状态空间表达式的建立

State Space Representation

得到状态空间表达式

Description

前置知识: 系统 状态空间表达式 传递函数
本节从系统的两个层次来建立状态空间表达式


{x˙=Ax+Buy=Cx+Du

一、从内部结构机理建立

1.1 系统模拟结构图建立

和经典控制理论的系统结构框图一致,使用框图表示信号传递关系。
积分器的个数和状态变量数一致,积分器的输出就为状态变量。输入 x˙, 输出 x

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1.2 系统机理建立

CduCdt=iLdidt=uL

二、从外部描述建立

实现问题:由描述系统输入-输出动态关系的微分方程/差分方程传递函数建立系统的状态空间表达式。(保持了原有的输入-输出关系,又将系统的内部关系揭示出来;注意系统的实现是不唯一的)

2.1 传递函数无零点

高阶微分方程:

y(n)+an1y(n1)++a1y+a0y=b0u(t)

对应传递函数:

W(s)=b0sn+an1sn1++a1s+a0

取系统状态空间表达式为:

{x˙1=x2x˙2=x3x˙n1=xnx˙n=a0x1a1x2an1xn+uy=b0x1

对应状态空间表达式:

A=(010000100001a0a1a2an1)B=(0001)C=(b000)

系统矩阵为特征多项式对应的友矩阵

2.2 传递函数有零点

高阶微分方程:

y(n)+an1y(n1)++a1y+a0y=bmu(m)+bm1u(m1)++b1u+b0u

对应传递函数:

W(s)=bmsm+bm1sm1++b1s+b0sn+an1sn1++a1s+a0mn

对应状态空间表达式:(以下是当 m=n 时情况,如果 m<n,注意 bm+1,,bn=0 即可)

形式一

A=(010000100001a0a1a2an1)B=(0001)C=(b0a0bnb1a1bnbn1an1bn)D=bn

(实际上为状态空间表达式的能控标准型和能观标准型#1.1 能控标准 I 型

形式二:

A=(010000100001a0a1a2an1)B=(βn1βn2β1β0)C=(1000)D=βn(1an11an2an11a0a1an11)(βnβn1βn2β0)=(bnbn1bn2b0)βn=bnβn1=bn1an1βnβn2=bn2an2βnan1βn1β0=b0a0βna1βn1an1β1