第03章线性离散系统的数学模型

线性离散系统数学模型和分析方法目录一、内容简述 (3)二、线性离散系统的数学模型 (3)2.1 离散系统的概念 (5)2.2 离散系统的描述方法 (6)2.2.1 差分方程 (7)2.2.2 马尔可夫过程 (8)2.2.3 状态空间表示 (10)2.3 线性离散系统的特性 (11)2.3.1 稳定性分析 (12)2.3.2 脉冲响应与收敛性 (13)2.3.3 系统性能评估 (14)三、分析方法 (16)3.1 拉普拉斯变换法 (17)3.1.1 基本概念 (19)3.1.2 应用分析 (20)3.1.3 收敛性与应用局限 (21)3.2 状态空间方法 (23)3.2.1 基本理论 (24)3.2.2 控制器设计 (25)3.2.3 参数估计 (26)3.3 Z变换法 (27)3.3.1 基本原理 (28)3.3.2 系统分析 (30)3.3.3 系统的性能评估 (31)3.4 时域分析方法 (33)3.4.1 序贯逼近法 (34)3.4.2 数值仿真 (34)3.4.3 基于数字模型的算法 (36)四、应用实例 (37)4.1 控制系统设计 (39)4.1.1 系统建模 (40)4.1.2 控制器设计与仿真 (42)4.2 信号处理 (43)4.2.1 离散信号处理 (45)4.2.2 滤波器设计 (46)4.3 通信系统 (47)4.3.1 调制与解调 (49)4.3.2 语音编码与加密 (51)五、结论与展望 (52)5.1 研究成果总结 (53)5.2 未来研究方向 (54)5.3 实际应用前景 (55)一、内容简述本文档旨在全面介绍线性离散系统数学模型的构建及其分析方法。

线性离散系统在现代科技、工程和经济学等领域具有广泛的应用，因此对其数学模型的理解和分析显得尤为重要。

我们将从线性离散系统的基本概念出发，详细阐述线性离散系统的定义、特点以及类型。

通过实例演示如何建立线性离散系统的数学模型，包括状态方程、传递函数等基本形式。

连续状态空间模型离散状
Ø
*(t)连续状态空间模型
⎧
x(k
例7-3-9 ，求其离散方程（含零阶保持）解：
1) 离散状态方程本质上是一阶差分方程组，故求其解也与求差分方程解一样有两种方法：递推法与
Ø
直接将初始条件
令Φ(
Øz z () X
解：1)用递推法代入不同的例7-3-10 x x ⎢⎣⎡
解：例7-3-10 x x ⎢⎣⎡
X
1)
Ø由差分方程
y
例：，求脉冲传递函数解：作
零初始条件
Ø
若已知控制器的脉冲传递函数须将
2) Ø
例7-3-11
⎤
u
(k
)
解：
Ø
Ø
现问题
Ø
分解）、
信号流图等工具也可以采用Ø
Ø能控标准型和能观标准型
G (z )==⎢⎢⎢⎡=A
Ø例7-3-12 解：1(21k y x x ⎢⎣⎡
Ø正则标准型（并联分解）：适用于脉冲传递函数为部分分式形式，
基本单元：
Ø例7-3-12 解：
(D z
Ø：适用于脉冲传递函数分子分母均为因式分解形式一阶环节基本单元
例7-3-12
解：
状态变量图
Ø例7-3-12
解：
状态变量图
例7-3-13
解：特征方程的根：
)(z D e
) (k
3) 差分方程和状态方程Ø
Ø
例7-3-14
4) •例
(G 12(((x x y k (e k。

§10-4 线性离散系统的分析前面讨论了线性离散系统的数学模型：一种是输入输出模型，一种是状态空间模型。

本节将要根据这些数学模型来分析线性离散系统的特性，例如稳定性、能控性和能观测性。

一、稳定性稳定性是动力学系统的一个十分重要的性质。

本节只讨论线性定常系统的稳定性，而时变系统的稳定性问题是比较复杂的。

有两大类的稳定性分析方法。

一类是分析离散系统极点在z 平面内的位置。

一个闭环系统是稳定的充分必要条件是其特征方程的全部根都必须分布在z 平面内以原点为圆心的单位圆内。

当然，我们可以用直接的方法求出特征方程，然后再求出其根（例如用贝尔斯特-牛顿叠代法）。

但是在工程上希望不经过解特征方程而找到一些间接的方法，例如代数判据法，基于频率特性分析的奈奎斯特法，或通过双线性变换把z 平面问题变成s 平面的问题，再用连续系统的稳定判据。

