量、输出变量、
扰动变量
已阅)线性系统理论
第五章 线性系统的能控性和能观测性
§5-1 引言
§5-2 能控性
D(t)dd1q11((tt)),,......,,dd1qpp((tt))∈ Rqp (输入输出联系的系数阵)
对于线性定常系统， A、B、C、D为常数阵。
•故
x(t)Ax(t)Bu(t) y(t)Cx(t)Du(t)
第七章* 传递函数距阵的状态空间实现
§7-1 实现的基本概念
§7-7 传递函数的最小实现 §7-3 SIMO系统传递函数距阵的最小实现 §7-4 MISO系统传递函数距阵的最小实现 §7-5 *传递函数距阵的Jordan最小实现
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4
➢参考教材：
1．线性系统理论(第二版) 郑大钟，清华大学出版社，2002.10
引入了状态空间法（卡尔曼），提出了能控性和能观测性 的概念（卡尔曼），由“外部研究”深入到“内部研究”；
发展了多变量频域理论，利用计算机进行辅助设计与分析，
等。
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7
第一章 线性连续系统的 状态空间描述
§1-1 系统的状态空间描述
建模实例
建立图示电路的数学模型。
uc
(t)
1 c
i(t)dt
x 1 (t)uc(t),x2 (t)i(t)
及 d xi(t)x i,)
dt
iቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
则 有 x x 1 2 ( (tt) ) 1 0L 1 R C L x x 1 2( (tt) ) 1 0 L u r(t)
线性系统理论和设计
线性系统理论和设计是控制工程中的重要内容，涉及到对线性系统的建模、分析和控制设计。
以下是关于线性系统理论和设计的基本内容：
1. 线性系统模型
-线性系统描述：线性系统是指具有线性性质的动态系统，其输出与输入之间满足线性关系。
-线性系统模型：通常用微分方程、差分方程或状态空间方程描述线性系统的动态特性。
2. 线性系统分析
-系统稳定性分析：通过研究系统的零点、极点等性质来判断系统的稳定性。
-频域分析：通过频率响应、波特图等方法分析系统在频域下的性能。
-时域分析：通过阶跃响应、脉冲响应等方法研究系统在时域下的响应特性。
3. 线性系统设计
-控制器设计：设计合适的控制器来实现系统的性能要求，常见的控制器包括比例积分微分（PID）控制器、根轨迹设计等。
-系统鲁棒性设计：设计具有鲁棒性的控制器，能够抵抗参数变化和外部干扰的影响。
-最优控制设计：利用最优控制理论设计最优的控制器，使系统性能
达到最佳。
4. 线性系统应用
-自动控制系统：将线性系统理论和设计方法应用于自动控制系统，实现对各种工程系统的自动控制和调节。
-信号处理系统：利用线性系统理论设计数字滤波器、信号处理算法等，对信号进行处理和提取。
-机电系统：应用线性系统理论设计机电系统的控制器，实现机电系统的精密控制和运动规划。
线性系统理论和设计在控制工程领域具有广泛的应用，能够帮助工程师分析和设计各种复杂系统的控制策略，提高系统的性能和稳定性。
《线性系统》课件
线性系统的控制目标
01
02
03
04
稳定性
确保系统在受到扰动后能够恢 复稳定状态。
跟踪性能
使系统输出能够跟踪给定的参 考信号。
抗干扰性
减小外部干扰对系统输出的影 响。
优化性能指标
最小化系统性能指标，如误差 、超调量等。
线性系统的控制设计方法
状态反馈控制
基于系统状态变量进行 反馈控制，实现最优控
稳定性分析
利用劳斯-赫尔维茨稳定判据等 工具，分析系统的稳定性。
最优性能分析
通过求解最优控制问题，了解 系统在最优控制下的性能表现
。
2023
PART 06
线性系统的应用实例
REPORTING
线性系统在机械工程中的应用
总结词
广泛应用、控制精度高
详细描述
