线性时变状态方程的解

一、线性齐次时变状态方程的解

x˙=A(t)x(t)⇒x(t)=Φ(t,t0)x(t0)

只有当 A(t) 和 ∫t0tA(τ)dτ 满足乘法可交换条件,时变系统的自由解才可以写为封闭的幂级数形式:

Φ(t,t0)=exp⁡[∫t0tA(τ)dτ]x(t0)

如果不满足乘法可交换条件,只能用级数近似:

Φ(t,t0)=I+∫t0tA(τ0)dτ0+∫t0t∫t0τ0A(τ1)dτ1dτ0+∫t0t∫t0τ0∫t0τ1A(τ2)dτ2dτ1dτ0+⋯

时变状态转移矩阵的基本性质

Φ(t,t)=IΦ(t2,t1)Φ(t1,t0)=Φ(t2,t0)Φ(t,t0)=Φ−1(t0,t)Φ˙(t,t0)=A(t)Φ(t,t0)

二、线性非齐次时变状态方程的解

x˙(t)=A(t)x(t)+B(t)u(t)⇒x(t)=Φ(t,t0)x(t0)+∫t0tΦ(t,τ)B(τ)u(τ)dτx˙(t)=Ax(t)+Bu(t)⇒e−Atx˙(t)=e−AtAx(t)+e−AtBu(t)⇒d(e−Atx(t))dt=e−AtBu(t)

两边积分得到:

∫t0td(e−Aτx(τ))dtdτ=∫t0te−AτBu(τ)dτ⇒e−Aτx(τ)|t0t=∫t0te−AτBu(τ)dτ⇒e−Atx(t)=e−At0xt0+∫t0te−AtBu(τ)dτ⇒x(t)=eA(t−t0)x(t0)+eAt∫t0te−AτBu(t)dτ