计算机控制系统的状态空间设计(精)

第一章 控制系统的状态空间表达式Chapter 1 State space representation of control systems本章内容• 状态变量及状态空间表达式 • 状态空间表达式的模拟结构图 • 状态空间表达式的建立(1) • 状态空间表达式的建立(2) • 状态矢量的线性变换 • 由传递函数求状态方程• 由状态空间表达式求传递函数阵 • 离散系统的状态空间表达式• 时变系统和非线性系统的状态空间表达式系统的动态特性由状态变量构成的一阶微分方程组来描述，能同时给出系统全部独立变量的响应，因而能同时确定系统的全部内部运动状态。

1.1 状态变量及状态空间表达式1.1 State space representation of control systems 状态变量 (State variables)状态：表征系统运动的信息和行为状态变量：能完全表示系统运动状态的最小个数的一组变量x 1(t ), x 2(t ), …, x n (t ) 状态向量(State vectors)由状态变量构成的向量 x (t )T 123()(),(),()...()n x t x t x t x t x t =⎡⎤⎣⎦状态空间 (State space) • 以各状态变量x 1(t ),x 2(t ),…… x n (t )为坐标轴组的几维空间。

•状态轨迹：在特定时刻t ，状态向量可用状态空间的一个点来表示，随着时间的推移，x (t )将在状态空间描绘出一条轨迹线。

状态方程 (State equations)• 由系统的状态变量与输入变量之间的关系构成的一阶微分方程组。

例1.1 设有一质量弹簧阻尼系统。

试确定其状态变量和状态方程。

解：系统动态方程2()().()().()()()d yF t ky t f yt m dt my t f yt ky t F t ⎧--=⎪⎨⎪++=⎩ 设1()()y t x t =，2()()yt x t = 12()()............................................(1)1()()()()........(2)x t y t f k x t y t y t F t m m m =⎧⎪⎨=--+⎪⎩12212()()1()()()()xt x t k f x t x t x t F t m m m =⎧⎪⎨=--+⎪⎩1122010()()()1()()xt x t F t f k x t x t m m m ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥--⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ ＝ 状态方程的标准形式：()()()xt Ax t Bu t =+ （A ：系统矩阵 B ：输入矩阵） 输出方程 (O u t p u t e q u a t i o n )系统的输出量与状态变量之间的关系[]112()()()10 ()x t y t x t x t ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦()()y t Cx t =(C:输出矩阵）状态方程和输出方程的总和即称为状态空间表达式。

第一章概论，讲述计算机控制系统的发展过程；计算机控制系统在日常生活和科学研究中的意义；计算机控制系统的组成及工作原理；计算机控制的特点、优点和问题；与模拟控制系统的不同之处；计算机控制系统的设计与实现问题以及计算机控制系统的性能指标。

1.计算机控制系统与连续模拟系统类似，主要的差别是用计算机系统取代了模拟控制器。

2.计算机系统主要包括：．A／D转换器，将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号，送入计算机；．D／A转换器，将计算机产生的数字指令信号转换为连续模拟信号(直流电压)并送给直流电机的放大部件；．数字计算机(包括硬件及相应软件)，实现信号的转换处理以及工作状态的逻辑管理，按给定的算法程序产生相应的控制指令。

3.计算机控制系统的控制过程可以归结为：．实时数据采集，即A/D变换器对反馈信号及指令信号的瞬时值进行检测和输入；．实时决策，即计算机按给定算法，依采集的信息进行控制行为的决策，生成控制指令；．实时控制，即D/A变换器根据决策结果，适时地向被控对象输出控制信号。

4.计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。

5.自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

6.计算机控制系统的特性系统规模有大有小系统类型多种多样系统造价有高有低计算机控制系统不断推陈出新7.按功能分类1)数据处理系统2)直接数字控制（DDC）3)监督控制（SCC）4)分散型控制5)现场总线控制系统按控制规律分类1)程序和顺序控制2)比例积分微分控制（PID）3)有限拍控制4)复杂控制5)智能控制按控制方式分类1)开环控制2)闭环控制9.计算机控制系统的结构和组成控制算法软件网络硬件11.硬件平台运算处理与存储部分：CPU，存储器（RAM，ROM，EPROM，FLASH-ROM，EEPROM以及磁盘等），时钟，中断，译码，总线驱动等。

