background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

®

 

 

1  

 

 

 

 

 

 
 
 

Zmienne stanu 

 
 

Prowadzący: dr inż. Tomasz Sikorski 

 

Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii 

Wydział Elektryczny 

Politechnika Wrocławska 

 

D-1, 205/8 

tel: (071) 320 21 60 

fax: (071) 320 20 06 

email: 

tomasz.sikorski@pwr.wroc.pl

 
 
 
 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

1.  Wprowadzenie ............................................................................................................................................................................................................... 3 
2.  Przykład opisu układu za pomocą zmiennych stanu...................................................................................................................................................... 7 

2.1 

Formułowanie równania stanu ............................................................................................................................................................................... 7 

2.2 

Elementy rozwiązania równania stanu................................................................................................................................................................. 11 

2.3 

Wykorzystanie transformaty Laplace’a w wyznaczaniu zmiennych stanu ......................................................................................................... 19 

2.4 

Wykorzystanie wartości własnych macierzy stanu 

A

 do badania stabilności układu....................................................................................... 23 

2.5 

Wykorzystanie macierzy stanu do wyznaczania odpowiedzi impulsowej układu .............................................................................................. 24 

 
 

®

 

 

2  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

1. Wprowadzenie   

Stanem obwodu w chwili t

0

 nazywamy zespół wielkości, które razem ze znajomością wszystkich sygnałów 

wejściowych (tj. źródeł napięcia i źródeł prądu), pozwalają przewidzieć jednoznacznie zachowanie się 
układu w każdej chwili t>t

0

 tzn. pozwalają na jednoznaczne określenie wszystkich sygnałów wyjściowych 

(napięć i prądów) wszystkich elementów obwodu. 
 
Zmiennymi stanu nazywamy taki układ wielkości, który jednoznacznie opisuje stan obwodu. Wielkości te 
nazywane są zmiennymi stanu lub współrzędnymi stanu, a wektor będący zbiorem n  zmiennych stanu 
nazywamy wektorem stanu. 
 
W obwodach elektrycznych stan obwodu jednoznacznie opisują  ładunku na kondensatorach, a zatem 
również napięcia na kondensatorach, oraz strumienie cewek czyli również prądy płynące przez cewki
Wielkości te przyjmiemy za zmienne stanu. 
 
Dla obwodów nie zawierających oczek osobliwych oraz węzłów (rozcięć) osobliwych liczba zmiennych 
stanu jest równa liczbie elementów zachowawczych tj. liczbie kondensatorów i cewek. W ogólności o ilości 
zmiennych stanu świadczy rząd obwodu (liczba stopni swobody) 

LC

L

C

n

n

n

n

=

 

gdzie 

LC

n

 – całkowita liczba kondensatorów i cewek, 

L

n

 - liczba niezależnych węzłów osobliwych, 

 - 

liczba niezależnych oczek osobliwych. 

C

n

 
Dla  n zmiennych stanu możemy sformułować  n równań różniczkowych pierwszego rzędu lub jedno 
równanie n-tego rzędu. To drugie podejście jest podstawą metody klasycznej rozwiązywania obwodów w 

®

 

 

3  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

stanach przejściowych, dające rozwiązanie dla jednej zmiennej, będącej podstawą rozwiązywanego 
równania  n-tego rzędu.  W metodzie zmiennych stanu wykorzystamy układ n równań pierwszego 
stopnia

Oznaczmy zmienne stanu za pomocą 

( ) ( ) ( )

( )

1

2

3

n

x t ,x t ,x t ...x t

, a odpowiadający im kolumnowy 

wektor zmiennych stanu o wymiarach nx1 jako: 
 

( )

( )

( )

( )

1

2

...

n

x t

x t

t

x t

=

 nx1 

X

 
Oznaczmy wymuszenia tj. niesterowane źródła napięciowe i prądowe przez 

( ) ( ) ( )

( )

1

2

3

n

u t ,u t ,u t ...u t

, a 

odpowiadający im kolumnowy wektor wymuszeń o wymiarach px1 jako: 
 

( )

( )

( )

( )

1

2

...

p

u t

u t

t

u

t

=

U

 px1 

 
 
 

®

 

 

4  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Pisząc układ równań Kirchhoffa dla danego obwodu możemy tak przekształcić zależności z równaniami 
pierwszego rzędu by otrzymać formę, gdzie z lewej strony występują pierwsze pochodne zmiennych stanu, 
a z drugiej zmienne stanu i wymuszenia. Jest to tzw. postać normalna równania stanu
 

( )

( )

( )

d

t

t

t

dt

=

+

X

AX

BU

 bądź 

( )

( )

( )

t

t

t

=

+

X

AX

BU

 

 
Macierze 

A

 i   w obwodzie liniowym mają elementy stałe, liczbowe, stanowiące kombinacje 

elementów obwodu.  