另一类研究稳定性的方法是李雅普诺夫第二方法，它规定了关于稳定性的严格定义和方法。

本节只介绍代数判据法。

Routh 、Schur 、Cohn 和Jury 都研究过相类似的稳定判据。

如果已知一个系统的特征多项式()n n na za z a z A +++=- 110 (10.87)Jury 把它的系数排列成如下的算表：11110a a a a a a a a a a nn n nn n =--α―――――――――――――――――――10111101211111110-------------=n n n n n n n n n n n n n a a aaaa a a α――――――――――――――――――――――――――――――――――――――10111110a a a a 10111a a =α―――――――――――――――――――0a 其中kk i k kik k k i k i a a a a a a 01=-=--α表中第一行和第二行分别是(10.87)中的系数按正序和倒序排列的。

2326.4 离散系统的数学模型为研究离散系统的性能，需要建立离散系统的数学模型。

线性离散系统的数学模型有差分方程、脉冲传递函数和离散状态空间表达式三种。

本节主要介绍差分方程及其解法，脉冲传递函数的定义，以及求开环脉冲传递函数和闭环脉冲传递函数的方法。

有关离散状态空表达式及其求解，将在第8章介绍。

6.4.1 线性常系数差分方程及其解法对于线性定常离散系统，k 时刻的输出)(k c ，不但与k 时刻的输入)(k r 有关，而且与k 时刻以前的输入 ),2(),1(--k r k r 有关，同时还与k 时刻以前的输出 ),2(),1(--k c k c 有关。

这种关系一般可以用n 阶后向差分方程来描述，即∑∑==-+--=mj jni i j k r bi k c a k c 01)()()( (6-34)式中，i a ，i =1，2，…，n 和j b ，j ＝0，1，…，m 为常系数，n m ≤。

式(6-34)称为n 阶线性常系数差分方程。

线性定常离散系统也可以用n 阶前向差分方程来描述,即∑∑==-++-+-=+mj jni i j m k r bi n k c a n k c 01)()()( (6-35)工程上求解常系数差分方程通常采用迭代法和z 变换法。

1. 迭代法若已知差分方程式(6-34)或式(6-35)，并且给定输出序列的初值，则可以利用递推关系，在计算机上通过迭代一步一步地算出输出序列。

例6-10 已知二阶差分方程)2(6)1(5)()(---+=k c k c k r k c输入序列1)(=k r ，初始条件为1)1(,0)0(==c c ，试用迭代法求输出序列)(k c ， ,5,4,3,2,1,0=k 。

解 根据初始条件及递推关系，得0)0(=c 1)1(=c6)0(6)1(5)2()2(=-+=c c r c 25)1(6)2(5)3()3(=-+=c c r c 90)2(6)3(5)4()4(=-+=c c r c301)3(6)4(5)5()5(=-+=c c r c2. z 变换法233设差分方程如式(6-34)所示，对差分方程两端取z 变换，并利用z 变换的实数位移定理，得到以z 为变量的代数方程，然后对代数方程的解)(z C 取z 反变换，可求得输出序列)(k c 。

§10-2 线性离散系统的数学模型和分析方法大多数计算机控制系统可以用线性时不变离散系统的数学模型来描述。

对于单输入单输出线性离散系统，人们习惯用线性常系数差分方程或脉冲传递函数来表示。

离散系统的线性常系数差分方程和脉冲传递函数，分别和连续系统的线性常系数微分方程和传递函数在结构、性质和运算规则上相类似。

对于多变量、时变和非线性系统用状态空间方法处理比较方便。

一、线性离散系统的数学描述1. 差分方程对简单的单输入单输出线性离散系统，其输入)(kT u 和输出)(kT y 之间的关系可用下列线性常系数差分方程来表示)()()()()()(101nT kT u b T kT u b kT u b nT kT y a T kT y a kT y n n -++-+=-++-+ (10.17)(10.17)式也可以写成如下紧缩的形式∑∑==-=-+n i ni i i iT kT u b iT kT y a kT y 1)()()( (10.18)如果引入后移算子1-q ，即)()(1T kT y kT y q -=- (10.19)则(10.18)式可写成多项式的形式)()()()(11kT u q B kT y q A --= (10.20)式中n n q a q a q A ---+++= 1111)( n n q b q b b q B ---+++= 1101)(方程(10.17)、(10.18)和(10.20)中假设左右两端阶次相同，这并不失一般性，差分方程中最高和最低指数之差n 被称为差分方程的阶数。

如果(10.17)式中右端的系数项i b ，n i ,,1,0 =，不全为零，则此方程被称为非齐次方程。

方程右端又被称为驱动项。

方程的阶数和系数反映系统的结构特征。

用差分方程作为物理系统的数学模型时，方程中各变量代表一定的物理量，其系数有时具有明显的物理意义。

如果(10.17)式右端的系数全为零，则被称作齐次方程。