输入输出接口部分：各种信号（模拟量，开关量，脉冲量等）的锁存、转换、滤波，调理和接线，以及串行通讯等。

状态空间分析法的主要特点及其应用1.引言60年代以前，研究自动控制系统的传统方法 主要使用传递函数作为系统的数学描述，研究对象是 SISO 系统，这样建立起来的理论就是现在所说的“古典控制理论”。

随着宇航和生产技术的发展及电子计算机的出现，控制系统日渐复杂（MIMO ，时变，不确定，耦合，大规模），传统的研究方法难以适应新的形势。

在 50s'后期，Bellman 等人提议使用状态变量法，即状态空间法来描述系统，时至今日，这种方法已成为现代控制理论的基本模型和数学工具。

所谓状态空间是指以状态变量n 21X X X ，为轴所构成的n 维向量空间。

这样，系统的任意状态都可以用状态空间中的一个点表示。

利用状态空间的观点分析系统的方法称为状态空间法，状态空间法的实质不过是将系统的运动方程写成一阶微分方程组，这在力学和电工上早已使用，并非什么新方法，但用来研究控制系统时具有如下优点。

1、适用面广：适用于 MIMO 、时变、非线性、随机、采样等各种各样的系统，而经典法主要适用于线性定常的 SISO 系统。

2、 简化描述，便于计算机处理：可将一阶微分方程组写成向量矩阵方程， 因而简化数学符号，方便推导，并很适合于计算机的处理，而古典法是拉氏变换法，用计算机不太好处理。

3、内部描述：不仅清楚表明 I-O 关系，还精确揭示了系统内部有关变量及初始条件同输出的关系。

4、有助于采用现代化的控制方法 ：如自适应控制、最优控制等。

上述优点便使现代控制理论获得了广泛应用，尤其在空间技术方面还有极大成功。

状态空间法的缺点:1、不直观，几何、物理意义不明显：不象经典法那样， 能用 Bode 图及根轨迹进行直观的描述。

对于简单问题，显得有点烦琐。

2、对数学模型要求很高：而实际中往往难以获得高精度的模型，这妨碍了它的推广和应用。

2.状态空间分析法在部分系统中的应用2.1状态空间分析法在PWM 系统中的应用状态空间分析法不仅适用于时变系统（例如PWM 系统），而且可以将其简化，同时便于计算机处理。

计算机控制系统设计的基本内容计算机控制系统设计的基本内容是指在控制工程领域中，针对特定的系统设计出相应的控制系统，以实现对系统的监控和控制。

在这个过程中，设计人员需要考虑多方面的因素，包括系统的稳定性、性能、鲁棒性等。

控制系统设计的基本内容之一是系统建模。

在设计控制系统之前，首先需要对被控对象进行建模，即将实际系统抽象成数学模型，以便进行分析和设计。

建模的过程可以采用不同的方法，如传递函数法、状态空间法等。

通过建模可以更好地理解系统的特性，为后续的控制器设计奠定基础。

控制器设计是控制系统设计的核心内容之一。

根据系统的特性和要求，设计合适的控制器来实现对系统的控制。

常见的控制器包括比例积分微分（PID）控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。

不同类型的控制器适用于不同的系统，设计人员需要根据实际情况选择合适的控制器。

信号采集和处理也是控制系统设计的重要内容之一。

通过传感器采集系统的状态信息，然后经过信号处理模块对信号进行处理，提取有效信息并传递给控制器。

信号采集和处理的准确性和及时性对系统的控制效果起着至关重要的作用。

控制系统设计还需要考虑系统的稳定性和性能。

稳定性是指系统在受到干扰或参数变化时能够保持稳定的能力，设计人员需要通过合理的控制策略来保证系统的稳定性。

性能则是指系统在实际操作中能够达到的指标，如响应速度、抗干扰能力等。

设计人员需要根据实际需求来平衡系统的稳定性和性能。

控制系统设计还需要考虑系统的实时性和可靠性。

实时性是指系统对输入信号能够做出及时响应的能力，设计人员需要考虑信号处理和控制算法的复杂度，以确保系统能够在规定的时间内完成控制任务。

可靠性则是指系统在长时间运行中能够保持正常工作的能力，设计人员需要考虑系统的容错性和自诊断能力，以提高系统的可靠性。

计算机控制系统设计的基本内容包括系统建模、控制器设计、信号采集和处理、稳定性和性能、实时性和可靠性等方面。

设计人员需要综合考虑这些因素，以实现对系统的有效监控和控制，从而达到预期的控制效果。

2.1 状态空间描述的基本概念系统一般可用常微分方程在时域内描述，对复杂系统要求解高阶微分方程，这是相当困难的。

经典控制理论中采用拉氏变换法在复频域内描述系统，得到联系输入－输出关系的传递函数，基于传递函数设计单输入－单输出系统极为有效，可从传递函数的零点、极点分布得出系统定性特性，并已建立起一整套图解分析设计法，至今仍得到广泛成功地应用。