B

Przy czym:    

A

 jest macierzą kwadratową o wymiarach nxn i zwana jest macierzą stanu, 

 

 

 

 

B

 jest macierzą prostokątną o wymiarach nxp i zwana jest macierzą wymuszeń. 

 
Pełen opis obwodu, zawierający informacje o napięcia na cewkach, rezystorach czy prądach płynących 
przez kondensatory, można sformułować drugim równaniem, opartym na zmiennych stanu. Równanie to 
jest równaniem algebraicznym i nazywane jest równaniem odpowiedzi

( )

( )

( )

t

t

t

=

+

Y

CX

DU

 

gdzie 

( )

( )

( )

( )

1

2

...

q

y t

y t

t

y t

=

Y

 qx1 – wektor odpowiedzi 

 
Przy czym:      jest macierzą prostokątną o wymiarach qxn i zwana jest macierzą odpowiedzi, 

C

 

 

 

 

D

 jest macierzą prostokątną o wymiarach qxp i zwana jest macierzą transmisyjną. 

®

 

 

5  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

®

 

 

6  

 

 

 

 

Równanie stanu i równanie odpowiedzi tworzą parę równań, które w pełni opisują stan obwodu w 
warunkach dynamicznych. 
 
Charakterystyczną cechą metody zmiennych stanu jest możliwość jednoczesnego wyznaczania 
zmienności w czasie wszystkich wielkości uznanych za zmienne stanu. Ponadto metoda ta umożliwia 
analizę obwodów różnej klasy, tj. liniowych i nieliniowych oraz stacjonarnych i niestacjonarnych. I wreszcie 
oparcie równań tylko na pierwszej pochodnej, a także specjalna struktura równań wektorowo-macierzowa, 
stwarza dobre warunki do aplikacji metody zmiennych stanu przy użyciu komputerów. 
 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2. Przykład opisu układu za pomocą zmiennych stanu  

 

1

2

1

1

1

R

R

;

L

H ,

C

F

Ω

=

=

=

=

 

2.1 Formułowanie równania stanu 

Formułowanie równania zmiennych stanu oraz równania odpowiedzi pokażemy na przykładzie. 
Stwierdzamy brak oczek oraz węzłów osobliwych, a więc rząd obwodu równy jest liczbie elementów 
zachowawczych, n=2, i tyleż samo wyznaczymy zmiennych stanu. 
Spodziewamy się: 

( )

( )

( )

1

2

x t

t

x t

= ⎢

⎥  nx1=2x1; 

X

A

 nxn=2x2; 

( )

( )

1

t

u t

= ⎡

U

 px1=1x1;   nxp=2x1  

B

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

1

3

1

2

2

2

2

C

'

C

'

L

du

t

x t

u

t

i t

C

C x

t

dt

di t

x t

i t

u

t

L

L x

t

dt

=

⎯⎯

=

= ⋅

=

⎯⎯

=

= ⋅

 

®

 

 

7  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

 
Punktem wyjścia do wyznaczenia równania stanu jest układ równań Kirchhoffa: 

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

1

2

3

2

1

1 1

2 2

2

2 2

C

i t

i t

i t

di t

u t

R i t

R i t

L

dt

di t

R i t

L

u

t

dt

=

+

=

+

+

+

=

⎪⎩

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

'

1

2

1

'

1

1 1

2

2 2

'

2

2 2

1

            1

2

i t

x t

Cx

t

u t

R i t

Lx t

R x t

Lx t

R x t

x t

=

+

⎯⎯

⎪⎪

=

+

+

+

=

⎪⎩

 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

'

'