线性系统在机械工程中有着广泛的应用，如数控机床、机器人、自动化生产线等。这些系统通过线性 控制理论进行设计，可以实现高精度的位置控制、速度控制和加速度控制，提高生产效率和产品质量 。
时域分析法
通过求解线性常微分方程或差分 方程，可以得到系统的动态响应
，包括瞬态响应和稳态响应。
频域分析法
通过分析系统的频率响应函数，可 以得到系统在不同频率下的动态响 应特性。
状态空间分析法
通过建立系统的状态方程和输出方 程，利用计算机仿真技术对系统的 动态响应进行模拟和分析。
2023
PART 05
2023
PART 02
线性系统的数学模型
REPORTING
线性系统的微分方程
总结词
描述线性系统动态行为的数学方程
详细描述
线性系统的微分方程是描述系统状态随时间变化的数学模型，通常采用常微分 方程或差分方程的形式。这些方程反映了系统内部变量之间的关系及其对时间 的变化规律。
电子工程中的线性系统理论
电子工程中的线性系统理论线性系统理论是电子工程中非常重要的一部分内容。
其涉及到信号处理、控制系统、通信系统等多个领域。
本文将对线性系统理论的定义、特征、基本理论等方面进行简要介绍。
一、线性系统的定义线性系统是指其输入和输出具有线性关系的系统。
简单地说，就是许多输入信号叠加组成的输出信号，与单独输入信号的输出信号相加之和完全相同。
其中输入信号可以是电压、电流、功率等，输出信号也可以是同样的类型。
例如，如果一个系统的输入信号为 $x_1$ 和 $x_2$，对应的输出信号为 $y_1$ 和 $y_2$，则该系统是线性的，当且仅当：$$y_1 = ax_1 + bx_2 \\y_2 = cx_1 + dx_2$$其中 $a,b,c,d$ 均为常量。
二、线性系统的特征1. 叠加性：线性系统具有叠加性，即当系统中输入信号为$x_1$ 和 $x_2$ 时，对应的输出信号分别为 $y_1$ 和 $y_2$，则系统中同时输入 $x_1+x_2$ 时，输出信号为 $y_1+y_2$。
2. 抑制性：线性系统具有抑制性，即输入信号越大，输出信号越小。
如果输入信号的某一部分被视为噪声，则线性系统可以减小噪声的影响，同时保持信号的大部分原始信息。
3. 延时特性：线性系统具有延时特性，即在特定的时间段内输入信号可以得到响应。
例如，音频系统在接收到输入信号后需要一定时间来处理信号，并绘制出相应的声音波形。
三、线性系统的基本理论1. 系统函数和频率响应系统函数是将输入信号转换为输出信号的函数，通常用$H(s)$ 或 $H(jw)$ 表示，其中 $s$ 是连续时间变量，$jw$ 是离散时间变量，表示系统的频率响应。
频率响应是指系统在不同频率下的输出功率和输入功率之比，通常用 $H(jw)$ 表示。
2. 系统的稳定性稳定性是指系统在输入端输入有限信号时输出端不会产生无限响应的性质。
在线性系统中，通常采用相对稳定性来描述系统的稳定性，这意味着系统相对于任意有限的输入信号都稳定。
《线性系统理论》课程教学探讨
《线性系统理论》课程教学探讨《线性系统理论》是控制理论中的基础课程之一，主要研究线性动态系统的建模、分析与控制。
在工程领域，线性系统理论被广泛应用于自动控制、信号处理、通信系统等各个方面。
对于控制理论专业的学生来说，学习《线性系统理论》课程是非常重要的。
在教学中，如何更好地教授《线性系统理论》课程，引导学生深入理解并掌握相关知识，是每位控制理论教师都面临的一个重要问题。
本文将探讨如何进行《线性系统理论》课程的教学，包括教学内容、教学方法、教学手段等方面，以期能够为相关教师提供一些启发与帮助。
一、教学内容《线性系统理论》课程的教学内容主要包括线性系统的基本概念、线性系统的数学描述、线性系统的时域分析、线性系统的频域分析、线性系统的稳定性分析、线性系统的控制器设计等方面。
时域分析包括状态空间描述、零输入响应、零状态响应、传递函数描述等内容；频域分析包括拉普拉斯变换、傅里叶变换、频率响应等内容；稳定性分析包括系统的内稳定性、外稳定性等内容；控制器设计包括状态反馈控制、输出反馈控制、最优控制等内容。
