线性定常状态方程的解

Solution of linear time-invariant state equations

矩阵指数函数

一、线性定常齐次状态方程

当初始时刻为 t0,初始状态 x(t0) 时,矩阵微分方程的解为:

x˙(t)=Ax(t)⇒x(t)=eA(t−t0)x(t0)=Φ(t−t0)x(t0)

1. 化为约旦标准型

求解核心:利用状态向量的线性变换将系统矩阵化为标准型,再结合特殊矩阵的指数函数

计算出特征值: |λI−A|=0

2. 拉普拉斯变换

求解的核心:计算逆矩阵,分解因式进行拉普拉斯逆变换,求得时间域上的解。

由拉普拉斯变换得到:

sX(s)=AX(s)+x(0)(sI−A)X(s)=x(0)X(s)=(sI−A)−1x(0)x(t)=L−1[(sI−A)−1]x(0)

对比矩阵指数得到:

eAt=L−1[(sI−A)−1]

3. 凯莱哈密顿定理

求解核心:将矩阵指数表达为 n−1 及 n−1 以下幂次的线性组合,记住系数的计算公式

计算出特征值: |λI−A|=0
由凯莱-哈密顿定理得到:

eAt=∑m=0n−1αm(t)Am=αn−1An−1+αn−2An−2+⋯+α1A+α0I
3.1 如果特征值均不相等

范德蒙德矩阵的转置的逆

(α0α1⋮αn−1)=(1λ1λ12⋯λ1n−11λ2λ22⋯λ2n−1⋮⋮⋮⋱⋮1λnλn2⋯λnn−1)−1(eλ1teλ2t⋮eλnt)(α0α1α2)=(1λ1λ121λ2λ221λ3λ32)−1(eλ1teλ2teλ3t)
3.2 如果特征值均相等
(α0α1⋮αn−2αn−1)=(000⋯01000⋯1(n−1)λ⋮⋮⋮⋮⋮001⋯⋯(n−1)(n−2)2!λn−3012λ⋯(n−2)λ(n−3)(n−1)λn−21λλ2⋯λn−2λn−1)−1(1(n−1)!tn−1eλt1(n−2)!tn−2eλt⋮12!t2eλtteλteλt)

αn−i=dαn−i+1dλ⋅1i−1

(α0α1α2)=(001012λ1λλ2)−1(12!t2eλtteλteλt)

二、线性定常非齐次状态方程的解

当初始时刻为 t0,初始状态 x(t0) 时,线性非齐次状态方程的解由两部分组成:

x˙(t)=Ax(t)+Bu(t)⇒x(t)=Φ(t−t0)x(t0)+∫t0tΦ(t−τ)Bu(τ)dτx˙(t)=Ax(t)+Bu(t)⇒x(t)=Φ(t)x(0)+∫0tΦ(t−τ)Bu(τ)dτ

经典输入信号