但传递函数对系统是一种外部描述，它不能描述处于系统内部的运动变量；且忽略了初始条件。

因此传递函数不能包含系统的所有信息。

由于六十年代以来，控制工程向复杂化、高性能方向发展，所需利用的信息不局限于输入量、输出量、误差等，还需要利用系统内部的状态变化规律，加之利用数字计算机技术进行分析设计及实时控制，因而可能处理复杂的时变、非线性、多输入－多输出系统的问题，但传递函数法在这新领域的应用受到很大限制。

于是需要用新的对系统内部进行描述的新方法－状态空间分析法。

第一节基本概念状态变量指描述系统运动的一组独立（数目最少的）变量。

一个用阶微分方程描述含有个独立变量的系统，当求得个独立变量随时间变化的规律时，系统状态可完全确定。

若变量数目多于，必有变量不独立；若少于，又不足以描述系统状态。

因此，当系统能用最少的个变量完全确定系统状态时，则称这个变量为系统的状态变量。

选取状态变量应满足以下条件：给定时刻的初始值，以及的输入值，可唯一确定系统将来的状态。

而时刻的状态表示时刻以前的系统运动的历史总结，故状态变量是对系统过去、现在和将来行为的描述。

状态变量的选取具有非唯一性，即可用某一组、也可用另一组数目最少的变量。

状态变量不一定要象系统输出量那样，在物理上是可测量或可观察的量，但在实用上毕竟还是选择容易测量的一些量，以便满足实现状态反馈、改善系统性能的需要。

状态向量把描述系统状态的个状态变量看作向量的分量，则称为状态向量，记以,上标为矩阵转置记号。

若状态向量由个分量组成，则称维状态向量。

第一章绪论计算机控制系统的特点、组成、分类和发展趋势。

(1)计算机控制的一般概念及其发展(2)计算机控制系统的特点、组成和分类(3)计算机控系统的发展趋势课程重点：计算机控制系统的特点、组成和分类课程难点：计算机控制系统的信号变换特点解决办法：从计算机控制系统的基本结构入手，分析计算机控制系统是一个模拟-离散混和系统，引出计算机控制系统的信号转换过程，掌握计算机控制系统的特点。

第二章数字控制理论基础计算机控系统的数学基础、离散系统数字控制理论和性能指标分析。

(1)信号变换理论(2)离散系统数字描述(3)脉冲传递函数(4)线性离散系统稳定性、稳态性能和暂态性能分析课程重点：线性离散系统的稳定性、稳态性能和暂态性能分析课程难点：线性离散系统的零极点对系统性能的影响解决办法：熟练掌握线性离散系统的分析方法，借助MATLAB仿真工具，充分利用图解分析方法，直观方便。

第三章开环数字程序控制直线和圆弧逐点比较法插补原理，计算机控制步进电机的实现方法。

(1)运动轨迹插补的基本原理(2)直线逐点比较法插补原理(3)圆弧逐点比较法插补原理(4)步进电机控制原理(5)计算机与步进电机接口实现方法课程重点：逐点比较法插补原理（直线与圆弧）、步进电机控制课程难点：四个象限圆弧逐点比较法插补运算解决办法：以第一象限为主，掌握圆弧插补运算。

在此基础上考虑四个象限的符号变化以及顺弧和逆弧进给的走步区别。

第四章计算机控制系统的常规控制技术数字PID控制原理、控制器的设计、控制参数的整定及其PID控制新技术。

(1)数字PID控制标准型算法(2)数字PID控制改进型算法(3)控制参数的工程整定方法(4)PID控制算法的发展最少拍控制原理、控制器的设计及其系统的改进。

(1) 最少拍控制的基本原理的结构设计(2) 闭环脉冲传递函数)(z(3) 最少拍有纹波控制器的设计(4) 最少拍无纹波控制器的设计(5) 最少拍系统的改进措施Smith控制器工作原理和设计，Dalin控制器的设计及振铃的消除。

