首页电子与通信技术信息处理技术信号与系统 08 第七章 状态变量分析.pptx

08 第七章 状态变量分析.pptx

页数:44页文件大小:745.4 KB来源: 信号与系统ppt课件

本课件为《信号与系统》第七章,先说明状态变量描述法相对于输入输出描述法的优点,给出状态、状态变量与状态空间等概念及系统阶数的确定,再讲解由电路、微分方程与模拟图建立状态方程的方法,最后给出状态方程的复频域解。

第七章状态变量分析封面,标示本章主题与状态方程建立及求解两条主线
第七章内容导读页,列出状态变量分析概述、状态与状态空间、状态方程的建立与求解等条目
概述页,对比输入输出描述法与状态变量描述法
查看本课件的文字版(共 44 页,供检索与复制)

第1页:第七章 状态变量分析

本页为《信号与系统》第七章封面,标示本章主题为状态变量分析。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第2页:第七章内容导读

  • 状态变量分析概述
  • 7.1 状态与状态空间
  • 7.2 连续系统状态方程的建立
  • 7.3 连续系统状态方程的解
  • 本章要点
  • 作业

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第3页:状态变量分析概述

  • 系统的描述方法有输入输出描述法与状态变量描述法
  • 输入输出描述法(端口分析法、外部法)用输入输出变量之间的关系描述系统特性,数学模型是n阶微分或差分方程
  • 状态变量描述法(内部法)用状态变量描述系统内部变量的特性

第4页:状态变量分析法的优点

  • 可以有效地提供系统内部的信息
  • 不仅适用于线性时不变的单输入单输出系统,也适用于非线性、时变、多输入多输出系统
  • 便于应用计算机技术解决复杂系统的分析计算
  • 当输出变量改换时无需重新列写状态方程,只要调整输出方程即可

第5页:状态、状态变量与状态矢量

  • 系统的状态是指系统过去、现在和未来的状况,其本质是指系统的储能状态
  • 状态变量是能够完全描述系统状态的数目最少的一组变量
  • 一组状态变量可以用一个矢量来表示,称为状态矢量

第6页:状态空间、状态轨迹与分析步骤

  • 状态空间是状态矢量所描述的空间
  • 状态矢量所包含的状态变量的个数称为状态空间的维数,也称系统的复杂度阶数
  • 状态轨迹是状态矢量的端点随时间变化而描述的路径
  • 状态变量分析法的步骤:选定状态变量、建立状态方程、建立输出方程、求解方程

第7页:系统阶数的确定

  • 当已知电路时,习惯上将电感的电流和电容的电压选为状态变量
  • 也可以选取磁链和电荷,甚至不是系统中真实存在的物理量
  • 状态变量必须是一组独立并且完备的变量,其数目即系统的阶数由系统本身的结构决定

第8页:全电容回路与全电感割集

  • 由于受KCL和KVL的约束,系统阶数有一般计算公式
  • 全电容回路与全电感割集会使独立变量减少
  • 如图所示电路只有3个状态变量是独立的

第9页:建立状态方程的两类方法

  • 建立状态方程的两类方法:直接法(直观编写法、系统编写法)
  • 间接法(由系统的输入输出方程编写法、由系统的模拟图编写法)

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第10页:连续系统状态方程的一般形式

连续系统状态方程的一般形式由状态方程与输出方程组成,分别描述状态变量与激励、输出与输入之间的关系。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第11页:由电路图建立状态方程的步骤

  • 选择独立的电容电压和电感电流作为状态变量
  • 对含有独立电容支路的节点列写KCL方程,对含有独立电感的回路列写KVL方程
  • 消除非状态变量(中间变量)
  • 整理成状态方程和输出方程的标准形式

第12页:例7-2-1 由电路列状态方程

例题7-2-1:电路如图所示,试列写该系统的状态方程和输出方程。

本页为例题,源文件未提取到公式与推导过程,完整求解见原课件图示。

第13页:

第14页:例7-2-2 常态网络的状态方程

例题7-2-2:试求图示常态网络的状态方程

本页为例题,源文件未提取到公式与推导过程,完整求解见原课件图示。

第15页:

