A lineáris transzformáció nem változtatja meg az állapottér
modell alakját. Bizonyításként jelölje az új állapotvektort,
azaz:
, (2.3.29)
ahonnan következik, hogy:
. (2.3.30)
Behelyettesítve a (2.3.11) egyenleteibe, következik:
(2.3.31)
Ha az első egyenletet balról beszorzunk T–vel és az alábbi jelöléseket :
, (2.3.32)
eszközöljük, akkor az alábbi új állapottér leírást kapjuk:
(2.3.33)
amely alakjában a (2.3.11) egyenletekhez teljesen megfelel.
Mindebből levonható az a következtetés, hogy a (2.3.11) egyenletek az állapottérben egy általános modell leírást jelentenek (lineáris, egyváltozós rendszerek esetére). A lineáris transzformáció nem változtatja meg a modell alakját (sem a karakterisztikus egyenlet, sem a sajátértékek nem változnak), csak esetleg annak leírásában szereplő mátrixainak elemeit A gyakorlatilag végtelen állapottéri leírás lehetősége közül a probléma mindig megtalálni az adott alkalmazás számára a legmegfelelőbbet.
A) A szabad válasz meghatározása
Induljunk ki az állapottér modell kanonikus alakjából és az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy a rendszer-mátrix sajátértékei egyszerűek és valósak. Ilyenkor az állapottér modell (2.3.26) alakú, független elsőfokú differenciál egyenletekből áll. Egy ilyen differenciál egyenlet szabad válasza (homogén részének megoldása):
(2.3.34)
alakú. Ha minden egyes differenciál egyenlet szabad válaszát felírjuk, akkor az állapottérben a szabad válasz alábbi mátrixos alakban írható fel:
(2.3.35)
Jelölje továbbiakban az exponenciális függvényeket
tartalmazó mátrixot , azaz:
(2.3.36)
A mátrixot modál átmeneti mátrixnak nevezzük, mert
az egymástól független állapotváltozókat modál változóknak is szokták nevezni.
A modál változók írják le azt a módot, ahogyan az állapottér adott, egymástól
független koordinátái mentén az időbeni változások végbemennek, azaz
ahogyan a változásokat az egyes elsőfokú differenciál egyenletek skaláris
megoldása azt mutatja. Könnyen bizonyítható, hogy:
(2.3.37)
ahol a mátrix a sajátértékek
átlós mátrixa. Tudjuk már, hogy az állapotér-modell kanonikus alakjánál a
rendszer-mátrix átlós alakú, és hogy az átlón a rendszer-mátrix saját értékei
szerepelnek. A lineáris algebrából szintén tudjuk, hogy bármely (négyzetes)
mátrix átlós alakját egy megfelelően elvégzett lineáris transzformáció
segítségével is meghatározhatjuk. A transzformációs mátrixot modál mátrixnak
nevezzük. Jelöljük ezt M–el, és
alkalmazzuk ezt a transzformációt a (2.3.36) egyenletre, azaz
(2.3.37)
vagy
(2.3.38)
Ezekkel a behelyettesítésekkel nem csináltunk mást mint meghatároztuk az állapottér-modell egy általános alakjának a szabad válaszát. Ugyanis, ha
(2.3.39)
jelöli az állapot átmeneti mátrixot, akkor könnyen bizonyítható, hogy:
(2.3.40)
A (2.3.38) egyenletet, mint az állapottér-modell szabad válaszát felírhatjuk mint:
(2.3.41)
amelynek alakja hasonlít egy elsőfokú rendszer szabad
válaszához (csak mátrixos-vektoriális felírású). Ha az A rendszer-mátrix dimenziója , akkor a
állapot átmeneti
mátrix dimenziója is
. Látható, hogy a
állapot átmeneti
mátrix az x(0) kezdeti állapotra hat,
meghatározva a rendszer állapotát bármelyik t
időpontban.
Az állapot átmeneti mátrix tulajdonságai jelentős számítási előnyökhöz vezetnek:
(2.3.42a)
(2.3.42b)
(2.3.42c)
(2.3.42d)
(2.3.42e)
Az állapot átmeneti mátrix meghatározása
Láttuk, hogy az állapottér modell megoldásához meg kell
határozni a állapot átmeneti
mátrixot, és ez nem mindig könnyű feladat. Fennebb láttuk, hogy ennek
egyik módja az, hogy előbb Jordan kanonikus (átlós) alakra hozzuk az A rendszer-mátrixot, majd az M modál transzformációs mátrix
segítségével meghatározzuk a
állapot átmeneti
mátrixot. A módszer azonban ritkán praktikus, egyfelől, mert meg kell
tudni határozni a saját értékeket, azaz meg kell tudni oldani egy n-ed fokú polinom egyenletet,
másfelől meg kell határozni a modál mátrixot, azaz meg kell oldani egy
dimenziós lineáris
egyenletrendszert. A módszer csak további bonyolultsággal szolgál, ha a
sajátértékek nem valósak, illetve ha többszörösek is.