1

1 2

1

1

2

2 2

'

'

2

2

2 2

1

2

1

2

1

u t

R x t

R Cx

t

Lx t

R x t

R

Lx t

R x t

x t

x t

x t

x t

L

L

=

+

+

+

+

=

⎯⎯

=

⎪⎩

 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

'

2

1

1 2

1

1

1

2

2 2

'

2

2

1

2

1

1

R

u t

R x t

R Cx t

L

x t

x t

R x t

L

L

R

x t

x t

x t

L

L

=

+

+

+

⎪⎪

⎪⎯⎯→

=

⎪⎩

 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

1 2

2 2

2 2

'

1

1

1

1

'

2

2

1

2

1

R x t

R x t

R x t

u t

R Cx t

x t

R

x t

x t

x t

L

L

=

+

+

+

⎯⎯

=

⎪⎩

 

®

 

 

8  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

'

1

1

1

1 2

1

'

2

2

1

2

1

R Cx t

x t

R x t

u t

R

x t

x t

x t

L

L

= −

+

⎯⎯

=

⎪⎩

 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

'

1

1

2

1

1

1

'

2

2

1

2

1

1

1

1

x t

x t

x t

u t

R C

C

R C

R

x t

x t

x t

L

L

⎧⎯⎯→

= −

+

⎪⎪

⎪⎯⎯→

=

⎪⎩

 

®

 

 

9  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

 
Postać normalna równania stanu w postaci wektorowo macierzowej: 
 

( )

( )

( )

( )

( )

'

1

1

1

1

1

'

2

2

2

1

1

1

1

0

x t

x t

R C

C

R C

u t

x t

x t

R

L

L

⎤ ⎢

=

+

⎥ ⎣

 

 

( )

( )

( )

1

2

x t

t

x t

= ⎢

⎥  nx1=2x1;  

 

wektor zmiennych stanu 

X

1

2

1

1

1

R C

C

R

L

L

⎥  nxn=2x2;  

macierz stanu; 

dla danych

=

A

1

2

1

1

1

R

R

;

L

H ,

C

F

Ω

=

=

=

=

 

1

1

1

1

= ⎢

A

 

( )

( )

1

t

u t

= ⎡

⎤⎦

U

 px1=1x1;  

 

wektor wymuszeń 

1

1

0

R C

= ⎢

 nxp=2x1  

 

 

macierz wymuszeń; dla 

danych

B

1

2

1

1

1

R

R

;

L

H ,

C

F

Ω

=

=

=

=

 

1
0

⎡ ⎤

= ⎢ ⎥

⎣ ⎦

B

 

 

®

 

 

10  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.2 Elementy rozwiązania równania stanu 

Jeśli rozpatrywać dynamikę pracy obwodu elektrycznego tj. wykorzystać równanie stanu do analizy 
obwodu w stanie nieustalonym, konieczna jest znajomość stanu początkowego w chwili komutacji t=t

0

Określa to wektor stanu początkowego, tj. wektor stanu dla t=t

0

 

( )

( )

( )

1

0

2

0

0

0

...

n

x t

x t

x t

=

 nx1 

X

 
Rozwiązanie równania stanu 

( )

( )

( )

t

t

t

=

+

X

AX

BU

 w ogólnym zapisie ma postać: 

( )

(

)

( )

( )

( )

0

0

0

t

t t

t

t

t

e

t

e

d

τ

τ τ

=

+

A

A

X

X

BU

 

Natomiast wektor odpowiedzi 

( )

( )

( )

t

t

t

Y

=

+

CX

DU

, w ogólnym zapisie reprezentuje równanie: 

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

0

0

0

t

t t

t

t

t

e

t

e

d

t

τ

τ τ

=

+

+

A

A

Y

C

X

C

BU

DU

 

 

ƒ

 fragment 

(

)

( )

0

0

t t

e

t

A

X

 zależy od wektora stanu początkowego, występuje tylko przy stanie 

początkowy niezerowym, 

®

 

 

11  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

ƒ

 fragment 

( )

( )

0

t

t

t

e

d

τ

τ τ

A

BU

 , bądź 

( )

( )

0

t

t

t

e

d

τ

τ τ

A

C

BU

 jest splotem dwóch funkcji macierzowych i 

reprezentuje działanie wymuszeń. 

