频域技术通常用于分析和设计反馈控制系统,对线性、时不变系统有效。然而,它在处理非线性、时变和多输入多输出系统时就显得不足了。时域或状态空间方法通过利用状态变量为 n 阶系统构建同时的一阶微分方程(称为状态方程),解决了这些限制。
考虑一个 RLC 电路,这是一种常见的二阶系统。要使用状态空间方法分析该电路,需要两个同时的一阶微分方程。在这种情况下,状态变量来自与储能元件(特别是电感器和电容器)相关的导数方程中微分的量。
采用基尔霍夫电压和电流定律来制定状态方程。基尔霍夫电压定律 (KVL) 指出,环路周围的所有电势差为零,而基尔霍夫电流定律 (KCL) 则断言,进入结点的电流总和等于离开结点的电流总和。这些定律使得非状态变量能够表示为状态变量和输入的线性组合。
在 RLC 电路中,状态变量是电容器两端的电压 VC 和流过电感器的电流 iL。基尔霍夫定律用 VC 和 iL 来表示电阻器电流和其他非状态变量。然后将这些表达式代入电路的原始微分方程中。
推导出状态方程后,最后一步是将这些方程表示为矢量矩阵形式,从而实现状态空间表示。对于 RLC 电路,这可能涉及定义状态向量 x、输入向量 u、输出向量 y 以及矩阵 A、B、C 和 D,以便:
此表示对于分析系统的动态行为和设计适当的控制策略至关重要。
总之,状态空间方法为处理复杂系统提供了一个强大的框架,通过适应非线性、时间变化和多个输入和输出,超越了频域技术的能力。
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