Понятие пространства состояний

К многомерным системам относятся такие системы, у которых имеется

несколько управляемых и управляющих величин. Например, системы автоматического регулирования частоты вращения двигателей переменного тока, системы регулирования напряжения и частоты синхронного генератора, системы управления промышленными роботами, системы управления подвижными объектами.

При исследовании многомерных систем пользуются методами пространства

состояний. В отличие от подхода основанного на использовании структурных схем и передаточных функций использование метода пространства состояний основано на возможности описания поведения системы некоторым количеством дифференциальных уравнений первого порядка относительно переменных состояния с начальными условиями. Понятие состояния, лежащее в основе современного подхода к описанию поведения динамических систем, было впервые введено Тьюрингом в 1936 г. Позднее это понятие было использовано Шенноном в его работах по теории информации.

Многомерная система предполагает наличие многомерного объекта управления, который характеризуется входными и выходными переменными, к которым относятся:

1) входные переменные, представляющие сигналы, генерируемые системами, внешними по отношению к исследуемой, и влияющие на ее поведение. Входные переменные разделяются на управляющие переменные, задаваемые вектором U:

u=(u1 , u2 ,...uk )T , (1.1)

и возмущающие воздействия, задаваемые вектором f :

f =(f1 , f 2 ,... fl )T , (1.2)

2) выходные или регулируемые переменные, задаваемые вектором регулируемых величин y:

y=(y1 , y2 ,...ym )T , (1.3)

3) переменные (обобщенные координаты) состояния или промежуточные

переменные, задаваемые вектором обобщенных координат x

x = (x1 , x2 ,...xn )T (1.4)

Переменные многомерного объекта являются векторными величинами, зависящими от времени, а сам объект может быть структурой рис. 1.1.

Понятие пространства состояний - student2.ru

Рис.1.1

Согласно понятию векторного пространства множество всех значений, которые может принять вектор управления Uв момент времени t , образует пространство управляющих величин. Аналогично, множество всех значений, которое могут принимать векторы возмущений f , регулируемых величин y и обобщенных координат x в момент времени t , образуют пространство возмущающих воздействий, пространство регулируемых величин и пространство состояний системы.

В любой момент времени t состояние системы является функцией начального состояния x (t0) и вектора входных величин.

Вектор регулируемых величин в момент t является также функцией начального состояния x0 (t0) и вектора входных величин U(t0 ,t) и f(t0 ,t) и может быть записан как

y (t) =Ψx(t 0 ); u(t0 ,t); f(t) (1.5)

Уравнение (1.5) называют уравнением состояния системы. Для систем, описываемых дифференциальными уравнениями, уравнения могут быть записаны в следующем виде:

Понятие пространства состояний - student2.ru (1.6)

Для линейных систем уравнения состояния сводятся к следующим:

Понятие пространства состояний - student2.ru (1.7)

Уравнение (1.6) и (1.7) устанавливает взаимосвязь между входными (управляющими и возмущающими) и выходными (фазовыми) координатами объекта, определяемую видом функций F[x(t);u(t);f(t)] и Ψ[x(t);u(t);f(t)], а также

позволяет описать процесс движения системы в пространстве состояний, как результат решения векторного дифференциального уравнения (1.6) или (1.7).

Наши рекомендации