 
Charakterystycznym elementem obu równań jest macierz 

( )

t

e

A

 zwana macierzą podstawową lub 

tranzycyjną układu. Kluczowe znaczenie dla rozwiązania równania stanu będzie miała umiejętność 
wyznaczenia macierzy podstawowej. 
 
Pewnym kierunkiem jest wykorzystanie metody rozwinięcia w szereg skończony 

( )

t

e

A

 ze względu na 

kwadratową macierz 

A

 przy danym rzędzie obwodu n.  

 

( )

( )

( )

1

0

n

t

k

k

k

g

e

t

β

=

=

=

A

A

A

 

 
Rozwinięcie to wykorzystuje twierdzenie twierdzenie Cayleya-Hamiltona, które mówi, iż każda macierz 
kwadratowa spełnia swoje równanie charakterystyczne, co oznacza:  
 

( )

( )

0

0

g

g

λ

= ⎯⎯

=

A

 dla pierwiastków równania charakterystycznego. 

 
Dla rozpatrywanego przykładu n=2, stąd rozwinięcie przyjmie postać: 

( )

( )

( )

( )

1

0

1

1

t

g

e

t

t

β

β

=

=

+

A

A

A

 

gdzie oznacza diagonalną macierz jednostkową nxn. 

®

 

 

12  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Macierz stanu, po podstawieniu danych, wynosi 

1

1

1

1

= ⎢

A

, co pozwala przedstawić rozwinięcie 

macierzy podstawowej w zapisie wektorowo-macierzowym: 
 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1 0

1

1

0

0 1

1

1

t

t

t

t

g

e

t

t

t

t

t

β

β

β

β

β

β

β

β

⎤ ⎡

=

=

+

=

+

⎥ ⎢

⎦ ⎣

⎦ ⎣

A

A

 

 
Do wyznaczenie współczynników rozkładu 

( ) ( )

0

1

,

t

t

β

β

 wykorzystamy pojęcie 

równania 

charakterystycznego macierzy stanu 

A

 (kwadratowej) i wywodzących się z tego równania wartości 

własne macierzy stanu.  
 
Mając daną macierz kwadratową 

A

 możemy wyznaczyć wielomian charakterystyczny tej macierzy jako: 

( )

[

]

det

1

g

λ

λ

=

A

 

gdzie oznacza diagonalną macierz jednostkową nxn. 
 
Następnie równanie: 

( )

[

]

0

det

1

0

g

λ

λ

= ⎯⎯

=

A

 

jest  równaniem charakterystycznym macierzy 

A

, a wywodzące się z tego równania pierwiastki 

nazywamy pierwiastkami charakterystycznymi bądź wartościami własnymi macierzy kwadratowej 

A

 
 

®

 

 

13  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Spróbujmy więc wyznaczyć macierz podstawową 

( )

t

e

A

 w następujących operacjach: 

ƒ

  wyznaczenie równania charakterystycznego macierzy 

A

 

ƒ

 wyznaczenie pierwiastków równania charakterystycznego (wartości własnych macierzy 

A

ƒ

  na podstawie rozwinięcia w szereg skończony macierzy podstawowej, wykorzystać wartości własne 

do wyznaczenia współczynników rozwinięcia tej macierzy w szereg 

 
Wyznaczenie równania charakterystycznego macierzy 

A

 

( )

[

]

(

)

(

)

1

1

1

1

1 0

1

1

0

det

1

1

1

1

1

0 1

1

1

0

g

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

− −

⎤ ⎡

=

=

=

=

⎥ ⎢

− −

⎦ ⎣

A

 

( ) (

)

2

2

1

1

2

2

g

λ

λ

λ

λ

= +

+ =

+

+

 

Wyznaczenie pierwiastków równania charakterystycznego (wartości własnych macierzy 

A

( )

2

2

1

2

0

2

2 0

4

4 8

4;

2

2

2

1

1

2

2

2

2

1

1

2

2

g

b

ac

j

b

j

j

b

j

j

λ

λ

λ

λ

λ

= ⎯⎯

+

+ =

Δ =

= − = −

Δ =

− + Δ

− +

=

=

= − +

 

