现代控制理论(1)——状态空间表达式

本文详细介绍了状态空间表达式的基本概念,包括状态变量、状态矢量、状态空间和状态方程等,并阐述了如何从系统框图、系统机理或微分方程建立状态空间表达式。同时,讨论了状态矢量的线性变换,特别是约当标准型的转换。此外,还讲解了如何从状态空间表达式求传递函数矩阵,以及状态空间表达式在控制系统设计中的重要性。


一、状态变量及状态空间表达式

1.状态变量:足以完全表征系统运动状态的最小个数的一组变量 x 1 ⋯ x n x_1\cdots x_n x1xn
2.状态矢量: 以状态变量为分量构成的矢量
x ( t ) = ( x 1 ⋮ x n ) x(t)= \begin{pmatrix} x_1 \\ \vdots\\ x_n\\ \end{pmatrix} x(t)=x1xn
3.状态空间: 以状态变量为坐标轴构成的n维空间
4.状态方程:描述系统 u u u x x x之间关系的一阶微分方程组
x ˙ = A x + B u \dot x=Ax+Bu x˙=Ax+Bu
5.输出方程:描述系统 y y y x x x之间关系的一阶微分方程组
y = C x + D u y=Cx+Du y=Cx+Du
6.状态空间表达式 x ˙ = A x + B u \dot x=Ax+Bu x˙=Ax+Bu y = C x + D u y=Cx+Du y=Cx+Du
单输入单输出系统:
x ˙ = A x + b u \dot x=Ax+bu x˙=Ax+bu y = c x y=cx y=cx
式中 x x x n × 1 n\times1 n×1阵, A A A n × n n\times n n×n阵, b b b n × 1 n\times1 n×1阵, c c

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