在教学内容的安排上，可以根据教学大纲和学生的实际需求进行适当的调整和补充。
可以结合具体的工程案例，引入一些实际的控制问题，让学生通过学习《线性系统理论》课程，能够更好地理解和应用所学知识。
二、教学方法针对《线性系统理论》课程的教学方法，可以采用多种方式，包括课堂讲授、案例分析、实验教学等。
在课堂讲授方面，可以通过引入生动的实例和案例，以及讲解一些与线性系统相关的最新研究成果，激发学生的学习兴趣，增强他们的学习动力。
在案例分析方面，可以选取一些实际的控制工程问题，进行详细的分析和讨论，让学生通过具体的案例了解线性系统理论的应用。
在实验教学方面，可以通过实验平台、仿真软件等工具，进行相应的实验操作和数据分析，让学生通过实际操作来加深对线性系统理论的理解。
还可以采用小组讨论、课外阅读、学术论文撰写等方式，培养学生的团队合作能力、独立思考能力和科研创新能力。
线性系统理论第三章
为约旦标准型
J1 0
A
P 1AP
0
J2
0 A PAP 1
0
0
0
J
n
i 1
Ji
0
i
0
0
0
1
i nini
, eJit
如何计算矩阵指数函数 eAt ？
§3.2 矩阵指数函数的计算
Linear system theory
1. 拉普拉斯变换方法：
eAt I
At
1
A2t 2
2!
两边取拉普拉斯变换，有
1 Ak t k
k0 k !
L
e At
L
I
At
1 2!
A2t
2
1 s
I
1 s2
A
1 s3
A2
另外一方面，有
exp[(M 1AM )t] M 1eAt M = exp[(M 1AM )t]
(M 1AM )k t k
M 1 Ak M t k
M 1(
Ak t k )M = M 1eAt M
k 0
k ! k0
k!
k0 k !
§3.1 状态方程的解
Linear system theory
3. 强迫运动： 当 u(t) 0，给定
t2 )
A2
(
t12 2!
t1t2
t22 ) 2!
A3 (t13 3!
t12t2 2!
t1t22 2!
t23 ) 3!
Ak ( t1k
t1k 1t2
t1k
t2 2 2
k ! (k 1)! (k 2)!
t12t2k2 t1t2k2 t2k ) = e A(t1t2 ) 2!(k 2)! (k 1)! k !
线性系统理论
线性系统理论线性系统理论是一个广泛应用的数学分支，该分支研究线性系统的性质、行为和解决方案。
线性系统可以描述很多现实世界中的问题，包括电子、机械、化学和经济系统等。
在这篇文章中，我们将探讨线性系统理论的基础、应用、稳定性和控制等不同方面。
一、线性系统基础线性系统是一种对于输入响应线性的系统。
当输入为零时，系统的响应为零，称之为零输入响应。
当没有外界干扰时，系统内部存在固有的动态响应，称之为自然响应。
当有外界输入时，系统将对输入做出响应，称之为强制响应。
线性系统具有很多性质，可以让我们更好地理解系统的行为。
其中一个重要的性质是线性可加性，就是说当输入是线性可加的时候，输出也是线性可加的。
换句话说，如果我们有两个输入信号，将它们分别输入到系统中，我们可以在系统的输出中将它们加起来，并得到对应的输出信号。
另外一个重要的性质是时不变性，就是说当输入信号的时间变化时，输出信号的时间变化也会随之发生。
这个性质告诉我们，系统的行为不随着时间的改变而改变。
除此之外，线性系统还有其他很多性质，比如可逆性、稳定性、因果性等等。
二、线性系统的应用线性系统有着广泛的应用，它们可以用来描述很多各种各样的问题，包括但不限于电子电路、航天控制、化学反应、经济系统等等。
下面我们来看看这些应用领域中的具体案例。
1. 电子电路线性系统在电子电路中有着广泛应用。
例如，如果我们想要设计一个低通滤波器，以使高频信号被抑制，我们可以使用线性系统来描述它的行为。
我们可以将电子电路看作一个输入信号到输出信号的转换器。