第16页:例7-2-4 非常态网络的状态方程

例题7-2-4:非常态网络如图所示,试列写其状态方程。

本页为例题,源文件未提取到公式与推导过程,完整求解见原课件图示。

第17页:

第18页:C-C回路与L-L割集时的状态方程

当电路存在C-C回路或L-L割集时,直接列写得到的不是标准形式的状态方程。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第19页:由电路列状态方程的结论

  • 状态变量的选取并不是唯一的,选取不同的状态变量状态方程的形式会改变
  • 一般情况下消除非状态变量不太容易
  • 仅有R、L、C组成的无受控源网络总能列写出标准的状态方程
  • 如果电路含有受控源,可能会使状态变量的个数减少

第20页:从输入输出方程导出状态方程

从输入输出方程导出状态方程:微分方程中无激励的导数项时可直接选取状态变量并写出状态方程

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第21页:

第22页:微分方程中有激励导数项时的状态方程

当微分方程中有激励的导数项时,需要另行选取状态变量才能得到标准形式的状态方程。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第23页:

第24页:

第25页:从模拟图建立状态方程

  • 根据系统的输入输出方程或系统函数可以作出系统的时域或复频域模拟图
  • 选择每一个积分器的输出端信号作为状态变量,最后得到状态方程和输出方程
  • 由于系统函数可以写成不同的形式,模拟图也可以有不同的结构

第26页:三种形式的模拟图

由于系统函数形式不同,可以分别画出级联、并联和串联等三种形式的模拟图。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第27页:直接模拟

从模拟图建立状态方程方法一:直接模拟

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第28页:直接模拟的优点

直接模拟的优点是不必求出系统函数的极点,状态方程和输出方程的列写有规律可循。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第29页:并联模拟

  • 从模拟图建立状态方程方法二:并联模拟
  • 其特点是系数矩阵是由系统的特征根所构成的对角阵,所以也称这种状态变量为对角线状态变量

第30页:并联模拟的特点

并联模拟的特点是系数矩阵是由系统的特征根所构成的对角阵。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第31页:串联模拟

  • 从模拟图建立状态方程方法三:串联模拟
  • 其特点是系数矩阵是一个上三角阵

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第32页:串联模拟的特点

串联模拟的特点是系数矩阵是一个上三角阵。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第33页:由模拟图建立状态方程的结论

  • 上述三类方法均可以推广到n阶系统的一般情况
  • 状态变量可以在系统内部选取,也可以人为地虚拟
  • 同一系统状态变量的选取不同,状态方程和输出方程也将不同,但输入输出关系没有改变
  • 同一系统的特征方程相同,各状态方程的系数矩阵A是相似的

第34页:状态方程的求解方法

  • 求解状态方程的两类方法:复频域求解
  • 时域求解

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第35页:状态方程的复频域解

对状态方程两边取拉氏变换,根据时域微分性可得代数形式的状态方程解,式中I为n×n单位矩阵

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第36页:零输入响应与零状态响应

由复频域解可分别得到零输入响应与零状态响应。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第37页:例7-3-1 求解状态方程

例题7-3-1:已知某连续系统的状态方程和输出方程,试求解。

本页为例题,源文件未提取到公式与推导过程,完整求解见原课件图示。

第38页:

第39页:

第40页:零输入响应零状态响应与全响应

  • 零输入响应
  • 零状态响应
  • 全响应为两者之和。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第41页:系统函数矩阵H(s)

系统函数矩阵H(s)描述多输入多输出系统中各输入输出之间的传递关系。

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

第42页:例7-3-2

例题7-3-2:状态方程求解的补充例题。

本页为例题,源文件未提取到公式与推导过程,完整求解见原课件图示。

第43页:第七章本章要点

  • 系统复杂度阶数的确定
  • 常态网络状态方程的建立
  • 从微分方程建立状态方程(无激励的导数项)
  • 从模拟图建立状态方程:直接模拟、并联模拟、串联模拟

第44页:第七章作业

7.2:7-2,7-8⑴(用三种方法)

本页结论以公式或波形给出,源文件未提取到公式文本,详见原课件图示。

顶部目录