

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文檔簡介
2.6從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)(陣)系統(tǒng)動態(tài)方程和系統(tǒng)傳遞函數(shù)(陣)是控制系統(tǒng)兩種經(jīng)常使用的數(shù)學模型。動態(tài)方程不但體現(xiàn)了系統(tǒng)輸入輸出的關系,而且還清楚地表達了系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的關系。相比較,傳遞函數(shù)只體現(xiàn)了系統(tǒng)輸入與輸出的關系。我們已知道,從傳遞函數(shù)到動態(tài)方程是個系統(tǒng)實現(xiàn)的問題,這是一個比較復雜的并且是非唯一的過程。但從動態(tài)方程到傳遞函數(shù)(陣)卻是一個唯一的、比較簡單的過程。從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)已知線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式為
式中x(t)—系統(tǒng)n維狀態(tài)向量;u(t)—系統(tǒng)r維輸入向量;y(t)—系統(tǒng)m維輸出向量。2從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)對上式兩端取拉氏變換,可得設初始條件x(0)=0,則有
式中,,m
r維。傳遞函數(shù)陣3從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)W(S)為一個m×r的傳遞函數(shù)陣,即:其中,wij(s)為一標量傳遞函數(shù),它表示第j個系統(tǒng)輸入
對第i個系統(tǒng)輸出的傳遞作用。從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)對于單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng),按上式求出的W(s)為系統(tǒng)的標量傳遞函數(shù),可表示為當系統(tǒng)的傳遞函數(shù)無零極點對消時,有5從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)(1)系統(tǒng)矩陣A的特征多項式等于傳遞函數(shù)的分母多項式;
(2)傳遞函數(shù)的極點就是A的特征值。由于系統(tǒng)狀態(tài)變量的選擇不惟一,故建立的系統(tǒng)狀態(tài)表達式也不是惟一的。但是同一系統(tǒng)的傳遞函數(shù)陣卻是惟一的。6從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
補例:已知系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式為試求其傳遞函數(shù)陣。7從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
解:
傳遞函數(shù)陣為:
8從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)【例2-14】求下列動態(tài)方程的傳遞函數(shù)。解:從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)在MATLAB中,用SS2TF語句可以直接求出W(S)。A=[-110;0-10;00-2];B=[-2;1;1];C=[462];D=0;[NUM,DEN]=ss2tf(A,B,C,D)end從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)2.7離散時間系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式
離散時間系統(tǒng)就是系統(tǒng)的輸入和輸出信號只在某些離散時刻取值的系統(tǒng)。與離散時間系統(tǒng)相關的數(shù)學方法有差分方程,信號Z變換,以及系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)。離散時間系統(tǒng)一般用差分方程表示其輸入和輸出信號的關系。從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)設系統(tǒng)n階差分方程為:
——
表示時刻
——
為采樣周期;,
——
分別為時刻的輸入、輸出;
——
表征系統(tǒng)特征的常系數(shù)。系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)為輸出信號的Z變換與輸入信號的Z變換之比:
與連續(xù)時間系統(tǒng)傳遞函數(shù)在形式上相同
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)同連續(xù)時間系統(tǒng)一樣,由離散時間系統(tǒng)差分方程或脈沖傳遞函數(shù)求取離散狀態(tài)空間表達式的過程叫做離散系統(tǒng)的實現(xiàn)。離散系統(tǒng)動態(tài)方程一般形式為:
式中x(k)—系統(tǒng)的n維狀態(tài)向量;u(k)—系統(tǒng)的r維輸入向量(控制向量);y(k)—系統(tǒng)的m維輸出向量;G(k)—n
n線性離散系統(tǒng)的系統(tǒng)矩陣;H(k)—n
r線性離散系統(tǒng)的控制矩陣;C(k)—m
n線性離散系統(tǒng)的輸出矩陣;D(k)—m
r線性離散系統(tǒng)的直接傳輸矩陣。從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
如果G(k),H(k),C(k),D(k)均為常數(shù)矩陣,上式就變?yōu)榫€性定常離散系統(tǒng),其狀態(tài)空間表達式為:
14從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)方塊圖表示如圖:單位延遲環(huán)節(jié),具有T秒的時間延遲。從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)差分方程式化為狀態(tài)空間表達式
1.差分方程的輸入函數(shù)為bu(k)時設系統(tǒng)的差分方程為
選取狀態(tài)
16從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)則高階差分方程可化為一階差分組
17從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)寫成向量方程形式,得18從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
或
其中:
19從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)2.差分方程的輸入函數(shù)包含u(k)u(k+1),…時設系統(tǒng)差分方程為從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)可選擇如下一組狀態(tài)變量
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)或:從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)例:已知離散系統(tǒng)的差分方程為:
試求系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式。解:選狀態(tài)變量24從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)則狀態(tài)空間表達式25從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)化為狀態(tài)空間表達式
線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為
它可仿照連續(xù)系統(tǒng)的部分分式法來建立離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式。26從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)2.8MATLAB在狀態(tài)空間分析法中的應用從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)一、系統(tǒng)的模型