这个转换器的输出信号可以通过控制电子器件的电流、电压等参数来实现。
这种线性系统可以用来滤掉任何频率的信号，因此在广播和通信中也有广泛的应用。
2. 航天控制航天控制是线性系统理论的一个应用重点。
它包括控制飞行器姿态、轨道以及动力学行为。
在这些问题中，线性可变系统被广泛应用。
这种系统的输出信号是受到飞行器的控制和环境因素的影响。
控制器的任务是计算信号，以引导飞行员和总体系统实现期望的性能和特征。
研究生课程“线性系统理论”的深入解析
作者简介：魏萍（1975—），讲师，研究方向为控制理论及应用。 65
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教改教法
（2）从非线性系统得到相应稳态点附近的线性系统，数 学表达式中可以看到状态变量发生了变化，线性系统中的 状态变量与输入变量实际上是原非线性系统中状态变量的 增量。一般来说，如果从实际系统经过机理分析建立的数学 模型是非线性模型，那么相应的状态变量有实际的物理意 义，所以此时需要注意，线性系统中的变量是相应增量，在 具体问题分析与设计中，明确这一点至关重要。
（3）对于非线性系统来说，稳态点(x0, u0)可能是不唯一 的，故针对不同的稳态点就对应不同的局部近似线性系统， 不同线性系统就会有不同的运动特征，进而设计不同的控 制系统。另外，从前面两点已经明确，当系统状态（真实状 态）在某稳态点邻域内时，也就是稍微偏离稳定态时，线性 系统的分析综合结果用于非线性系统。而当稳态点不唯一 时，更要注意状态局部偏离的意义，否则一不小心跳到其他 吸引域或发散域，控制效果会出人意料。
文章编号：1672-7894（2015）36-0065-02
摘 要 “线性系统理论”是自动化专业研究生的一门专业 课程，知识体系相对完备，是学习其他后续课程的理论基 础。本文旨在针对平时作业和考试中考查不到、学生平时学 习不关注的部分内容进行深入理论解析，内容包含：线性系 统与非线性系统、时变系统与时不变系统、内部稳定与外部 稳定，以期提升学生对线性系统理论的全面深入理解，进而 培养学习中的“研究”能力。 关键词 线性系统理论 研究生课程 理论解析
主要着重于习题研究，或部分理论用于实验指导。所以在研 究生课程学习中，仍习惯沿袭以往的方式，过于注重实用， 如具体计算和直接套用，而忽略一些深层次理解，不能体现 “研究”能力的培养。本文旨在结合“线性系统理论”时间域 理论教学体会，从学生所忽略的方面深入展开，以期达到培 养学生“研究”习惯的形成。
线性系统理论机电系统分析报告
X = ( A − BK ) X + Bu Y = CX
g
g −155.9 −5.4 565 X + X = v 即 2336.4 −4 0 Y = 0 1 X ( )
（4 ）状态反馈控制的 S i m u l i n k 仿真分析 采用构造机电系统状态反馈控制的仿真模型，如下图所示：
（5）改变极点，重新仿真
如果配置极点为 P=[-75+80i -75-80i] 我们可以得出反馈矩阵 K= [-1.1016 -0.0163] 运行后得出如下输出波形
四、实验总结
我们比较配置极点前后的仿真图形，可以看出配置极点前，即没有状态反馈，系 统是不稳定的。而经过状态反馈后，我们可以得到我们期望的性能指标，使整个 系统进入稳定。 再比较配置极点不同时的情形。 我们由期望的阻尼比和调节时间得出所配置的极 点和反馈矩阵和输出响应。 而当改变极点后， 调节时间增大， 并且超调量也增大， 不符合我们的要求。 应用极点配置法， 可以将系统的闭环极点配置在期望的位置上，从而使闭环系统 得到稳定，并同时得到较好的动态特性。
线性系统理论上机实验报告
题目：机电系统状态空间分析
班级:自研-11 学号：2011301310110 姓名：付得意 完成时间：2011-12-02
题目：
已知他励式直流伺服系统的参数。电枢回路的电感和电阻分别为