A Laplace transzformáció módszere egy alternatív, bizonyos esetekben egyszerűbb megoldási módszer. Ha a Laplace transzformációt alkalmazzuk a homogén állapot egyenletre, következik:
(2.3.43)
ahonnan:
(2.3.44)
A szabad választ az inverz Laplace transzformációval határozzuk meg
(2.3.45)
Azonosítva a kapott eredményt a (2.3.41) egyenlettel,
következik, hogy a állapot átmeneti
mátrix meghatározási módja:
(2.3.46)
Bár a képlet most is egyszerű, a megoldás mégis gondokkal jár. Egyrészről itt is szükségünk van a karakterisztikus egyenlet megoldásaira, másrészről a modál mátrix meghatározása helyett most, az s változó miatt egy szimbolikus mátrix inverziót kell megvalósítanunk, amely magasabb rendű rendszerek esetén nehézséget jelenthet.
A gyakorlatban, főleg számítógépes megvalósításoknál,
ahol amúgy is a megoldásnak csak bizonyos időközönkénti értékeire van
szükségünk, sokszor megelégszünk egy megközelítő megoldással. Egy ilyen
megközelítő megoldás a állapot átmeneti
mátrix Taylor-polinom sorba való bontása,
az alábbiak szerint:
(2.3.47)
A polinom sorba bontás előnye, hogy az algoritmus
ciklusa az A rendszer-mátrix
sorozatos szorzatát számítja. A pontosságot a sorban levő tagok száma
határozza meg, amit általában a rendelkezésre álló számítási idő határoz
meg. Ha egy állandó T mintavételezési
periódusidővel dolgozunk, akkor elégséges a értékét egyszer meghatározni,
majd a további időpontokra alkalmazni az állapot átmeneti mátrix (2.3.42c)
tulajdonságát. Ez nagyságrendileg csökkenti a számítási igényeket.
B) A gerjesztett válasz illetve az általános
megoldás meghatározása
Induljunk ki a lineáris állapottér modell állapotegyenletének általános alakjából:
, (2.3.48)
amelyet átírunk az alábbi alakra:
. (2.3.49)
Ez utóbbi egyenlet mindkét oldalát beszorozzuk az taggal, és kapjuk:
. (2.3.50)
Ha a fenti egyenlet mindkét oldalát integráljuk 0 és t határértékek között, akkor:
. (2.3.51)
Ha most még egyszer az egyenlet mindkét oldalát beszorozzuk
az taggal, az:
(2.3.52)
egyenletet kapjuk. Tudva azt, hogy , valamint azt, hogy
, a behelyettesítések alábbi általános megoldáshoz vezetnek:
. (2.3.53)
Az általános megoldásból könnyen azonosíthatjuk a szabad választ (az első tagot) valamint a gerjesztett (erőltetett) választ (az összeg második tagját).
Ha a kezdeti időpont t0 és nem t = 0, akkor az általános megoldás képlete:
, (2.3.54)
amelyet egy egyszerű időeltolással kapunk meg. Természetesen itt is a megoldás két összetevője ugyanolyan könnyen azonosítható.
Az általános megoldást, illetve annak két összetevőjét a Laplace transzformáció segítségével is meghatározhatjuk. Ha alkalmazzuk a Laplace transzformációt a (2.3.48) állapotegyenletre, akkor az alábbiakat kapjuk:
. (2.3.55)
ahonnan
, (2.3.56)
illetve
. (2.3.57)
Az általános megoldást az inverz Laplace transzformáció segítségével kapjuk meg:
(2.3.58)
A (2.3.45) egyenlet alapján azonosítva a fenti általános megoldásból a szabad választ, a gerjesztett válasz kifejezésére az alábbi összefüggést kapjuk:
. (2.3.59)
Természetesen, a Laplace transzformációs módszer itt is ugyanazokat a nehézségeket rejti magába, mint a szabad válasz meghatározása esetén
A fennebb bemutatott módszerek lineáris, egy-változós rendszerek állapottéri modell leírásaira, megoldására vonatkoztak. A módszer könnyen kiterjeszthető többváltozós (több bemenettel és több kimenettel rendelkező) állapottéri rendszermodellekre is. Az állapot átmeneti mátrix módszere időben diszkrét állapottéri leírásokra is könnyen kiterjeszthető, és előnye a számítógépes implementáció könnyedségében rejlik. Számos számítógépes szoftvertermék támogatja az ilyen modelleket.
Nemlineáris állapottér modellek esetén a megoldási módszer már nem ilyen könnyű és egyértelmű. Az ilyen esetekben az analitikus megoldás megtalálása nagyon nehéz, általános megoldási módszer pedig nincs. Ezért a numerikus integráló algoritmusok használata preferált, illetve a számítógépes szimulációk elvégzése sokban segíthet. Sajnos, a legtöbb esetben az algoritmusokat maga a felhasználó kell megfogalmazza, illetve a felhasználó kell maga a programokat is megírja.