Простір станів — у теорії керування один з основних методів опису поведінки динамічної системи. Рух системи в просторі станів відбиває зміну її станів.

Визначення Простір станів зазвичай називають фазовим простором динамічної системи, а траєкторію руху, що зображає точки в цьому просторі — фазовою траєкторією.

У просторі станів створюється модель динамічної системи, що включає набір змінних входу, виходу і стану, пов'язаних між собою диференціальними рівняннями першого порядку, які записуються в матричній формі. На відміну від опису у вигляді передавальної функції та інших методів частотної області, простір станів дозволяє працювати не тільки з лінійними системами і нульовими початковими умовами. Крім того, в просторі станів відносно просто працювати з MIMO-системами.

Лінійні неперервні системи

Для випадку лінійної системи з входами, виходами і змінними стану опис має вигляд:

де

, , , , :  — вектор стану, елементи якого називають станами системи  — вектор виходу,  — вектор керування,  — матриця системи,  — матриця керування,  — матриця виходу,  — матриця прямого зв'язку.

Часто матриця є нульовою, це означає, що в системі немає явного прямого зв'язку .

Дискретні системи Для дискретних систем запис рівнянь у просторі ґрунтується не на диференціальних, а на різницевих рівняннях:

Нелінійні системи Нелінійну динамічну систему n-го порядку можна описати у вигляді системи з n рівнянь 1-го порядку:

або в компактнішій формі:

.

Перше рівняння — це рівняння стану, друге — рівняння виходу.

Лінеаризація У деяких випадках можлива лінеаризація опису динамічної системи для околу робочої точки . У сталому режимі для робочої точки справедливий такий вираз:

Вводячи позначення:

Розклад рівняння стану в ряд Тейлора, обмежений першими двома членами дає такий вираз:

При взятті часткових похідних вектор-функції за вектором змінних станів і вектором вхідних впливів виходять матриці Якобі відповідних систем функцій:

.

Аналогічно для функції виходу:

З огляду на , лінеаризований опис динамічної системи в околі робочої точки набуде вигляду: де

.

Приклади

Модель у просторі станів для маятника Маятник є класичною вільною нелінійною системою. Математично рух маятника описує таке співвідношення:

де

 — кут відхилення маятника.  — зведена маса маятника  — прискорення вільного падіння  — коефіцієнт тертя в підшипнику підвісу  — довжина підвісу маятника

У такому випадку рівняння в просторі станів матимуть вигляд:

де

 — кут відхилення маятника  — кутова швидкість маятника  — кутове прискорення маятника

Запис рівнянь стану в загальному вигляді:

.

Лінеаризація моделі маятника Лінеаризована матриця системи для моделі маятника в околі точки рівноваги має вигляд:

За відсутності тертя в підвісі отримаємо рівняння руху математичного маятника:

Див. також

Теорія керування Фазовий простір Критерій стійкості в просторі станів Простір понять Система відліку Модальне керування

Література книги

статті

Посилання Вихідні диференціальні рівняння САР