Пространство состояний — множество всех возможных конфигураций системы, описывающее её поведение с помощью набора переменных. В теории управления это метод описания динамических систем с помощью дифференциальных или разностных уравнений первого порядка, связанных с входными, выходными и внутренними переменными состояния. В информатике оно представляет собой дискретное пространство всех возможных состояний, используемое для рассуждений о системе, например, в играх или искусственном интеллекте. В теории управления один из основных методов описания поведения динамической системы. Движение системы в пространстве состояний отражает изменение её состояний.

Определение Пространство состояний обычно называют фазовым пространством динамической системы, а траекторию движения изображающей точки в этом пространстве — фазовой траекторией.

В пространстве состояний создаётся модель динамической системы, включающая набор переменных входа, выхода и состояния, связанных между собой дифференциальными уравнениями первого порядка, которые записываются в матричной форме. В отличие от описания в виде передаточной функции и других методов частотной области, пространство состояний позволяет работать не только с линейными системами и нулевыми начальными условиями. Кроме того, в пространстве состояний относительно просто работать с MIMO-системами.

Линейные непрерывные системы

Для случая линейной системы с входами, выходами и переменными состояния описание имеет вид:

где

, , , , : — вектор состояния, элементы которого называются состояниями системы — вектор выхода, — вектор управления, — матрица системы, — матрица управления, — матрица выхода, — матрица прямой связи. Часто матрица является нулевой, это означает, что в системе нет явной прямой связи.

Дискретные системы Для дискретных систем запись уравнений в пространстве основывается не на дифференциальных, а на разностных уравнениях:

Нелинейные системы Нелинейная динамическая система n-го порядка может быть описана в виде системы из n уравнений 1-го порядка:

или в более компактной форме:

.

Первое уравнение — это уравнение состояния, второе — уравнение выхода.

Линеаризация В некоторых случаях возможна линеаризация описания динамической системы для окрестности рабочей точки . В установившемся режиме для рабочей точки справедливо следующее выражение:

Вводя обозначения:

Разложение уравнения состояния в ряд Тейлора, ограниченное первыми двумя членами даёт следующее выражение:

При взятии частных производных вектор-функции по вектору переменных состояний и вектору входных воздействий получаются матрицы Якоби соответствующих систем функций: .

Аналогично для функции выхода:

Учитывая , линеаризованное описание динамической системы в окрестности рабочей точки примет вид:

где .

Примеры

Модель в пространстве состояний для маятника Маятник является классической свободной нелинейной системой. Математически движение маятника описывается следующим соотношением:

где — угол отклонения маятника. — приведённая масса маятника — ускорение свободного падения — коэффициент трения в подшипнике подвеса — длина подвеса маятника В таком случае уравнения в пространстве состояний будут иметь вид:

где — угол отклонения маятника — угловая скорость маятника — угловое ускорение маятника

Запись уравнений состояния в общем виде:

.

Линеаризация модели маятника Линеаризованная матрица системы для модели маятника в окрестности точки равновесия имеет вид:

При отсутствии трения в подвесе () получим уравнение движения математического маятника:

См. также

Теория управления Фазовое пространство Критерий устойчивости в пространстве состояний Пространство понятий Система отсчёта Модальное управление

Литература Книги

Статьи

Ссылки Исходные дифференциальные уравнения САР

Категория:Теория управления