线性系统的时域分析.ppt

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1、2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,3 线性系统的时域分析,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,本章知识点本章讨论线性系统的运动分析。主要介绍连续系统的状态空间模型的求解状态转移矩阵的性质和计算,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,概 述建立了系统的数学描述之后,接着而来的是对系统作定量和定性的分析。定量分析主要包括研究系统对给定输入信号的响应问题,也就是对描述系统的状态方程和输出方程的求解问题。定性分析主要包括研究系统的结构性质,如能控性、能观性、稳定性等。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,本章讨论用状态空间模型描述的线性系统的定量分析问题

2、,即状态空间模型-状态方程和输出方程的求解问题。讨论状态转移矩阵的定义、性质和计算方法,并在此基础上导出状态方程的求解公式。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,本章需解决的问题:线性定常连续系统状态方程的解理论基本概念:状态转移矩阵状态转移矩阵和矩阵指数函数eAt的性质和计算,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,3.1 线性定常连续系统状态方程的解求解状态方程是进行动态系统分析与综合的基础,是进行定量分析的主要方法。本节讲授的状态方程求解理论是建立在状态空间上,以矩阵代数运算来描述的定系数常微分方程解理论。下面基于矩阵代数运算的状态方程解理论中,引入了状态转移矩阵这一

3、基本概念。该概念对我们深刻理解系统的动态特性、状态的变迁(动态演变)等都是非常有帮助的,对该概念必须准确掌握和深入理解。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,在讨论一般线性定常连续系统状态方程的解之前,先讨论线性定常齐次状态方程的解,以引入矩阵指数函数和状态转移矩阵等概念。所谓齐次状态方程就是指状态方程中不考虑输入项(即u(t)=0)的作用,满足方程解的齐次性。研究齐次状态方程的解就是研究系统本身在无外力作用下的自由(自治)运动。所谓非齐次状态方程就是指状态方程中输入项的作用,状态方程解对输入具有非齐次性。研究非齐次状态方程的解就是研究系统在外力作用下的强迫运动。,2023/9/1

4、4,第3章 线性系统的时域分析,下面,将依次分别讨论:齐次状态方程的解线性定常连续系统的状态转移矩阵线性定常连续系统非齐次状态方程的解,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,3.1.1 线性定常齐次状态方程的解所谓齐次状态方程，即为下列不考虑输入的自治方程x=Ax齐次状态方程满足初始状态,的解,也就是由初始时刻t0的初始状态x(t0)所引起的无输入强迫项(无外力)时的自由运动。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,对上述齐次状态方程,常用的常微分方程求解方法有级数展开法和拉氏变换法 2种。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,级数展开法,1.级数展开法在求解齐

5、次状态方程式之前,首先观察标量常微分方程在初始时刻t0=0的解。该方程中x(t)为标量变量,a为常数。由常微分方程理论知,该方程的解连续可微。因此,该解经泰勒展开可表征为无穷级数,即有式中,qk(k=1,2,.)为待定级数展开系数。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,将所设解代入该微分方程,可得 如果所设解是方程的真实解,则对任意t,上式均成立。因此,使t有相同幂次项的各项系数相等,即可求得令x(t)的解表达式中t=0,可确定q0=x(0)因此,x(t)的解表达式可写为,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,上述求解标量微分方程的级数展开法,可推广至求解向量状态方程的解

6、。为此,设其解为t的向量幂级数,即 x(t)=q0+q1t+q2t2+qktk+式中,qk(k=1,2,.)为待定级数展开系数向量。将所设解代入该向量状态方程x=Ax,可得q1+2q2t+3q3t2+kqktk-1+=A(q0+q1t+q2t2+qktk+)如果所设解是方程的真实解,则对任意t,上式均成立。因此,使t有相同幂次项的各项系数相等,即可求得,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,若初始时刻t0=0,初始状态x(0)=x0,则可确定q0=x(0)=x0因此,状态x(t)的解可写为该方程右边括号里的展开式是nn维矩阵函数。由于它类似于标量指数函数的无穷级数展开式,所以称为矩阵

