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文档简介
§2-1线性定常齐次状态方程的解(自由解
若初始时刻t0x(t0)x0,则式(2-1) x(t)eA(tt0)x,t 若初始时刻从t0x(0)x0
0x(t)eAtx0
t
证:先假设式(2-1)的解x(t)为t的矢量幂级数形式,即x(t)bbtbt2btk
x(tb2bt3bt2kbtk1 代人式(2-1)xA(bbtbt2btk) 既然式(2-4)是(2-1)的解,则式(2-5)对任意时刻t都成立,故t的同次幂项的系数应bAb,b1
1A2b,b1Ab1A3b
b1 1Akb k 在式(2-4)中,令t0b0x(0)4,故得:x(t)(1At1A2t21Aktk
括号内的展开式是nn矩阵,它是一个矩阵指数函数,记为eeAt1At
A2t2
1AktkK01AktkK0 再用(tt代替(t0,即在代替tx(t)eA(tt0x 2-2矩阵指数函数——状态转移矩 X(teAtXX(teA(tt0 由上式可知,它反映了从初始时刻的状态向量到任意t0或tt0
X(t0种向量变换关系。变换矩阵就是eAt,它不是常数矩阵,它的元素一般是时间t的函数,是一个nn所以eAt也称为状态转移矩阵,记为(t,(t)eAtX(0X(t的转移矩阵,而(tt)0X(t0X(tXAXX(t(tX(0X(t(tt0X(t0,在tX(0)X10以此为初始条件,且已知(t,那么在t
X X 20X
)X11(t)X
X X 21xt00若已知
,那么t
X
)X12
)X
X X
22X(0(t1或(t2X(t1X(t2若以tt1X(t1是初始状态从t1转移到t2的状态将为:X(t2)=(t2t1)X(t1将式(2-8)x(t2)(t2t1)(t1
x(0x(t1x(t2比较式(2-9)和(2-11)可知转移矩阵(或矩阵指数)
)
或eA(t2t1e
e
x(t0,求得任意时刻t的状)(t)()(t或eAte
eA(t
这就是组合性质,即从0,0t(t0)[0()][t()](t(tt)I或eA(tt)
它意味着状态矢量从时刻t又转移到时刻t,显然状态矢量是不变的[(t)]1(t或[eAt]1e
转移矩阵的逆意味着时间的逆转,利用这个性质,可以在已知x(t)的情况下求出小于时刻tx(t0(t0t(tA(t(tA
Ae
eAt
即(t)或eAt矩阵与A矩阵是可以交换的对于方阵AB(nn)ABBAeAte
eAB)tABBAeAte
eAB)t
0 AA=∧=
eAt(t)
n0 t enAT1ATeAt(t)T
0T
ent0A=∧=
0n0eAt1At1A2t21Antn X(t)(tt)X(t)xxtT1ITT1ATt1T1A2Tt2 1T1AnTtn 1211
12t
0 2! 1 1
2t2
2! I
t
n 0
12t21t12t2 1
2! 2!
n!
12t
12t2 22
21 2 1t12t2 1ntn
0
2!
n!
ent
entT[T1eAtT]T1
0
T T1T T ent
ent A 0 AJ
, 1
n1101 0101 00 00 eJt(t)et eAtIAt1At)21At)3
t
A
t
12!
