| Теория систем автоматического управленияУравнения состоянияПри решении некоторых задач теории автоматического управления удобнее представлять дифференциальное уравнение объекта (5.1) или дифференциальные уравнения системы (5.4) и (5.6) в виде совокупности дифференциальных уравнений первого порядка. Не умаляя общности, рассмотрим эти уравнения применительно к управляемому объекту. Пусть объект описывается дифференциальным уравнением n-го порядка (5.1)     называемых переменными состояния и представим уравнение (5.70) в виде системы дифференциальных уравнений     устанавливается алгебраическим уравнением   Обычно уравнения (5.71) и (5.72) записываются в векторпо-матричной форме:     — матрицы-столбцы. Матрицу-столбец-   могут иметь неодинаковые размерности. В выборе переменных состояния имеется определенная свобода. Важно только, чтобы они были независимыми. От того, как выбраны переменные, зависит форма уравнений (5.73) и (5.74), т. е. вид входящих в них матриц. При нормальной форме уравнений состояния в качестве переменных состояния выбираются сама управляемая величина \п- 1 ее производные:     т. с. когда оно имеет вид   Достоинством нормальной формы является то, что переменные состояния имеют ясный физический смысл, а некоторые из них (например, хих2 и х:]) могут быть непосредственно измерены датчиками различных типов. Для получения уравнений состояния в канонической форме уравнение объекта (5.70) представляется в виде       Если корни рь Ръ-Рп полинома С0(р) действительные однократные, то правая часть (5.80) может быть представлена в виде суммы элементарных дробей:     где К; и ()г- — коэффициенты разложения. В качестве неременных состояния выбираются слагаемые суммы (5.81):   Большим достоинством канонической формы является диагоиальиость матрицы Л , что существенно упрощает решение уравнения (5.73). Основной недостаток ее состоит в том, что переменные состояния не имеют ясного физического смысла, в результате чего возникает проблема их непосредственного измерения. Существуют и другие способы выбора переменных состояния, которые здесь не рассматриваются. Решение векторно-матричиого уравнения (5.73) может быть представлено в виде   Здесь оно без строгого доказательства построено по аналогии с решением линейного дифференциального уравнения 1-го порядка   общий интеграл которого, как известно, определяется но формуле     называется переходной или фундаментальной матрицей. Если уравнения состояния представлены в канонической форме, то матрица А диагональная и имеет вид (5.85). Тогда   При других формах уравнений состояния для определения фундаментальной матрицы можно использовать известные способы нахождения матричных функций, например, теоремы Кели—Гамильтона или Сильвестра. Можно также использовать формулу     —   При необходимости можно осуществить обратный переход от уравнений состояния к передаточным функциям объекта. Для этого уравнение (5.73) запишем в изображениях по Лапласу:      получается формула (5.88). Из уравнения (5.74) с учетом (5.89) найдем изображение управляемой величины при нулевых начальных значениях:     При описании свойств объекта уравнениями состояния возникают две проблемы, нетипичные для случая, когда используется одно дифференциальное уравнение я-то порядка. Эти проблемы рассматриваются в следующем параграфе. |