7、指数函数,且记为,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,利用矩阵指数函数符号,齐次状态方程的解可写为：x(t)=eAtx0,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,拉氏变换法,2拉氏变换法对该齐次状态方程x=Ax,设初始时刻t0=0且初始状态x(t0)=x0,对方程两边取拉氏变换,可得sX(s)-x0=AX(s)于是可求得该齐次状态方程的解x(t)的拉氏变换为X(s)=(sI-A)-1x0,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,对上式取拉氏反变换,即得齐次状态方程的解为x(t)=L-1(sI-A)-1x0下面讨论如何求解拉氏反变换L-1(sI-A)-1。主要思想为将

8、标量函数的拉氏变换与反变换平行推广至矩阵函数中。对标量函数,我们有,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,将上述关系式推广到矩阵函数则有,其中eAt称为时间t的矩阵指数函数，并有,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,因此,基于上述(sI-A)-1的拉氏反变换,该齐次方程的解为x(t)=L-1(sI-A)-1x0=eAt x0上述拉氏反变换法求解结果与前面的级数展开法求解结果一致。若初始时刻t00,对上述齐次状态方程的解作坐标变换,则可得解的另一种表述形式:,状态方程的解表达式说明了齐次状态方程的解实质上是初始状态x(t0)从初始时刻t0到时刻t系统运动状态的转移,其转移特

9、性和时刻t的状态完全由矩阵指数函数 和初始状态x(t0)所决定。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,为讨论方便,引入能描述系统状态转移特性的线性定常连续系统的状态转移矩阵如下:(t)=eAt因此,有如下关系式x(t)=(t)x0=(t-t0)x(t0)由上述状态转移矩阵定义和齐次状态方程的解,系统状态转移矩阵有如下关系(t)=L-1(sI-A)-1,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,齐次状态方程的解描述了线性定常连续系统的自由运动。由解的表达式可以看出,系统自由运动的轨线是由从初始时刻的初始状态到t时刻的状态的转移刻划的,如图3-1所示。,图3-1 状态转移特性,2

10、023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,当初始状态给定以后,系统的状态转移特性就完全由状态转移矩阵所决定。所以,状态转移矩阵包含了系统自由运动的全部信息。可见,状态转移矩阵的计算是齐次状态方程求解的关键。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,解(1)首先求出矩阵指数函数eAt,其计算过程为,例3-1 试求如下状态方程在初始状态x0下的解,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,(3)状态方程的解为,(2)计算矩阵指数函数eAt。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,3.1.2 线性定常连续系统的状态转移矩阵下面进一步讨论前面引入的状态转移矩阵,主要内容为:

11、基本定义矩阵指数函数和状态转移矩阵的性质,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,1.基本定义定义3-1 对于线性定常连续系统x=Ax,当初始时刻t0=0时,满足如下矩阵微分方程和初始条件:(t)=A(t),(t)|t=0=I 的解(t)为线性定常连续系统x=Ax的状态转移矩阵。这里定义的状态转移矩阵与前面定义的是一致的。引入上述状态转移矩阵新定义,主要是为了使状态转移矩阵的概念易于推广到时变系统、离散系统等,使得有可能对各种类型系统的状态方程的解作统一描述，更好地刻划系统状态运动变化的规律。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,当系统矩阵A为nn维方阵时,状态转移矩阵(t

12、)亦为nn维方阵,且其元素为时间t的函数。下面讨论几种特殊形式的系统矩阵A的状态转移矩阵1)对角线矩阵。当A为如下对角线矩阵:A=diag1 2 n则状态转移矩阵为式中，diag表示由括号内元素组成对角线矩阵。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,(2)块对角矩阵。当A为如下块对角矩阵:A=block-diagA1 A2 Al其中Ai为mimi维的分块矩阵,则状态转移矩阵为式中，block-diag表示由括号内各方块矩阵组成块对角矩阵。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,(3)约旦块矩阵。当Ai为特征值为i的mimi维约旦块,则分块矩阵的矩阵指数函数为,对上述三种特殊