1
(n1(n1t
(nt10t1
0 11
0 0
01 01 A
1
0
设t(n1)!t(n1)!2 (n1)!t1t
0
1t 1t
(n
1 1 t1(n1t1t1
(n2)! et
(n et 1ABBA的条件下eAB)teAteBt X 解:
0
0 00 0 000
ABBA 0
0又知,eAt ,注:A e
eBtIBt1B2t2
1 0
1 3
1 0 t
t2
t3
t4 0
2! 2
3! 0
4! 4112t214t4 t13t3
sin
sintcost t 3t3 2t2 4t4
sinxx 注:级数
cosx e
0
sint(t)eAteBt etsin costet etsint
t
sintetsin etcost sin cost 例2:已知X 解 sIAs
0 s
s s
s
s
(s)2
(s)22sI
(s)22 s s (s)22 (s)22 eatsin(sa)2k
s eatcos(sa)2k 1
1
et etsint
t
sint(t)
(sI
etsin etcost sin cost 一.(t)或eAt的计算(状态转移矩阵的计算根据(t)或eAt的定义直接计eAt1At1A2t21Antn1:A
1解 eAt1At1A2t
Aktk k 1 12teAt t
13 3
3 1 1 1t 13 1 3t 3 32 33! 0 1 3t 3 1 3t 72 7 36 0 1
13t 1
76
3t 72
5t t3t27t3t3t27t37
22t3t2
t32612613t t2 t3 AT1ATTA变换为对角线矩阵的变换阵。eAtTetT2:AIA2
1
23212
1,
1TP P P12,APP01 P 1 22 1P11P11
P21,
P11
2,则P
3
P
P
1 1
21
21
1P122P12
P22,
取
1
3
2P
P
2 2
22
22
1
2 1TP P ,T1 2
1 1 1
1 1 0 2
2
3
20T1AT,1, 2
1
0
1 1
0 1eAtTetT1
2 2
2
e2t
2
e2t
1 2et
ete2t
2t
2
2t
P56JT1AT,根据式(2-18)eAtTeJtT3:A
1;求e 1 解:IA
1
1,
2,J
00
0p11
p11
1p21
=
21
p31p21p11,p31p21,2p115p214p31
P1P
1P254PP1,所以P
21P21P2AP2p12
0p12
p11
p-
1
=
=22
22
21
p12p221,p22p321,p322p125p224p32取 0,
1,
2
32P23P3p13
0p132
=
1p23 23
2p13p23,2p23p33,p332p135p234 1,
2,
4
T
2,det1
24+0+2-1-0-4=1,adjT
2
1T1
1
1=
1
1
1
1
0 JT1AT=
11
1
2
=
1
2= ∴eJt
et
000e2t
2
s 0eAt
0 0 s 0 s
ssIA1 s 0 s
(s (s (s1)(s
s
(s1)(s (s1)2(s2)2 (s (s1)2 (s2)1sIA1
0 0
e2tJ
e
还需求出变换矩阵T和T1eAtTeJtT
0p12 P
P,
1
1
22
22
22
p12p22 p2p5p4 当 1时,
0,
1
0
TT012,1=531At121 t2(e2tet利用拉氏反变换法求eeAt(t)L1[(sIA)1
X(tAX(tX(0)X00sX(sX(0AX(s)(sIAX(s)X(0)X,左乘(sIA1000X(ssIA)1 X(tL1[(sIA)100
X(t)eAt
,t
eAtL1[(sIA102-4:A0
试用拉氏反变换法求e解 sIA
1s(s3)sssI(sIA)sI
s(s1)(s (s (s1)(s (s2e
e
e
e eAtL1[sIA]1
2e
e
2t应用-定理求e(1)f(A)An An1aAaI An An1 An2 aAaIAn1
AI 同 An1AAn An An1aA2a1100 1100
An1
An2aA
An1aA2a
)An1
)An2
)A
n1a0以此类推An1An2都可以
An1,
AI在定义式(2-7)中eAt1At
A2t2
Aktk,用(1)An次及neAt1At
A2t2
(n
An1tn1
Antn
(n
An1tn1
(t)An1
(t)An2a(t)A
1010已知状态转移矩阵(t)的情况下,如何确定系统矩阵A,方法有A证明:因为(t)A(t)A(t)(t)(t)1(t),1(t)1(t),故有A(t)(t)A证明:因为(t)eAt,当t0A(tt0由上式可以求出矩阵A例:已知系统的状态转移矩阵,试求系统矩阵A
(t) (1
(12t)e2t
A(t)(t) (4 (48t)e2t (1
(12t)e2t
