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【现代控制理论】传递函数建立状态空间表达式

2024-07-13 00:49| 来源: 网络整理| 查看: 265

传递函数建立状态空间表达式

对于一个控制系统的传递函数为 G ( s ) = Y ( s ) U ( s ) = b 1 s n − 1 + ⋯ + b n − 1 s + b n s n + a 1 s n − 1 + ⋯ + a n − 1 s + a n (1) G(s)=\frac{Y(s)}{U(s)}=\frac{b_{1} s^{n-1}+\cdots+b_{n-1} s+b_{n}}{s^{n}+a_{1} s^{n-1}+\cdots+a_{n-1} s+a_{n}}\tag{1} G(s)=U(s)Y(s)​=sn+a1​sn−1+⋯+an−1​s+an​b1​sn−1+⋯+bn−1​s+bn​​(1)

为了将传递函数转化为系统的状态空间表达式

使用的方法 传递函数建立状态空间表达式1.直接法2.并联分解法3.串联分解法总结

1.直接法

由式子(1)可直接得到如下的系统状态空间表达式。

能控标准型:

x ˙ = A x + B u = [ 0 1 ⋯ 0 0 0 ⋱ 0 ⋮ ⋮ ⋱ 1 − a n − a n − 1 ⋯ − a 1 ] x + [ 0 ⋮ 0 1 ] u y = C x = [ b n b n − 1 ⋯ b 1 ] x (2) \begin{array}{c} \dot{\boldsymbol{x}}=\boldsymbol{A} \boldsymbol{x}+\boldsymbol{B} u=\left[\begin{array}{cccc} 0 & 1 & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & \ddots & 0\\ \vdots &\vdots & \ddots & 1 \\ -a_{n} & -a_{n-1} & \cdots & -a_{1} \end{array}\right] \boldsymbol{x}+\left[\begin{array}{l} 0 \\ \vdots \\ 0 \\ 1 \end{array}\right] u \\ \\ y=\boldsymbol{C} \boldsymbol{x}=\left[\begin{array}{llll} b_{n} & b_{n-1} & \cdots & b_{1} \end{array}\right] \boldsymbol{x} \end{array}\tag{2} x˙=Ax+Bu= ​00⋮−an​​10⋮−an−1​​⋯⋱⋱⋯​001−a1​​ ​x+ ​0⋮01​ ​uy=Cx=[bn​​bn−1​​⋯​b1​​]x​(2)

能观标准型:

x ˙ = A x + B u = [ 0 0 ⋯ 0 − a n 1 0 ⋯ 0 − a n − 1 0 1 ⋯ 0 − a n − 2 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ⋮ 0 0 ⋯ 1 − a 1 ] x + [ b n b n − 1 ⋮ b 2 b 1 ] u y = C x = [ 0 0 ⋯ 1 ] x (3) \begin{array}{c} \dot{\boldsymbol{x}}=\boldsymbol{A} \boldsymbol{x}+\boldsymbol{B} u=\left[\begin{array}{ccccc} 0 & 0 & \cdots& 0 & -a_{n} \\ 1 & 0 & \cdots & 0& -a_{n-1} \\ 0 & 1 & \cdots & 0& -a_{n-2} \\ \vdots & \vdots& \ddots & \vdots&\vdots \\ 0 & 0 & \cdots& 1 & -a_{1} \end{array}\right] \boldsymbol{x}+\left[\begin{array}{l} b_n \\ b_{n-1}\\ \vdots \\ b_2\\ b_1\\ \end{array}\right] u \\ \\ y=\boldsymbol{C} \boldsymbol{x}=\left[\begin{array}{llll} 0 & 0 & \cdots & 1 \end{array}\right] \boldsymbol{x} \end{array}\tag{3} x˙=Ax+Bu= ​010⋮0​001⋮0​⋯⋯⋯⋱⋯​000⋮1​−an​−an−1​−an−2​⋮−a1​​ ​x+ ​bn​bn−1​⋮b2​b1​​ ​uy=Cx=[0​0​⋯​1​]x​(3)

注意点

在上述能控标准型和能观标准型中,注意A 、B和C中的元素与传递函数分子、分母之间的关系;在写能控(能观)标准型之前,应注意传递函数中分母多项式的最高次项系数是否为1,若不为1,则需要用它去除传递函数的分子和分母,将该系数化为1;传递函数需要为严格的真有理分式。 2.并联分解法 按照极点,把传递函数展开成部分分式也是状态空间表达常用的方法。这样的状态空间描述与控制系统的极点直接建立了联系,因此也称之为状态空间的规范型。

(1)系统传递函数的极点都不同 那么式(1)可展现成部分分式的形式:

