线性定常状态方程的解

矩阵指数函数

一、线性定常齐次状态方程

当初始时刻为 t0,初始状态 x(t0) 时,矩阵微分方程的解为:

x˙(t)=Ax(t)x(t)=eA(tt0)x(t0)=Φ(tt0)x(t0)

1. 化为约旦标准型

求解核心:利用状态向量的线性变换将系统矩阵化为标准型,再结合特殊矩阵的指数函数

计算出特征值|λIA|=0

2. 拉普拉斯变换

求解的核心:计算逆矩阵,分解因式进行拉普拉斯逆变换,求得时间域上的解。

由拉普拉斯变换得到:

sX(s)=AX(s)+x(0)(sIA)X(s)=x(0)X(s)=(sIA)1x(0)x(t)=L1[(sIA)1]x(0)

对比矩阵指数得到:

eAt=L1[(sIA)1]

3. 凯莱哈密顿定理

求解核心:将矩阵指数表达为 n1n1 以下幂次的线性组合,记住系数的计算公式

计算出特征值|λIA|=0
凯莱-哈密顿定理得到:

eAt=m=0n1αm(t)Am=αn1An1+αn2An2++α1A+α0I
如果特征值均不相等

范德蒙德矩阵的转置的逆

(α0α1αn1)=(1λ1λ12λ1n11λ2λ22λ2n11λnλn2λnn1)1(eλ1teλ2teλnt)(α0α1α2)=(1λ1λ121λ2λ221λ3λ32)1(eλ1teλ2teλ3t)
如果特征值均相等
(α0α1αn2αn1)=(000010001(n1)λ001(n1)(n2)2!λn3012λ(n2)λ(n3)(n1)λn21λλ2λn2λn1)1(1(n1)!tn1eλt1(n2)!tn2eλt12!t2eλtteλteλt)

αni=dαni+1dλ1i1

(α0α1α2)=(001012λ1λλ2)1(12!t2eλtteλteλt)

二、线性定常非齐次状态方程的解

当初始时刻为 t0,初始状态 x(t0) 时,线性非齐次状态方程的解由两部分组成:

x˙(t)=Ax(t)+Bu(t)x(t)=Φ(tt0)x(t0)+t0tΦ(tτ)Bu(τ)dτx˙(t)=Ax(t)+Bu(t)x(t)=Φ(t)x(0)+0tΦ(tτ)Bu(τ)dτ

经典输入信号