− − Δ

− −

=

=

= − −

 
 
 

®

 

 

14  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Wyznacznie macierzy podstawowej przez wyznaczenia współczynników rozwinięcia tej macierzy w 
szereg skończony. 
Przypomnijmy postać rozwinięcia: 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1 0

1

1

0

0 1

1

1

t

t

t

t

g

e

t

t

t

t

t

β

β

β

β

β

β

β

β

⎤ ⎡

=

=

+

=

+

⎥ ⎢

⎦ ⎣

⎦ ⎣

A

A

 

Jednocześnie przy wartościach własnych macierzy (dla pierwiastków równania charakterystycznego) 

( )

( )

( )

0

0

i

t

i

g

g

e

g

λ

λ

λ

= ⎯⎯

= ⎯⎯

=

A

 

czyli: 

( )

( )

0

1

t

e

t

t

λ

β

β

λ

=

+

 (dla pierwiastków równania charakterystycznego) 

to przy danych pierwiastkach 

( )

( )(

)

( )

( )(

)

1

2

1

0

1

2

0

1

1

1

1

1

1

1

t

1

1

t

j

e

t

t

j

®

 

 

15  

 

 

 

 

j

e

t

t

j

λ

λ

β

λ

β

β

+

− +

= − − ⎯⎯

=

+

− −

λ

β

= − + ⎯⎯

=

 

Otrzymamy dwie informacje przy dwóch poszukiwanych współczynnikach rozwinięcia (funkcji zmiennej t): 

(

)

( )

( )(

)

(

)

( )

( )(

)

1 1

0

1

1 1

0

1

1

1

1

1

j t

j t

e

t

t

j

e

t

t

j

β

β

β

β

− +

− −

=

+

− +

=

+

− −

⎪⎩

 

 
 
 
 
 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Przez obustronne odjęcie stronami uzyskamy: 

(

)

(

)

( )

( )(

)

( )

( )(

)

(

)

( )

(

)

( )

( )

1 1

1 1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2sin

2

sin

j t

j t

t

jt

jt

t

t

e

e

t

t

j

t

t

j

e

e

e

j

t

e

j

t

j

t

t

e

t

β

β

β

β

β

β

β

− +

− −

=

+

− +

− −

=

=

⎯⎯

=

 

Przez obustronne zsumowanie stronami uzyskamy: 

(

)

(

)

( )

( )(

)

( )

( )(

)

(

)

( )

( )

(

)

( )

( )

(

)

( )

( )

1 1

1 1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

1

2

2

2cos

2

cos

cos

sin

j t

j t

t

jt

jt

t

t

t

t

e

e

t

t

j

t

t

j

e

e

e

t

t

e

t

t

t

t

e

t

t

e

t

e

t

β

β

β

β

β

β

β

β

β

β

− +

− −

+

=

+

− +

+

+

− −

+

=

=

⎯⎯

=

+

=

+

 

 
Ostatecznie: 

( )

1

sin

t

t

e

t

β

=

 

( )

(

)

0

cos

sin

t

t

e

t

t

β

=

+

 
Szukana macierz podstawowa 

( )

t

e

A

 względem macierzy 

A

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1 0

1

1

0

0 1

1

1

t

t

t

t

g

e

t

t

t

t

t

β

β

β

β

β

β

β

β

⎤ ⎡

=

=

+

=

+

⎥ ⎢

⎦ ⎣

⎦ ⎣

A

A

si

n

n

t

t

t

t

t

t

t

t

t

e

t

t

e

t

e

t

g

e

e

t

t

e

e

t

e

e

t

e

t

e

t

+

=

=

+

⎥ ⎢

+

 

( )

( )

(

)

(

)

cos

sin

0

sin

sin

0

cos

sin

sin

si

cos

sin

co

t

t

t

t

=

®

 

 

16  

 

 

 

 

s

A

A

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
UWAGA: 
Metoda rozwinięcia w szereg skończony jest szczególnie przydatna, gdy macierz kwadratowa 

A

   ma 

wielokrotne wartości własne. Np. niech pierwiastek 

i

λ

 ma krotność 

2

i

m

=

.Należy wtedy dla tej wartości 

własnej, oprócz równania 

( )

i

t

i

e

g

λ

λ

=

,zapisać dodatkowe równanie 

( )

i

i

i

t

i

d

d

e

g

dt

d

λ

λ λ

λ λ

λ

λ

=

=

=

 