A
(4 (48t)e2t t
(1
t
s
s
(sIA)1L(t)
s (s (s (s (s2)2 s4 (s s (s2)2 (s (s2)2 s s 0
(sIA)
s 4 0 (s
(s2)2
s
s
s4 (s (s2)2 A 12-5:A
求eAt表示式中的ai(tAIA2
3 定理有A23A2I A23AA3
A(3A2I)
2A3(3A2I)2A7AA4AA3A(7A6I)7A26A7(3A2I)6A15A…A22eAt1At1A2t21A3t31A4t4 1At1(3A2I)t21(7A6I)t31(15A14I)t4 (t3t27t315t4 )A(1t2t314t4 a1(t)Aa0∴a(t)=t3t27t315t4,a(t)=1t2t314t4 ai(t上例求ai(t只是对(2-22)加深理解,并说明ai是时间t的函数,实际上不宜计算ai(t,一则是得不到ai(t)的解析表达式,二则是当维数较高时,将造成计算上的繁琐。下面给出计算ai(t)的一般公式。A0a(t)0
n11e1t1a1(t)1
n1
e2t
n n
n1
t
AA是可以互换的,因此也23,从而有:a(t)a
(t)n1
01a(t)a(t) (t)n101 a(t)a(t) (t)n1 上式对a0
a2
23A的特征值均相同,为1时,
t
1
e1
(t)
(n
(n1
n2
(t)
(n
e1 =
(n1)(n2)n3
aa
(n
1t2e 1 11 1
证明:同上(P60)a(t)a(t)a
(t)n1
上式对1求导数,有a(t)2a
(n
(t)n2 再对1求导数有
(t)
(n1)(n
(t)n3t211(n (t)t由上面的n个方程对ai(t)求解,即得式(2-24A 1
eAt2-
3, 解:已知1=-1,2=-2,为互异根a
1e1t 11et
1et 2ete2t101
2
e2t
e2t
1e2t ete2t (2ete2t) 2et 2et2et 2et
2e2t2et
2
A,(t) tA
2
et 12
2e2tet
t
2-7:A
t10
2 14 1,求eAt
1解 IA 12132重根部分按式(2-24)处理,非重根部分按式(2-23)a0 a 1
1 1
213213
2
1a
et t
2
adjA
2
2e
10 10
1323
1
12
e eAta(t)Ia(t)Aa(t
1 4
2tet 3tet2et tetete2t2(e2tettet 3tet5et tet2et2e2t 3tet8et tet3et4e2t
2tete2t,
3tet2et2e2t,
tetet1212XAXY(t)CX
d[eAtX(t)]eAtBu(t)d(eAtX
eAt
de
X
At
eAt
e
对上式从0到t积分dtd
teABu(0 t eAX()
eABu(0teAtX(t)X(0)eABu(0teAtX(t)X(0)eABu(0t两边同乘eAt,即eAte
1X(t)eAtX(0eA(tBu()d,而e0
(t)tX(t)(t)X(0)(t)Bu(0如果从t0tX(t)(tt0)X(t0)
(t)Bu(
x1
1x10u,Y 0x
3x
2 t
2
eax0X(t)eAt0
eA(tBu()d0
eaxdx C先求(t,已知(t)eAt
2et
et 2et
et2e2tu(t)1(tB0X(0)x1
x tX(t)(t)X(0)(t)Bu(02et
et
x(0)
(t)Bu(02et et2e2tx20 (2ete2t)x(0)(ete2t)x
t
2e(t)e2(t
e(t)e2(t
0(2et2e2t)x(0)(et2e2t)x 0
2e(t)2e2(t
e(t)2e2(t) (2ete2t)x(0)(ete2t)x
t
e(t)e2(t)
(2et2e2t)x(0)(et2e2 x(0)0
e(t)2e2(t)t e(t)de2(t)d
12t
x(t)
et
1 1
0 x2 t
t e(t)d2e2(t)d
0y(t)CX(t)
0x1(t)x(t)
1et1x x 脉冲响应时;当u(tK(tX(0X时X(teAtXeAt 阶跃响应时;当u(tK1(tX(0X时X(teAtXA1(eAt 斜坡响应时;当u(tKt1(tX(0X时X(teAtX[A2eAt1 K——与u(tu(t)
tt
X(0) te(t)e2(t X(t)(t)B
e(t)2e2(t)0t=
te(t)d0
0 e2(t
e(t)d
2e2(t)d et=
ede2t0
e2d
e注 xeaxdxe
(ax1)
aet
ed
2t0
e2de te =
(1)t
2t4
(21) 00
te(t
t
00et00
(1)t
2t4
(21)t 00000e te
(t1)
[4
(2t1)1(01)]4=(t1)et(1)2e2t
4
(2t1)
1(0 1t3
e2tet