G ( s ) = c 1 s − p 1 + c 2 s − p 2 + ⋯ + c n s − p n (4) G(s)=\frac{c_{1}}{s-p_{1}}+\frac{c_{2}}{s-p_{2}}+\cdots+\frac{c_{n}}{s-p_{n}}\tag{4} G(s)=s−p1​c1​​+s−p2​c2​​+⋯+s−pn​cn​​(4) 其中 c i = lim ⁡ t → p i ( s − p i ) G ( s ) , i = 1 , 2 , ⋯   , n (5) c_{i}=\lim _{t \rightarrow p_{i}}\left(s-p_{i}\right) G(s), \quad i=1,2, \cdots, n\tag{5} ci​=t→pi​lim​(s−pi​)G(s),i=1,2,⋯,n(5) 可得系统状态空间表达式 x ˙ = [ p 1 0 ⋯ 0 0 p 2 ⋮ ⋮ ⋱ 0 0 ⋯ 0 p n ] x + [ 1 1 ⋮ 1 ] u y = [ c 1 c 2 ⋯ c n ] x (6) \begin{array}{c} \dot{\boldsymbol{x}}=\left[\begin{array}{cccc} p_{1} & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & p_{2} & & \vdots \\ \vdots & & \ddots & 0 \\ 0 & \cdots & 0 & p_{n} \end{array}\right] \boldsymbol{x}+\left[\begin{array}{c} 1 \\ 1 \\ \vdots \\ 1 \end{array}\right] u \\ \\ y=\left[\begin{array}{llll} c_{1} & c_{2} & \cdots & c_{n} \end{array}\right] x \end{array}\tag{6} x˙= ​p1​0⋮0​0p2​⋯​⋯⋱0​0⋮0pn​​ ​x+ ​11⋮1​ ​uy=[c1​​c2​​⋯​cn​​]x​(6) (2)系统传递函数的极点有相同

系统传递函数的极点有相同,即传递函数有重极点

此时式(1)可以展开成下面的形式(7) g ( s ) = c 11 ( s − p 1 ) r + c 12 ( s − p 1 ) r − 1 + ⋯ + c 1 r ( s − p 1 ) + c r + 1 ( s − p r + 1 ) + ⋯ + c n ( s − p n ) (7) \begin{aligned} g(s)=& \frac{c_{11}}{\left(s-p_{1}\right)^{r}}+\frac{c_{12}}{\left(s-p_{1}\right)^{r-1}}+\cdots+\frac{c_{1 r}}{\left(s-p_{1}\right)} &+\frac{c_{r+1}}{\left(s-p_{r+1}\right)}+\cdots+\frac{c_{n}}{\left(s-p_{n}\right)}\tag{7} \end{aligned} g(s)=​(s−p1​)rc11​​+(s−p1​)r−1c12​​+⋯+(s−p1​)c1r​​​+(s−pr+1​)cr+1​​+⋯+(s−pn​)cn​​​(7)

其中单极点 p i p_i pi​ 对应的系数 c i ( i = r + 1 , ⋯   , n ) c_i(i=r+1, \cdots, n) ci​(i=r+1,⋯,n) 仍按照式 (5) 计算, 而 r r r 重极点 p 1 p_1 p1​ 对应的系数 c i j ( j = 1 , 2 , ⋯   , r ) c_{i j}(j=1,2, \cdots, r) cij​(j=1,2,⋯,r) 则按式 (8) 计算: c 1 j = 1 ( j − 1 ) ! lim ⁡ t → p 1 d j − 1 d s j − 1 { ( s − p 1 ) r g ( s ) } , j = 1 , 2 , ⋯   , r (8) c_{1 j}=\frac{1}{(j-1) !} \lim _{t \rightarrow p_1} \frac{\mathrm{d}^{j-1}}{\mathrm{d} s^{j-1}}\left\{\left(s-p_1\right)^r g(s)\right\}, \quad j=1,2, \cdots, r \tag{8} c1j​=(j−1)!1​t→p1​lim​dsj−1dj−1​{(s−p1​)rg(s)},j=1,2,⋯,r(8) 可得系统状态空间表达式为: [ x ˙ 1 x ˙ 2 ⋮ x ˙ r x ˙ r + 1 ⋮ x ˙ n ] = [ p 1 1 0 p 1 ⋱ ⋮ 0 ⋱ 1 0 0 ⋯ p 1 p r + 1 0 ⋱ p n ] [ x 1 x 2 ⋮ x r x r + 1 ⋮ x n ] + [ 0 0 ⋮ 1 1 ⋮ 1 ] u (9) \left[\begin{array}{c} \dot{x}_1 \\ \dot{x}_2 \\ \vdots \\ \dot{x}_r \\ \dot{x}_{r+1} \\ \vdots \\ \dot{x}_n \end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccc} p_1 & 1 & & 0 & & & \\ & p_1 & \ddots & \vdots & & 0 & \\ & & \ddots & 1 & & & \\ 0 & 0 & \cdots & p_1 & & & \\ & & & & p_{r+1} & & \\ & 0 & & & & \ddots & \\ & & & & & & p_n \end{array}\right]\left[\begin{array}{c} x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_r \\ x_{r+1} \\ \vdots \\ x_n \end{array}\right]+\left[\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ \vdots \\ 1 \\ 1 \\ \vdots \\ 1 \end{array}\right] u\tag{9} ​x˙1​x˙2​⋮x˙r​x˙r+1​⋮x˙n​​ ​= ​p1​0​1p1​00​⋱⋱⋯​0⋮1p1​​pr+1​​0⋱​pn​​ ​ ​x1​x2​⋮xr​xr+1​⋮xn​​ ​+ ​00⋮11⋮1​ ​u(9) y = [ c 11 c 12 ⋯ c 1 r c r + 1 ⋯ c n ] [ x 1 x 2 ⋮ x r x r + 1 ⋮ x n ] (10) y=\left[\begin{array}{lllllll} c_{11} & c_{12} & \cdots & c_{1 r} & c_{r+1} & \cdots & c_n \end{array}\right]\left[\begin{array}{c} x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_r \\ x_{r+1} \\ \vdots \\ x_n \end{array}\right]\tag{10} y=[c11​​c12​​⋯​c1r​​cr+1​​⋯​cn​​] ​x1​x2​⋮xr​xr+1​⋮xn​​ ​(10) 可以看出, 状态空间表达式中, A \boldsymbol{A} A 矩阵具有约当型, 因此又称为约当标准型。