 
UWAGA: 
Istnieją jeszcze inne metody wyznaczania macierzy podstawowej 

( )

t

e

A

ƒ

  zastosowanie wzoru interpolacyjnego Sylevestera 

ƒ

 metoda przekształceń macierzowych z użyciem nieosobliwej macierzy przekształceń 

1

=

D P AP

 

 
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 
Wracając do głównego równania możemy wyznaczyć wektor stanu: 

( )

(

)

( )

( )

( )

0

0

0

t

t t

t

t

t

e

t

e

d

τ

τ τ

=

+

A

A

X

X

BU

 

Dla przypadku t

0

=0 oraz zerowych warunków początkowych, wektor stanu określa równanie: 

( )

( )

( )

0

t

t

t

e

d

τ

τ τ

=

A

X

BU

 

czyli splot funkcji macierzowych. 

®

 

 

17  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

 

®

 

 

18  

 

 

 

 

W danym zadaniu: 

( )

( )

U

1

t

u t

= ⎡

⎤⎦  px1=1x1;  

 

wektor wymuszeń 

1

1

0

R C

= ⎢

 nxp=2x1  

 

 

macierz wymuszeń; dla 

danych

B

1

2

1

1

1

R

R

;

L

H ,

C

F

Ω

=

=

=

=

 

1
0

⎡ ⎤

= ⎢ ⎥

⎣ ⎦

B

 

( )

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

( )

1

0

cos

sin

1

sin

cos

0

t

t

t

t

t

e

u

d

t

t

τ

τ

τ

τ

τ

τ

τ

− −

⎡ ⎤

=

⎥ ⎢ ⎥ ⎣

⎣ ⎦

X

 

Bądź ze względu na przemienność splotu 

( )

( )

(

)

(

)

1

0

0

cos

sin

1

sin

cos

0

t

t

t

t

t

t

t

e

t

d

e

u t

d

t

t

τ τ

τ

τ

⎤ ⎡ ⎤

=

=

⎥ ⎢ ⎥ ⎣

⎦ ⎣ ⎦

A

X

BU

 

( )

(

)

(

)

(

)

1

0

1

0

1

0

cos

cos

sin

sin

t

t

t

t

t

t

e

t

u t

d

t

t

e

u t

d

t

e

t

u t

d

τ

τ

τ

τ

τ

τ

=

=

⎥ ⎣

X

 

UWAGA: 

ƒ

 Wyznaczanie zmiennych stanu jest efektywniejsze przy wykorzystaniu transformaty Laplace’a w 

połączeniu z metoda przekształceń macierzowych. 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.3 Wykorzystanie transformaty Laplace’a w wyznaczaniu zmiennych stanu 

 
Powróćmy do postaci normalna równania stanu
 

( )

( )

( )

d

t

t

t

dt

=

+

X

AX

BU

 bądź 

( )

( )

( )

t

t

t

=

+

X

AX

BU

 

 
i dokonajmy obustronnie transformacji Laplace’a: 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

(

) ( )

( )

( )

( ) (

)

( )

( )

( )

0

0

0

1

0

1

s

s

1

1

s

t

s

s

s

s

s

t

s

s

s

t

s

s

s

t

s

=

+

⎯⎯

=

+

⎯⎯

=

+

⎯⎯

=

+

⎯⎯

=

X

X

AX

BU

X

AX

BU

X

A X

BU

X

X

A

BU

X

X

P R

 

Niech 

, a 

(

)

1

s

=

P

A

( )

( )

0

s

t

=

+

R BU

X

 

W omawianym przykładzie 

( )

( )

( )

( )

( )

'

1

1

1

1

1

'

2

2

2

1

1

1

1

0

x t

x t

R C

C

R C

u t

x t

x t

R

L

L

⎤ ⎢

=

+

⎥ ⎣

 

 

®

 

 

19  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

( )

( )

( )

1

2

x t

t

x t

= ⎢

⎥  nx1=2x1;  

