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电路原理 chpter17(状态变量)

* §1 基本概念 一. 状态变量 x 分析动态过程的独立变量。 选定系统中一组最少数量的变量 X =[x1,x2,…xn]T , 如果当 t = t0 时这组变量X(t0)和 t ? t0 后的输入e(t)为已知,就可以确定t0及t0以后任何时刻系统的响应。 X(t0) e(t) t ? t0 称这一组最少数目的变量为状态变量。 Y(t) t ? t0 第十七章 状态变量法 已知 输出: uL , iC , uR , iR 选状态量 uC , iL 解 由 uL(0)=7V iC(0)= -1.5A iR(0)=1.5A uR(0)=3V 例 R uL C e(t) + - uC iL iC uR + - + - + - L iR 2? 推广至任一时刻 t1 uL(t1)=e(t1)-uC(t1) uR(t1)= uC(t1) iC(t1)= iL(t1)- uC(t1)/R iR(t1)= uC(t1)/R 可由 可见当 t = t1 时 uC , iL 和 t ? t1 后的输入e(t)为已 知,就可以确定t1及t1以后任何时刻系统的响应。问题是 t1时刻的状态量要求出来。 二. 状态方程 ?求解状态变量的方程 设 uC , iL 为状态变量 列微分方程 R C e(t) + - uC iL + - L iC + - uL 改写 矩阵形式 [x]=[x1 x2 ? xn]T 式中 一般形式 \ n?n \ n?r 特点 (1) 联列一阶微分方程组 (2)左端为状态变量的一阶导数 (3)右端仅含状态变量和输入量 n?1 r?1 三. 输出方程 特点 (1)代数方程 (2)用状态变量和输入量表示输出量 一般形式 [y]=[C][x]+[D][u] R uL C e(t) + - uC iL iC uR + - + - + - L uL=e(t)-uC(t) uR(t)= uC(t) iC(t)= iL(t)- uC(t)/R iR(t)= uC(t)/R 四. 归纳几点 (1) 状态变量和储能元件有联系,状态变量的个数等于 独立的储能元件个数。 (3) 状态变量的选择不唯一。 (2)一般选择uC和 iL为状态变量,也常选? 和 q为状 态变量。 选uC和duC /dt为状态变量 R C e(t) + - uC iL + - L 令 x1 =uC , x2 =duC /dt 即 则 x1 x2 R C e(t) + - uC iL + - L §2 状态方程的列写 一. 直观法 选 uC , i1 , i2为状态变量 R1 - + uS C uC iS iR R2 i2 L2 L1 - + i1 含duC/dt 电容节点列KCL 含diL/dt 电感回路列KVL 例1 例2 L3 i3 uS R6 R5 C2 C1 L4 + - i5 i6 i4 + - + - u1 u2 选 u1 , u2 , i3 , i4为状态变量 消去非状态量 i5 , i6 i5= (u2-u1)/R5 i6 = i4 -i3 代入上式,整理 二. 叠加法 (1) 将电源、电容、电感均抽到 网络外。 (2)电容用电压源替代,电感用电 流源替代。 (3)用叠加定理求iC , uL。 则 uS 、iS 、uC 、iL共同作用下的 iC , uL为: iC = a11 uC +a12 iL + b11 uS+ b12 iS uL = a21 uC +a22 iL + b21 uS+ b22 iS uC uS R R + iS iL + + 例3 设uC1、 uC2 、iL为状态变量 (1) uC1 单独作用 iL=0,iS =0,uS=0 , uC2=0 求:iC1 , iC2 , uL 。 解 R1 R2 uC1 iC1 iC2 uL iS R1 R2 uS uC1 uC2 iC1 iC2 L uL iL R1 R2 uC2 iC1 iC2 uL (2) uC2 单独作用 iL=0,iS =0,uS=0 , uC1=0 求:iC1 , iC2 , uL 。 R1 R2 iC1 iC2 uL iL (3) iL 单独作用 iS =0,uS=0 , uC1=0 ,uC2=0 求:iC1 , iC2 , uL 。 (4) uS 单独作用 iS =0,iL=0 , uC1=0

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