3.串联分解法

串联分解适用于传递函数已被分解为因式相乘的形式: g ( s ) = b 1 ( s − z 1 ) ( s − z 2 ) ⋯ ( s − z n − 1 ) ( s − p 1 ) ( s − p 2 ) ⋯ ( s − p n ) (11) g(s)=\frac{b_1\left(s-z_1\right)\left(s-z_2\right) \cdots\left(s-z_n-1\right)}{\left(s-p_1\right)\left(s-p_2\right) \cdots\left(s-p_n\right)}\tag{11} g(s)=(s−p1​)(s−p2​)⋯(s−pn​)b1​(s−z1​)(s−z2​)⋯(s−zn​−1)​(11) 现以一个三阶系统传递函数为例予以说明。设 g ( s ) = Y ( s ) U ( s ) = b 1 ( s − z 2 ) ( s − z 3 ) ( s − p 1 ) ( s − p 2 ) ( s − p 3 ) = b 1 ( s − p 1 ) × ( s − z 2 ) ( s − p 2 ) × ( s − z 3 ) ( s − p 3 ) (12) \begin{aligned} g(s) &=\frac{Y(s)}{U(s)} \\ &=\frac{b_1\left(s-z_2\right)\left(s-z_3\right)}{\left(s-p_1\right)\left(s-p_2\right)\left(s-p_3\right)} \\ &=\frac{b_1}{\left(s-p_1\right)} \times \frac{\left(s-z_2\right)}{\left(s-p_2\right)} \times \frac{\left(s-z_3\right)}{\left(s-p_3\right)} \end{aligned}\tag{12} g(s)​=U(s)Y(s)​=(s−p1​)(s−p2​)(s−p3​)b1​(s−z2​)(s−z3​)​=(s−p1​)b1​​×(s−p2​)(s−z2​)​×(s−p3​)(s−z3​)​​(12) 显然,这个系统可以看作为三个一阶系统串联而成,其模拟结构如图所示 三阶串联系统模拟结构图 若指定图中每个积分器的输出为状态变量, 可得系统状态空间表达式为 [ x ˙ 1 x ˙ 2 x ˙ 3 ] = [ p 1 0 0 1 p 2 0 1 p 2 − z 2 p 3 ] [ x 1 x 2 x 3 ] + [ b 1 0 0 ] u y = [ 1 p 2 − z 2 p 3 − z 3 ] [ x 1 x 2 x 3 ] (13) \begin{aligned} {\left[\begin{array}{c} \dot{x}_1 \\ \dot{x}_2 \\ \dot{x}_3 \end{array}\right] } &=\left[\begin{array}{ccc} p_1 & 0 & 0 \\ 1 & p_2 & 0 \\ 1 & p_2-z_2 & p_3 \end{array}\right]\left[\begin{array}{l} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array}\right]+\left[\begin{array}{c} b_1 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right] u \\ y &=\left[\begin{array}{lll} 1 & p_2-z_2 & p_3-z_3 \end{array}\right]\left[\begin{array}{c} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array}\right] \end{aligned}\tag{13} ​x˙1​x˙2​x˙3​​ ​y​= ​p1​11​0p2​p2​−z2​​00p3​​ ​ ​x1​x2​x3​​ ​+ ​b1​00​ ​u=[1​p2​−z2​​p3​−z3​​] ​x1​x2​x3​​ ​​(13)

总结 直接法需要传递函数需要为严格的真有理分式并联分解法是按照极点,把传递函数展开成部分分式也是状态空间表达常用的方法串联分解适用于传递函数已被分解为因式相乘的形式


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