 

wektor zmiennych stanu 

X

1

2

1

1

1

R C

C

R

L

L

⎥  nxn=2x2;  

macierz stanu; 

dla danych

=

A

1

2

1

1

1

R

R

;

L

H ,

C

F

Ω

=

=

=

=

 

1

1

1

1

= ⎢

A

 

( )

( )

1

t

u t

= ⎡

⎤⎦

U

 px1=1x1;  

 

wektor wymuszeń 

1

1

0

R C

= ⎢

 nxp=2x1  

 

 

macierz wymuszeń; dla 

danych

B

1

2

1

1

1

R

R

;

L

H ,

C

F

Ω

=

=

=

=

 

1
0

⎡ ⎤

= ⎢ ⎥

⎣ ⎦

B

 

 
Po podstawieniu danych: 

( )

( )

( )

( )

( )

'

1

1

1

'

2

2

1

1

1

1

1

0

x t

x t

u t

x t

x t

⎡ ⎤

=

+

⎢ ⎥ ⎣

⎣ ⎦

 

 
 
 
 
 
 
 

®

 

 

20  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Po przejściu do dziedziny operatorowej 

( ) (

)

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

1

1

0

0
0

1

0

1

1

1 0

1

1

1

1

1

0 1

1

1

1

1

1
0

0

t

s

s

s

t

s

s

s

s

U s

s

t

s

U s

⎡ ⎤

=⎢ ⎥

⎣ ⎦

=

+

=

+

⎤ ⎡

⎤ ⎡

⎯⎯

→ = − =

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

+

⎦ ⎣

⎦ ⎣

⎡ ⎤

⎯⎯

→ =

+

⎯⎯⎯⎯→ =

=

=

⎤ ⎢

⎢ ⎥ ⎣

⎣ ⎦

X

X

A

BU

X

P R

P

A

R BU

X

R BU

 

Dalej: 

1

1

det

T

=

P

P

D

P

 gdzie: 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

(

)(

) ( )( )

1 1

1 2

22

21

2 1

2 2

12

11

2

11 22

12

21

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

det

1

1

1

1

2

2

transpose

T

p

p

s

s

s

s

p

p

p p

p p

s

s

s

s

+

+

+

+

⎡ +

− − ⎤

+

=

=

⎯⎯⎯⎯

=

+

+

=

= +

+ −

− =

+

+

P

P

D

D

P

 

Stąd: 

1

2

1

1

1

1

1

1

det

2

2

T

s

s

s

s

+

=

=

+

+

+ ⎣

P

P

D

P

 

( )

( )

( )

1

1

1
0

0

U s

s

U s

⎡ ⎤

=

=

=

⎤ ⎢

⎢ ⎥ ⎣

⎣ ⎦

R BU

 

Wektor transformat Laplaca zmiennych stanu dla danego przykładu: 

( )

( )

1

1

2

1

1

1

1

1

2

2

0

s

U s

s

s

s

s

+

=

=

⋅ ⎢

+

+

+ ⎣

⎦ ⎣

X

P R

 

 

®

 

 

21  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

Jeśli wymuszeniem będzie np. napięcie stałe E=1V to 

( )

1

1

U s

s

=  

Wtedy: 

( )

(

)

(

)

2

1

2

2

2

1

1

2

2

1

1

1/

1

1

1

1

0

1

1

2

2

2

2

2

2

s

s

s s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s s

s

+

+

⎤ ⎢

+

+

+

⎤ ⎡

=

=

=

=

⎥ ⎢

+

+

+

+

+

⎦ ⎣

⎥ ⎢

+

+

X

P R

 

Poszukiwane zmienne stanu: 

( )

( )

{

}

( )

( )

(

)

(

)

1

2

1

1

2

1

2

1

2

2

1

2

2

s

s s

s

x t

t

s

x t

s s

s

+

+

+

=

= ⎢

⎫⎥

+

+

L

L

L

X

X

 

 
Rozwiązanie: 

( )

( )

( )

1

1 1

1

cos

sin 1

2 2

2

t

t

C

x t

u

t

e

t

e

t

t

=

=

+

 

( )

( )

( )

2

1 1

1

cos

sin 1

2 2

2

t

t

L

x t

i

t

e

t

e

t

t

 

=

=

 
 

®

 

 

22  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.4 Wykorzystanie wartości własnych macierzy stanu do badania stabilności układu 

 
Możemy stwierdzić czy system jest stabilny bez wyznaczania zmiennych stanu i badani ich przebiegu. 
Otóż o stabilności układu możemy wnioskować na podstawie położenia wartości własnych macierzy stanu 

A

 tj. pierwiastków równania charakterystycznego. 