X(t)=
t x1(t)
31t
1xy(t)CX(t)x
0 作业:2.4(2,2.5(2)(4),2.6附:伴随方前面讨论的是系统自由响应问题,假定初始条件已知X(0)(t0。现在是某一时刻tX(t)(t)X X(0)1(t)X设
T1
T(t)1(t)对t取导(t)
T(t)1(t)T(t)1(t)X(t)(t)X(t) [T(t)T(t)A](t)若(t)0T(t)T(t)(t)AT
乘法定理AT]T
(
BT
Z(tAZ(t,上式中的(t
Z(t)(t)Z
(
1(t))33求得系统的转移矩阵(t1tX(0Z(tATZ(tX33
例:
A 1
Z(t)
(t)L1{[sIA]1}
2et 2et2e2t=et e2t
=
et
et2e2t1(t)T
2et
et 2etX(0)1(t)X
et2e2ts
s 1
(s1)(s (s1)(s2)L1{
}L1 (s1)(s (s1)(s2)
(利用部分分式解2
22
t t
2tL1s
s
s
s2
1s1
s
1s1
2s2
et
et2e2t= s =1(s1)(s
s(s(s3)(s(s1)(s
s
s
2a2
(s(s(s
11s∴(s1)(s2)
s1
s2 =
(s1)(s s
s2(s2(s(s1)(s
s1
b2
2(s2(s(s1)(s
21 (s1)(s
2s1
s3 (s1)(s
s
sc1c2
s1(s1(s(s1)(s1(s2)
111∴(s1)(s2)
s1
1s (s1)(sd
ss(ss(s(s1)(s
ds
s1
1d2
s(s2)s(s2)(s1)(s2)
21 (s1)(s
1s1
s§2-4状态转移矩阵的性一.讨论状态转移矩阵的性质就是讨论矩阵指数eAt的性 (t2t1)(t1t0)(t2t0 (tt)(tt)eA(t2t1eA(t1 1(t)
A(t2t1t1t0)=eA(t2t0)=(tt(t)eAt,(t)e (t,t)1(t,
eAt(eAt)1
1(0)
t,te0(t,t0)A(t)(t,t0
XAX设t00X(0)
yX(s)(sIA)1X(0)(sI-A)1Bu(s)(sIA)1XsIA)1But注:x(teA(tt0)eA(tBu(
x(t)ty(t)CeA(tBud(拉氏反变换得出)输入为(ty的输出为系统的脉冲响应h(t0
h(t)(t)=
h(t)=0
(t)h(t)d=(t)h(t)n1h(iT)T(tiT n当n0 n
i1,2,3,n1∴h(t)CeAt h(t)L1[C(sIA)1f(t在处连续,如果有另一个函数(t(t)(t)=lim0
tt
(t)df(t)(t)d
t[t1,t2则称(t为Dalta1,故又称为单位系统在t0时刻的r个输入均为单位脉冲函数(tt0,即Ui(t)ei(tt0
ei1第ii=1,2…,X(t00时,在tt0H(tX(t)(tt0)X(t0)
t(t)Bu(X(t00D0
X(t)(t)Bu(0 Y(t)C(t)Bu()d=C(t)Bei(tt0)d=C(tt0
hi(tt0令t
h(t)C(t
t
thi(t当t
hi(t)系统t时刻的输出仅与t以前的输入有关,而不取决于t以后的输入H(t)=h1(t
h2(t
hr(t
C(t
C(t)Ber=C(tH(t)
er]
C(t
tt设0CeAt
tH(t)
t令t0
Y(t)CeAtX(t0)H(t)u((t0)(t)etY(t)H(t)u(H(t)ceAtk1u(t)
2
K是与u(tk kX(t)X(t)eAtXeAt0Y(t)CeAttX(t)eAt Y(t)CeAtX0CH(t)()KdCH(tX(t)eAt0tX(t)eAtX0eA(t)Bu(tX00X(t)eA(tBu()deAtB(t)KeAt0rr
u(t)K(t)
tt
K
kT与u Y(t)CeAtX0H(t)u()dCeAtX0[CeA(t)BK tCeAtX0CeAteA0te0t
AdIt
1At2
1A2t3 AA1
eAdA1[At0
A2t2
A3t3A1[(IAt1A2t21A3t3)I A1eAt0A1(eAtIX00
Y(t)CeAteA0
CeAt[A1(eAtI[CeAtA1eAtCeAtCA1[IeAt]BKCA1[eAtI0或 X(t)eAtXA1(eAtI0Y
u(t)
ttK
k
X(t)XrtrY(t)C(tt0)X(t0)C(t)Bu(tCeA(tt0)X(t0)H(t)u(tCeAtX0H(t)u(0tCeAtX0CeA(t)Bu(0tCeAtX0CeAteA0
eAteABKdeAt(IA A22
eAt t
1 1 33244A3t5 1A2t2)A21A2t2A3t33A4t44
At若A2存在,将上式改写teAteABKd(IAt0
A5t5A2(1A2t21A3t31A4t4)BKA2(eAtI 0Y(t)CeAtXCA2(eAtI000X(t)eAtXA2(eAtIAt)BKeAtX[A2(eAt1)00
