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1、线性系统理论线性系线性系统理论线性系统的数学描述统的数学描述第1页，本讲稿共40页2.1.2 2.1.2 传递函数矩阵及有关定义传递函数矩阵及有关定义第2页，本讲稿共40页第3页，本讲稿共40页2.2 2.2 线性系统的状态空间描述线性系统的状态空间描述2.2.12.2.1状态与状态空间状态与状态空间定义定义2.2.1 完全地表征系统时间域行为的一个完全地表征系统时间域行为的一个最小内部变量组称为动力学系统的状态。组成最小内部变量组称为动力学系统的状态。组成这个变量组的变量这个变量组的变量 称为系统的状态变量，其中 为初始时刻。由状态变量构成的列向量 称为系统的状态向量，简称为状态。状态向量取
2、值的向量空间称为状态空间。第4页，本讲稿共40页命题2.2.1 一个动态系统的任意选取的两个状态变量组之间为线性非奇异变换的关系。1.状态变量组可以完全表征系统行为;2.状态变量组的最小性体现;3.状态变量组在数学上的特征体现;4.状态变量组包含了系统的物理特征.第5页，本讲稿共40页2.2.2 2.2.2 动态系统的状态空间描述动态系统的状态空间描述第6页，本讲稿共40页第7页，本讲稿共40页第8页，本讲稿共40页第9页，本讲稿共40页2.2.3 2.2.3 线性系统的状态空间描述线性系统的状态空间描述与相关概念与相关概念第10页，本讲稿共40页定义2.2.2 对于系统的 为系统的输入解耦零
3、点；称满足 的 为系统的输出解耦零点；称满足称满足 的 为系统的传输零点。第11页，本讲稿共40页，输出变量取为电阻的端电压 。例2.2.1 考查图2.2.2所示的简单电路，电路各组成元件的参数值未已知，输入变量取为电压源第12页，本讲稿共40页 和流经电感的电流iL作为电路的 状态变量。第二步：列出原始电路方程 运用电路定律，可列出图中左、右两个回路的 电路方程为第一步：确定状态变量 根据电路理论可知，此电路最多有2个线性无关 的变量；因此，可选取独立储能元件的变量，即 电容端电压 第13页，本讲稿共40页 ，所以可将上述方程改写为只包含未知变量和考虑到规定为状态变量，并有和的方程组和第14
4、页，本讲稿共40页第三步：导出状态方程 首先，以和 为待定变量求解上述联立方程，得到第15页，本讲稿共40页进而，将其表为向量方程的形式，就导出了此电路的状态方程第四步：导出输出方程 根据电路的关系式，有 将其改写后即可得到此电路的输出方程第16页，本讲稿共40页2.3 2.3 两种描述形式的比较及相互转换两种描述形式的比较及相互转换2.3.1 2.3.1 两种描述形式的比较两种描述形式的比较1.1.使用的数学方法不同使用的数学方法不同;2.2.对于复杂系统对于复杂系统:用系统辨识方法容易系用系统辨识方法容易系统的传递函数统的传递函数,而辨识系统完整的状态方而辨识系统完整的状态方程各测量方程有
5、时做不到程各测量方程有时做不到;3.3.传递函数是经典控制理论实现分析和综传递函数是经典控制理论实现分析和综合的基础合的基础,状态空间方法是现代控制理论状态空间方法是现代控制理论中系统设计的基础。中系统设计的基础。传递函数仅描述输入传递函数仅描述输入-输出关系（外部特输出关系（外部特性）。性）。第17页，本讲稿共40页第18页，本讲稿共40页 ，由点A到点B之间平行板电容的两端电压为例2.3.1 对于图2.3.1所示的网络系统，设系统的输入电流为，输出电压为 。由点C到D之间平行板电容的两端电压为流经电阻电感的电流为。显然，。由Kirchhoff电流定律得出再由Kirchhoff电压定律得第1
6、9页，本讲稿共40页于是得到系统得状态方程和量测方程为由此看出，它是一个三阶系统。这个系统的特征方程为第20页，本讲稿共40页另一方面，我们容易求得该系统得传递函数为它所代表得是一个稳定得二阶系统。第21页，本讲稿共40页2.3.2 2.3.2 化输入化输入-输出描述为输出描述为状态空间描述状态空间描述第22页，本讲稿共40页第23页，本讲稿共40页例例2.3.2 给给定系定系统统得得输输入入输输出描述出描述为为则利用式第24页，本讲稿共40页即可定出相应得一个状态空间描述为第25页，本讲稿共40页第26页，本讲稿共40页第27页，本讲稿共40页例例2.3.3 给给定系定系统统得得输输入入输输
7、出描述出描述为为则利用式第28页，本讲稿共40页即可定出其相应得一个状态空间描述为第29页，本讲稿共40页例例2.3.4 给给定系定系统统得得输输入入输输出描述出描述为为先利用式定出第30页，本讲稿共40页从而由式即可导出相应得状态空间描述为第31页，本讲稿共40页2.3.3 2.3.3 化状态空间描述为传递函数描述化状态空间描述为传递函数描述定理定理2.3.12.3.1 线性定常系统线性定常系统 的传递函数矩阵为 并且，当时为真的，当时为严格真的，且有 第32页，本讲稿共40页2.4 2.4 线性系统的代数等价性线性系统的代数等价性定义2.4.1 已知两个同维的由式：和式：表示的线性定常系统
8、如果存在一个适当阶的定常可逆矩阵P，使得的系统参数矩阵满足式则称系统为代数等价的。第33页，本讲稿共40页命题命题2.4.12.4.1 同一线性定常系统的两个不同同一线性定常系统的两个不同的状态空间描述为代数等价的。的状态空间描述为代数等价的。2.4.2 2.4.2 代数等价系统的公有属性代数等价系统的公有属性命题2.4.2 相互代数等价的线性定常系统具有相同的特征多项式，特征方程和极点。命题2.4.3 相互代数等价的线性定常系统具有相同的输入解耦零点，输出解耦零点和传输零点。命题2.4.4 相互代数等价的线性定常系统具有相同的传递函数 第34页，本讲稿共40页2.5 2.5 复合系统的数学模型复合系统的数学模型2.5.1 2.5.1 子系统并联的情形子系统并联的情形第35页，本讲稿共40页第36页，本讲稿共40页2.5.2 2.5.2 子系统串联的情形子系统串联的情形第37页，本讲稿共40页第38页，本讲稿共40页2.5.3 2.5.3 具有子系统反馈的情形具有子系统反馈的情形第39页，本讲稿共40页第40页，本讲稿共40页