 
Układ jest stabilny, jeśli wszystkie wartości własne macierzy stanu mają części rzeczywiste 
mniejsze od zera 

{ }

Re

0

i

λ

<

 

 

W omawianym przypadku 

{ }

{ }

1

1

2

2

1

1

Re

1 0

1

1

Re

1 0

j

j

λ

λ

λ

λ

= − + ⎯⎯

= − <

− − ⎯⎯

= − <

 świadczy o stabilności układu. 

=

 
 

®

 

 

23  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

2.5 Wykorzystanie macierzy stanu do wyznaczania odpowiedzi impulsowej układu 

 
Rozważmy w omawianym przykładzie jedno wejście i jedno wyjście.  

 

 
Wtedy równanie odpowiedzi  

®

 

 

24  

 

 

 

 

( )

( )

( )

t

t

t

=

+

CX

DU

 bądź: 

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

0

0

0

t

t t

t

t

t

e

t

e

d

t

τ

τ τ

=

+

+

A

A

Y

C

X

C

BU

DU

 

Y

zawierać będzie elementy: 

( )

( )

Y

1

t

y t

= ⎡

⎤⎦ qx1=1x1;   

wektor odpowiedzi 

( )

( )

( )

1

2

x t

t

x t

= ⎢

⎥  nx1=2x1;  

 

wektor zmiennych stanu 

X

[

]

11

12

c

c

=

C

 qxn=1x2;     macierz odpowiedzi 

dla przypadku 1WYJ 

[

] [

]

11

12

1 0

c

c

=

=

C

 

( )

( )

1

t

u t

= ⎡

⎤⎦

U

 px1=1x1;  

 

wektor wymuszeń 

[ ]

11

d

=

D

 qxp=1x1    

 

macierz transmisyjna 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

 
Z wcześniejszy wyprowadzeń:  

1

2

1

1

1

R C

C

R

L

L

⎥  nxn=2x2;  

macierz stanu; 

dla danych

=

A

1

2

1

1

1

R

R

;

L

H ,

C

F

Ω

=

=

=

=

 

1

1

1

1

= ⎢

A

 

1

1

0

R C

= ⎢

⎥  nxp=2x1  

 

 

macierz wymuszeń; dla 

danych

B

1

2

1

1

1

R

R

;

L

H ,

C

F

Ω

=

=

=

=

 

1
0

⎡ ⎤

= ⎢ ⎥

⎣ ⎦

B

 

cos

sin

sin

cos

t

t

t

t

e

t

e

t

e

t

t

e

( )

t

e

=

A

 nxn=2x2;   

macierz podstawowa (tranzycyjna) 

 
 
Dla systemu z jednym wejściem i jednym wyjściem wielkość 

( )

t

e

A

C

B

 równa jest odpowiedzi impulsowej. 

 
Dla systemu o p wejść i q wyjść wielkość 

( )

t

e

A

C

B

 jest macierzą o wymiarze pxq , gdzie element (i,j) tej 

macierzy jest funkcją odpowiedzi impulsowej i-tego wyjścia na impuls Diraca na j-tym wejściu, przy 
pozostałych sygnałach wejściowych równych zeru. 
 
 
 

®

 

 

25  

 

 

 

 

background image

Metody Matematyczne w Elektrotechnice  

 

 

®

 

 

26  

 

 

 

 

( )

1 0

sin

cos

0

t

t

t

e

e

t

e

t

h t

⎡ ⎤

=

=

=

⎢ ⎥

⎦ ⎣ ⎦

W badanym przypadku jednowejściowego i jednowyjściowego układu odpowiedź impulsowa wyniesie: 

1

]

1

cos

0

cos

sin

sin

cos

t

t

t

t

t

e

t

e

t

e

e

t

t

e

t

⎡ ⎤ ⎡

=

⎢ ⎥ ⎣

⎣ ⎦

( )

[

A

C

B