u(t)2
t
tK
k
X(0)r0Y(t)CeAtr0
CA3(eAtIAt1A2t22假 H(t)CeAtH(t000H(s)LH(t)H(t)estdt[CeAtBestdt]C[eAtBestdt]C(sIA)1B000L(eAt)eAtestdt(sI0
即eAtL1[(sI1:
X
1X
y
eAt
2et
1et12et
et2e2t
At1
2et
et
11 11
112et
et2e2t=2ete2t2et
ete2tet2e2t=e2t
e2t2e2t=e2t2e2te2t
=T
1C~CTC
1
1
3B B
11AT1AT
0~e
0
作业 e2t ~
~
e
03 3
H CeAt 1
e2t H(t)h(t)
e2t
2x10(t
y
0x1
H(t
3x
2x2
2
2
2
2(1e3teAt(t)L1[(sIA)1]L1
L1
0s(s3) 0 s
s3
0
3tH(t)CeAtB
3
030
3(1 2
§2-5离散时间系统状态方程的先介绍用递推法(迭代法X(k1)GX(k)
X(k Xk这是一阶矩阵差分方程的解, 一差分方X(k1)0.2X(k) k=0,1,2,…,X(0)0,u(k)k
X(1)0.2X(0)2u(0)21k
X(2)0.2X(1)2u(1)0.222k
X(3)0.2X(2)2u(2)0.21.6210.322k
X(4)0.2X(3)2u(3)0.21.68210.3362这种算法适用于计算机计算,应该X(k)已知u(k)已知
X(k1)GX(k)y(k1)CX 当k0当k X(1)GX(0)当k X(2)GX(1)Hu(1)G2X(0)GHu(0)当k X(3)GX(2)Hu(2)G3X(0)G2Hu(0)GHu(1)从k1
X(k)GX(k1)Hu(k1)GkX(0)Gk1Hu(0)GHu(k2)Hu(kkX(k)GkX(0) GkJ1Hu(j
(k1,2,3,)(j1,2,3,,k1)很明显,X(kX(0ujj1,2,3,k1k个时刻的状态,只与此采样时刻以前的输入采样X(k1)GXF(k)y(k)CTX(k)X
GG2
0 0
u(0)u(1)注:用矢量矩阵形式表示
X(0)
X k
k
k
G
Hu(kX1(k1)X2(k)X2(k1)X3(k)…Xn1(k1)Xn(k)Xn(k1)a0X1(k)a1X2(k)an1Xn(k)y(k)X1(k)
hn1
n2X(k1) X(k)u(k0001 0001 h1
an1
y(k) hn
0X(k)hn1bn1
h0b0a0bna1bn1an1b1b00式中Gk(或Gkh)相当于连续系统中的(t)eAt(或(tt)eA(tt0)0阵(t)ek,它是满足(k1)G(k),(0)I的唯一的矩阵。利用状态转移矩阵(k将前式可写成kX(k)(k)X(0) (kj1)Hu(j
性质有1(k)(k)k X(k)(k)X(0) (j)Hu(kjj
ky(k)C(k)X(0) (kj1)Hu(jk y(k)C(k)X(0) (j)Hu(kjjkh
(h)[(GkhkX(k)GkhX(h) Gkj1Hu(j或z
kX(k)(kh)X(h) (kj1)Hu(jX(k1)GX(k)
zzX(z)zX(0)GX(z)(zIG)X(z)zX(0)X(z)(zIG)1zX(0)(zIG)1
zXX(k)L1[(zIG)1zX(0)]L1[(zIG)1(k)X(0)GkX(0)L1[(zIG)1zXGk(k)L1[(zIG)1k(kj1)Hu(j)L1[(zIG)1jk X(k)GkX(0) Gkj1Hu(j要获得采样瞬时之间的状态和输出,只需在此采样周期内,即kTtk
内,令tkTT(k)T,(0X(k)T(T)X(kT)
(T)dHu(kTk首先, Gkj1Hu(j)的z变换,kjk
k
k[Gkj1Hu(j)]
Gkj1Hu(j)zk
zkjGkj1Hu(j)zj
k
j
k
j[Gk1Hu(0)zkGk2Hu(1)zkGk3Hu(2)zkk(Hz1GHz2G2Hz3)[u(0)u(1)z1u(2)z2(IGz1G2z2)Hz1[u(k)zkk(IGz1)1Hz1u(k)zk
(IGz1)1z1[zI[zIG]1k∴L1[zIG]1Hu(z)] Gkj1Hu(j
k0GkX(k1)GX(k
G 1
H
1当k1
u(k)1X(k
X(k)(k)X(0)L1[zIG]1u(z)
z
X(0)1
u(k)
(k0
11
z 先求:(k)L1[(zIG)1z]L1
zL1
z 1
(z0.2)(z0.8)
z(k)L1zz
z z
z3
z
z
z0.2
z 1 4(0.2)k
5(0.2)k5(0.8)k(k)30.8(0.2)k
(0
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