状态空间平均法建模概述状态空间平均法是一种用于建模和分析系统的方法，广泛应用于控制系统、通信系统、计算机网络等领域。

该方法通过将系统的行为抽象为一组离散状态，并定义状态之间的转移关系，从而对系统进行描述和分析。

本文将深入探讨状态空间平均法的原理、应用及其在系统建模中的优势。

状态空间平均法原理离散状态在状态空间平均法中，系统的行为被抽象为一组离散状态。

离散状态是指系统在某个时间点的特定状态，可以用状态向量表示。

状态向量中的每个分量代表系统的某个特性或属性，如位置、速度、温度等。

状态转移系统的状态会随时间发生改变，状态空间平均法通过定义状态之间的转移关系来描述状态的演化过程。

状态转移可以用状态转移矩阵表示，矩阵的元素表示从一个状态转移到另一个状态的概率或权重。

平均法建模状态空间平均法通过对离散状态和状态转移进行适当的平均，得到系统的平均行为。

平均法建模可以基于不同的平均方式，如时间平均、空间平均等。

根据具体的建模需求和系统特性，选择合适的平均方式进行建模分析。

状态空间平均法应用控制系统建模在控制系统中，状态空间平均法常用于描述系统的动态行为和性能指标。

通过建立系统的状态空间模型，可以进行系统稳定性分析、控制器设计和性能优化等工作。

状态空间平均法能够准确描述系统的状态变化和控制信号的作用过程，对于复杂的控制系统具有很强的建模能力。

通信系统建模通信系统中涉及到传输信道、编码解码等环节，状态空间平均法可以帮助建立系统的状态空间模型，分析系统的容量、误码率、传输延迟等性能指标。

通过对状态空间模型的分析，可以优化系统的传输策略、改善信道质量、提高系统的可靠性和性能。

计算机网络建模在计算机网络中，状态空间平均法可以用于建立网络节点和链路的状态空间模型，分析网络的拥塞控制、路由选择、QoS保障等问题。

通过对网络状态空间模型的分析和仿真，可以评估网络的稳定性、吞吐量、时延等性能指标，指导网络的设计和优化工作。

状态空间平均法的优势1.灵活性：状态空间平均法适用于各种类型的系统，包括线性系统、非线性系统和时变系统等。

2.5 控制系统的状态空间表达式2.5 控制系统的状态空间表达式随着科学技术的发展，被控制的对象越来越复杂，对自动控制的要求也越来越高。

面对时变系统，多输入多输出系统、非线性系统等被控量和对控制系统高精度、高性能的严格要求，传统的控制理论已不能适用。

同时，计算机技术的发展也要求控制系统地分析，设计中采用计算机技术并在控制系统的组成中使用计算机。

因此，适用这些要求的控制系统的另一种数学描述方法----状态空间就应运而生。

2.5.1 状态变量在对系统动态特性描述中，足以表征系统全部运动状态的最少一组变量，称之为状态变量。

只要确定了这组变量在t=时刻的值以及时的输入函数，则系统在任何时刻的运动状态就会全部确定。

状态变量互相间是独立的，但对同一个系统，状态变量的选取并不是唯一的。

一个用n 阶微分方程描述的系统，有n个独立变量，这n个独立变量就是该系统的状态变量。

若用表示这n个状态变量，则可以把这n个状态变量看作是向量x(t)的分量。

我们称x(t)为状态变量，它是一个n维向量，记为分别以状态变量作为坐标而构成的n维空间，称为状态空间。

系统在t时刻的状态，就是状态空间的一点。

系统在时刻的状态称为初始点，随着时间的变化，x(t)从初始点出发在状态空间描述出一条轨迹，称为状态轨迹。

状态魁及表征了系统状态的变化过程。

2.5.2 状态空间表达式1. 状态方程由系统的状态变量和输入函数构成的一阶微分方程组，称为系统的状态方程。

对于线性系统，可以写成如下形式(2.59)记为(2.60)式中x(t)是n维列向量u(t)是r维输入向量A是n*n维矩阵，称为系数矩阵B是n*r矩阵，称为输入矩阵或控制矩阵若矩阵A和B的元素都是常数，则状态方程是线性定常的。

若A和B中有随时间变化的元素，状态方程就是线性时变的。

状态方程中不能含有x(t)的高于一阶导数的项和输入函数的导数项。

对于非线性系统，状态方程可以写成如下形式(2.61)记为(2.62)式中f为向量函数。