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2003线性系统讲稿3
* * * * 第三章 线性系统的运动分析 §3-1 状态方程的解 定义如下矩阵函数 它具有如下性质: 证: 5) 若A可逆: 证: 即 7)仅当A与F为可交换时 [预备知识]:线性定常系统的运动 1、自由运动:线性定常系统在没有控制作用,即u=0时,由初始状态引起的运动称自由运动。 齐次状态方程的解: 2、强迫运动:线性定常系统在控制u作用下的运动,称为强迫运动。 非齐次状态方程的解: 满足初始状态 的解是: 一、直接求解: 1、标量齐次微分方程: 满足初始状态 的解是: 满足初始状态 的解是: 2、齐次状态方程 其中: 定义为矩阵指数函数,和A一样也是n×n阶方阵 [线性定常齐次状态方程的求解方法]:直接求解,拉氏变化求解 下面考虑自由系统 的解 定理1:自由系统 的解为: 证: 满足微分方程 将t=t0代入得 满足初始条件 (1) 对于一般的状态方程 (2) 若令 (3) 解以上的方程,两边取积分 代入 得方程(2)的解为: 若取起始时间为0,则得 (4) 定理2:状态方程 的解为 (5) 零输入响应 零状态响应 可见系统的运动由两部分组成。一部分是由于初始状态引起的转移项(零输入响应)。另一部分是由于控制输入作用下的受控项(零状态响应)。后者的存在使我们有可能选取合适的u,使x(t)的轨线按期望的要求改变。 §3-2 线性定常系统的状态转移矩阵 定义1:对于给定的线性定常系统 称满足以下矩阵方程 的n×n维阵 为系统(1)的状态转移矩阵。 (1) 因为系统为n维,所以自由方程 有且仅有n个线性无关解。找出任意n个线性无关解,并且它们为列构成n×n维矩阵函数ψ(t) ,则称ψ(t)为方程 的基本解阵。 ψ(t)满足 为非奇异实矩阵。基本解阵与转移矩阵之间满足: 这是因为: 对于 ,可以证明 为它的一个基本解阵。这是由于成立: 非奇异 从而它的转移矩阵为: 利用转移矩阵可以将方程 的解表示为: 若取 ,则有 若令 ,由以上系统零输入响应可知 即 就是将时刻t0的状态X0映射到时刻t的状态X(t)的一个线性变换,它在定义时间区间内决定了状态向量的自由运动。 §3-3 eAt的计算 eAt是矩阵函数,它的计算方法有: 1)无穷级数法,例 2) 有限级数法 求特征根 令 3) 拉氏变换法 对自由系统 取拉氏变换得: 而其时域解为 对比可知 例 故 4) 约旦形法: 若取T为A的特征向量与广义特征向量构成的矩阵,则 为约旦标准型,从而可以通过计算 得到 eAt 。而eJt容易计算。 求 由 解得: 。代入特征方程 可得到特征向量 i)A具有完整的特征向量系时,求得A的特征向量构成变换矩阵T。例, 令 ii)一般情况 T为特征向量与广义特征向量构成的变换矩阵 例: 故 只有一个约旦块 解得 解得 解得 所以 §3-4 模式分解 定义1:设 ,若有数λi和向量fi使得 则称 为A的左特征向量。若A有 完整的特征向量系,其特征向量为 令 则 即为A的左特征向量 因为 定理1:若 具有完整的特征向量系,则状态方程 的解为: 证: (2) 称(2)式为方程 的解的模式分解。(2)式中的每一项 称为模式。它对应于x(t)的自然频率为λi的那一个分量。它由三部分组成: 表
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