13、形式矩阵的状态转移矩阵和矩阵指数函数,可利用矩阵指数函数的展开式证明。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,2.矩阵指数函数和状态转移矩阵的性质由矩阵指数函数的展开式和状态转移矩阵的定义,可证明矩阵指数函数和状态转移矩阵具有如下性质(t)为方阵A的状态转移矩阵)1)(0)=eA0=I,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,2)eA(t+s)=eAteAs，(t+s)=(t)(s)式中t和s为两个独立的标量自变量证明 由指数矩阵函数的展开式,有3)(t2-t1)-1=(t1-t2),2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,4)对于nn阶的方阵A和B,下式仅当AB=B

14、A时才成立e(A+B)t=eAteBt5)6)(t)n=(nt)7)(t2-t1)(t1-t0)=(t2-t0)8),2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,由状态转移矩阵的意义,有x(t2)=(t2-t1)x(t1)=(t2-t1)(t1-t0)x(t0)=(t2-t1)(t1-t0)x(t0)而x(t2)=(t2-t0)x(t0),因此，性质(7)表明,在系统的状态转移过程中,既可以将系统的一步状态转移分解成多步状态转移,也可以将系统的多步状态转移等效为一步状态转移,如图3-2所示。,图3-2 系统的状态转移,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,例3-2 求如下系统的状

15、态转移矩阵的逆矩阵。解：对于该系统,在例3-1已求得状态转移矩阵为由于-1(-t)=(t),所以求得状态转移矩阵的逆矩阵为,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,3.1.3 非齐次状态方程的解当线性定常连续系统具有输入作用时,其状态方程为如下非齐次状态方程:x=Ax+Bu该状态方程在初始状态,下的解,也就是由初始状态x(t0)和输入作用u(t)所引起的系统状态的运动轨迹。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,下面用两种求解常微分方程的方法直接求解法拉氏变换法讨论非齐次状态方程的解,以及解表达式的意义输出方程的解,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,1.直接求解

16、法将状态方程x=Ax+Bu移项,可得x-Ax=Bu将上式两边左乘以e-At,则有e-Atx-Ax=e-AtBu即d(e-Atx)/dt=e-AtBu在区间t0,t内对上式积分,则有,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,上式便是非齐次状态方程的解。当t0=0时,解x(t)又可记为,即,因此,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,若用状态转移矩阵来表示,上述非齐次状态方程的解又可分别记为,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,2.拉氏变换法将该非齐次状态方程两边取拉氏变换,可得sX(s)-x0=AX(s)+BU(s)即X(s)=(sI-A)-1x0+BU(s)其中X

17、(s)和U(s)分别为x(t)和u(t)的拉氏变换。对上式两边取拉氏反变换,并利用卷积分公式,则有,上述求解的关键为等式右边第二项。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,下面先回顾卷积积分的拉氏变换法则。设W1(s)和W2(s)分别为原函数f1(t)和f2(t)的拉氏变换,则f1(t)和f2(t)的卷积的拉氏变换为,结果与直接求解法完全相同。,对上述状态方程的求解式利用卷积分公式,则有,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,3.状态方程解的意义由前面讨论的非齐次状态方程的解知,线性定常连续系统状态方程的解由两个部分相加组成。第一个部分是由初始状态所引起的自由运动,它是系统

18、的初始状态对系统状态的转移的影响,与初始时刻后的输入无关,称为状态的零输入响应。第二个部分是由输入所引起的系统强迫运动,其值为输入函数与矩阵指数函数的卷积。因此,它与输入有关,与系统的初始状态无关,称为状态的零状态响应。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,状态方程的解表明,系统在任意时刻的状态取决于系统的初始状态x(t0)和从初始时刻t0以来的输入。如果人为地选择输入信号(施以控制),就可以使系统状态在状态空间中获得所期望的状态轨线。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,或,或,4.输出方程的解由非齐次状态方程的解x(t),可得输出方程y=Cx+Du的输出响应为,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,或,线性定常连续系统输出的解由3个部分相加组成。第一个部分是由初始状态所引起的自由运动第二个部分是由输入所引起的系统强迫运动。第三个部分是由直联项引起的前馈响应。,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,例3-3 已知线性定常系统为,试求系统在单位阶跃输入作用下,状态方程的解。解 在例3-1中已求出状态转移矩阵(t)为,于是,系统状态方程在阶跃输入u(t)=1(t)下的解为,2023/9/14,第3章 线性系统的时域分析,