La = 1.77 ×10−3 H ， Ra = 1.36Ω ； 电 机 的 反 电 动 势 常 数 和 力 矩 常 数 为 Ce = Cm = 2.5 ×10−2 ；折算到电机轴上的等效粘滞阻尼系数和等效转动惯量为
Y = CX
g
ia
Ra − 其中： A = La Cm Je
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研究生课程教学大纲
课程编号：S293001
课程名称：线性系统理论
开课院系：电气学院任课教师：宋博
先修课程：自动控制原理适用学科范围：电气工程、控制科学与工程学时：54 学分：3
开课学期：2 开课形式：
课程目的和基本要求：
线性系统理论是系统与控制学科领域最为基础的课程，是以状态空间法为主要工具研究多变量线性系统的理论。
通过本课程的学习，要求学生达到
1、掌握线性系统理论的基本知识及其分析方法，能够用状态空间表达式来描述系统，并根据系统的微分方程建立其状态空间表达式的方法。
2、掌握系统特征值的求取方法，掌握线性定常系统非齐次方程的解和线性时变系统的解的求取方法，以及离散时间系统状态方程的两种解法。
3、掌握能控性、能观性的定义及各自的判别准则。
4、掌握用李雅普诺夫第一法和第二法分析系统的稳定性的方法。
5、掌握状态反馈和状态观测器设计的基本方法。
6、掌握频域理论的基本知识。
7、对线性系统理论的新发展有所了解。
课程主要内容：
第一部分线性系统概述(3学时)
了解系统控制理论的研究对象与线性系统理论的基本概貌。
第二部分线性系统的状态空间描述(9学时)
理解状态和状态空间概念；掌握线性系统的状态空间描述；了解连续变量动态系统按状态空间描述的分类；掌握由系统输入输出描述导出状态空间描述；掌握线性时不变系统的特征结构；掌握状态方程的约当规范形；掌握由状态空间描述导出传递函数矩阵；理解线性系统在坐标变换下的特性；掌握组合系统的状态空间描述和传递函数矩阵。
第三部分线性系统的运动分析(9学时)
理解连续时间线性时不变系统的运动分析；掌握连续时间线性时不变系统的状态转移矩阵；掌握连续时间线性时不变系统的脉冲响应矩阵；掌握连续时间线性时变系统的运动分析；理解连续时间线性系统的时间离散化；掌握离散时间线性系统的运动分析。
第四部分线性系统的能控性和能观测性(9学时)
掌握能控性和能观测性的定义；掌握连续时间线性时不变系统的能控性判据；掌握连续时间线性时不变系统的能观测性判据；掌握连续时间线性时变系统的能控性和能观测性判据；掌握离散时间线性系统的能控性和能观测性判据；理解线性系统的对偶性；掌握离散化线性系统保持能控性和能观测性的条件；掌握能控规范形和能观测规范形；掌握连续时间线
性时不变系统的结构分解。
第五部分系统运动的稳定性(9学时)
理解外部稳定性和内部稳定性；掌握李亚普诺夫意义下运动稳定性的基本概念；掌握李亚普诺夫第二方法的主要定理；掌握构造李亚普诺夫函数的规则化方法；掌握连续时间线性系统的状态运动稳定性判据；掌握连续时间线性时不变系统稳定自由运动的衰减性能的估计；掌握离散时间系统状态运动的稳定性及其判据。
第六部分线性反馈系统的时间域综合(9学时)
理解状态反馈和输出反馈基本概念；掌握状态反馈极点配置方法；掌握输出反馈极点配置方法；掌握状态反馈镇定方法；掌握状态反馈动、静态解耦方法；掌握跟踪控制和扰动抑制；掌握线性二次型最优控制方法；掌握全维状态观测器与降维状态观测器。
第七部分传递函数矩阵的矩阵分式描述(6学时)
了解矩阵分式描述；掌握矩阵分式描述的真性和严真性；掌握从非真矩阵分式描述导出严真矩阵分式描述；掌握不可简约矩阵分式描述；掌握确定不可简约矩阵分式描述的算法；掌握规范矩阵分式描述。
课程主要教材：
1、郑大钟.线性系统理论(第二版)，清华大学出版社，2002年
主要参考文献：
1、陈晓平. 线性系统理论,机械工业出版社，2011年
2、王纪文译. 线性系统的理论与设计，科学出版社，1988年
学院审核意见：学位分委员会审批意见：
签字：签字：
日期：日期：。