1.傳遞函數(shù)模型
設單輸入單輸出(SISO)連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為
G(s)=
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
在MATLAB中,可用傳遞函數(shù)分子、分母多項式按s的降冪系數(shù)排列的行向量,即
來描述上式所示傳遞函數(shù)G(s)的多項式模型。而由命令函數(shù)tf()則可建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型TF,其調(diào)用格式為
sys=tf(num,den)其中,num、den分別是傳遞函數(shù)分子、分母多項式系數(shù)行向量,且系數(shù)均按s的降冪排列。
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
設單輸入單輸出離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為
G(z)=
在MATLAB中,對于離散系統(tǒng)同樣可用tf()
命令建立其脈沖傳遞函數(shù)模型,調(diào)用格式為
num=[cm,cm-1,
,c1,c0];den=[an,an-1,,a1,a0];sys=tf(num,den,Ts)其中,Ts
為系統(tǒng)采樣周期。
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)另外,系統(tǒng)的傳遞函數(shù)還可表示成零極點形式,即
G(s)=
在MATLAB中,可用傳遞函數(shù)的零點向量、極點向量及增益,即
描述傳遞函數(shù)G(s)的零極點模型。而由命令函數(shù)zpk()則可建立零極點模型ZPK,其調(diào)用格式為
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)2.狀態(tài)空間模型
r維輸入、m維輸出的MIMO系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式為
式中,x、y、u分別為n×1、m×1、r×1的列向量,A、B、C、D分別為n×n、n×r、m×n
、m×r的常數(shù)矩陣。
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
在MATLAB中,只要按照矩陣輸入方式建立式系統(tǒng)相應的系數(shù)矩陣,即
A=[a11,a12,
,a1n;a21,a22,,a2n;;an1,an2,,ann];B=[b11,b12,,b1r;b21,b22,,b2r;;bn1,bn2,,bnr];C=[c11,c12,,b1n;c21,c22,,c2n;;cm1,cm2,,cmm];D=[d11,d12,,d1r;d21,d22,,d2r;;dm1,bm2,,bmr];即可描述系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。而由命令函數(shù)ss()則可建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型SS,其調(diào)用格式為
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
對定常離散系統(tǒng)
在按常數(shù)矩陣輸入方式建立系數(shù)矩陣G,H,C,D
后,同樣調(diào)用
則可建立離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。其中,Ts
為系統(tǒng)采樣周期。
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)二、
系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)換
1.狀態(tài)空間表達式向傳遞函數(shù)形式的轉(zhuǎn)換
MATLAB提供了模型轉(zhuǎn)換函數(shù),可以完成系統(tǒng)數(shù)學模型的相互轉(zhuǎn)換,利用ss2tf()函數(shù)可由系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式求其傳遞函數(shù)(陣)。
對SISO系統(tǒng),ss2tf()的調(diào)用格式為
[num,den]=ss2tf(A,B,C,D)執(zhí)行以上語句,可實現(xiàn)將描述為(A,B,C,D)的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型中各系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)模型中分子、分母多項式系數(shù)行向量num、den。
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
對多輸入系統(tǒng),ss2tf()的調(diào)用格式為
[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,iu)其中,iu用于指定變換所使用的輸入量,iu默認則為單輸入情況。
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
與ss2tf()類似,應用MATLAB函數(shù)ss2zp()可由系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式求其零極點模型的參數(shù)(z,p,k)。
對SISO系統(tǒng),ss2zp()的調(diào)用格式為
[z,p,k]=ss2zp(A,B,C,D)而對多輸入系統(tǒng),其調(diào)用格式為
[z,p,k]=ss2zp(A,B,C,D,iu)從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)2.傳遞函數(shù)到狀態(tài)空間表達式的變換
利用MATLAB函數(shù)tf2ss()、zp2ss()可分別由多項式形式、零極點形式的傳遞函數(shù)求其狀態(tài)空間模型中的各系數(shù)矩陣。其調(diào)用格式分別為
[A,B,C,D]=tf2ss(num,den)[A,B,C,D]=zp2ss(z,p,k)上面兩條語句分別由已知的(num,den)、(z,p,k)經(jīng)模型轉(zhuǎn)換返回狀態(tài)空間表達式中各系數(shù)矩陣(A,B,C,D)。
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)三、
系統(tǒng)的非奇異變換與標準型狀態(tài)空間表達式1.系統(tǒng)的非奇異變換
MATLAB中函數(shù)ss2ss()可實現(xiàn)對系統(tǒng)的非奇異變換。其調(diào)用格式為
GT=ss2ss(G,T)其中G、GT分別為變換前、后系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型,T為非奇異變換陣。
或為
[At,Bt,Ct,Dt]=ss2ss(A,B,C,D,T)其中,(A,B,C,D)、(At,Bt,Ct,Dt)分別為變換前、后系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型的系數(shù)陣,T為非奇異變換陣。
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)2.標準型狀態(tài)空間表達式的實現(xiàn)MATLAB提供了標準型狀態(tài)空間表達式的實現(xiàn)函數(shù)canon(),其調(diào)用格式為
G1=canon(sys,type)
從系統(tǒng)動態(tài)方程求系統(tǒng)傳遞函數(shù)
若系統(tǒng)模型sys為對應狀態(tài)向量x的狀態(tài)空間模型,可應用函數(shù)canon()將其變換為在新的狀態(tài)向量下的標準型狀態(tài)空間表達式,其調(diào)用格式為
[G1,P]=canon(sys,type)其中,sys為原系統(tǒng)狀態(tài)空間模型,P是返回的非奇異變換陣,滿足
關系?;驗?/p>
[At,Bt,Ct,Dt,P]=canon(A,B,C,D,type)其中,(A,B,C,D)為對應x的原系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的系數(shù)陣,(At,Bt,Ct,Dt)則為對應新狀態(tài)向量(仍
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