第1章第二部分线性系统的动态分析.pptVIP

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另一方面,在已知各状态变量初始值的条件下,将连续状态方程离散化,应用数字计算机可十分容易地从初始时刻递推求出各采样时刻的状态变量值,得到连续状态方程近似数值解,从而避免数值积分方法繁琐的求解计算。线性连续状态方程的离散化有求系统脉冲传递函数的频域离散化方法和时域中采样保持的离散化方法,本节只讨论时域中线性连续系统的离散化。■线性定常连续状态方程的离散化■线性时变连续状态方程的离散化第93页,共135页,星期日,2025年,2月5日1.10.1线性定常连续状态方程的离散化为了将式(1-83)描述的连续系统离散化变成式(1-84)描述的等效离散系统,在系统的输入、输出端人为地加上理想采样器,且为使采样后的输入控制量u(kT)复原为原来的连续信号,在输入信号采样器后加保持器,如图1-2所示,并假设:采用周期采样,采样周期T的选择满足Shanon采样定理;保持器为零阶保持器,即假设输入控制量u(t)为仅在采样瞬时变化而在采样间隔内保持不变的阶梯形信号。图1-2线性连续系统的离散化第94页,共135页,星期日,2025年,2月5日由式(1-42),连续系统状态方程的解为上式中,令,,有(1-85)由于假设在一个采样周期内输入信号保持不变,即故式(1-85)中的与式(1-84)中的等效差分型状态方程比较得且可提到积分号外,并第95页,共135页,星期日,2025年,2月5日以上推导证明若与满足矩阵相乘可交换条件式(1-58),状态转移矩阵可用式(1-56)所示的矩阵指数表示,此时可得式(1-48)闭合形式的解为(1-60)由式(1-58)得第61页,共135页,星期日,2025年,2月5日即(1-61)显然,若对任意的、,下式(1-62)成立,则与满足矩阵相乘可交换条件。第62页,共135页,星期日,2025年,2月5日从到对上式两边取积分,得(1-63)反复应用式(1-63)可将展成无穷级数,即时变系统的系统矩阵一般并不满足式(1-62),这时就不能采用简便方法求解,通常也得不到闭合形式的,但可表示成递推形式,采用数值计算近似求解。由式(1-55)得第63页,共135页,星期日,2025年,2月5日(1-64)式(1-64)所示级数称为Peano-Baker级数,若的元素在积分区间有界,则该级数收敛,但难以表成封闭形式的解析式,可据精度要求采用数值计算方法近似求解。第64页,共135页,星期日,2025年,2月5日1.8.2线性时变系统状态转移矩阵的性质1.传递性(1-65)证明由时变齐次状态方程解的表达式(1-53),有故有第65页,共135页,星期日,2025年,2月5日2.可逆性(1-66)证明令式(1-65)中,则有故有第66页,共135页,星期日,2025年,2月5日1.8.3线性时变非齐次状态方程的解设线性时变非齐次状态方程式(1-47)的解为(1-67)将式(1-67)代入式(1-47),并据式(1-55)得则有故第67页,共135页,星期日,2025年,2月5日上式中的可据式(1-67)、式(1-55)求得,即则线性时变非齐次状态方程式(1-47)的解为(1-68)式(1-68)表明,由于线性系统满足叠加原理,线性时变系统状态的全响应由源于系统初始状态的零输入响应和源于系统输入控制作用的零状态响应两部分构成。第68页,共135页,星期日,2025年,2月5日【例1-7】已知线性时变齐次状态方程为,求当,时,状态方程的解。解即与满足矩阵相乘可交换条件,系统状态转移矩阵可由式(1-56)所示的矩阵指数求得。即第69页,共135页,星期日,2025年,2月5日则第70页,共135页,星期日,2025年,2月5日【例1-8】求线性时变系统,的状态转移矩阵解。可见交换,应采用式(1-64)所

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