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状態方程式の基本md 3ba6e1f
lecture/information/control/state-equation-basics.lecture.n.md
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状態方程式じょうたいほうていしき基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_41b908ce5ee6b1ab1b73fa7367087210description状態、状態方程式、行列の次元、状態遷移、安定性、伝達関数との関係を説明する。prerequisitesフィードバック制御の基本 / 微分方程式の基本 / 線形写像と行列type講義statusactiverelateddata/lecture/information/control/control-engineering-portal.lecture.n.md / data/lecture/information/control/feedback-control-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md
informationcontrolundergraduatelecture
data/lecture/information/control/feedback-control-basics.lecture.n.md

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、システムの内部状態ないぶじょうたいをベクトルとして表現ひょうげんし、入力にゅうりょくあたえたときの時間発展じかんはってん出力しゅつりょく安定性あんていせい状態方程式じょうたいほうていしきから分析ぶんせきする。

data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md

2状態じょうたい状態空間表現じょうたいくうかんひょうげん

状態じょうたいStateとは、ある時刻じこくにおけるあたいと、それ以後いご入力にゅうりょくあたえられれば、システムの将来しょうらい時間発展じかんはってん一意いちい決定けっていできる十分じゅうぶん内部情報ないぶじょうほうである。状態じょうたい選択せんたく一意いちいとはかぎらず、冗長じょうちょう変数へんすうふく表現ひょうげんもありる。有限次元ゆうげんじげん LTI システムでは、おな入出力関係にゅうしゅつりょくかんけいあらわ最小実現さいしょうじつげんどうしは相似変換そうじへんかんむすばれる。

連続時間れんぞくじかん LTI システムの状態空間表現じょうたいくうかんひょうげんState-space representation

x˙(t)=Ax(t)+Bu(t),y(t)=Cx(t)+Du(t)

とする。状態じょうたい xRn入力にゅうりょく uRm出力しゅつりょく yRpたいし、

ARn×n,BRn×m,CRp×n,DRp×m

である。A状態間じょうたいかん結合けつごうB入力にゅうりょく作用さようC状態じょうたいから出力しゅつりょくへの写像しゃぞうD入力にゅうりょくから出力しゅつりょくへの直接項ちょくせつこうあらわす。

3二階方程式にかいほうていしきからの構成こうせい

質量しつりょう m>0減衰係数げんすいけいすう c[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0、ばね定数ていすう k[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0けい

mq¨+cq˙+kq=u(t)

かんがえる。x1=qx2=q˙定義ていぎすると、

ddt(x1x2)=(01-k/m-c/m)(x1x2)+(01/m)u(t)

となる。位置いち速度そくど物理次元ぶつりじげんことなるため、A各成分かくせいぶん同一どういつ単位たんいではない。ただし、各行かくぎょうせき Ax対応たいおうする状態微分じょうたいびぶんおな物理次元ぶつりじげんつ。この次元整合性じげんせいごうせいはモデルの検査けんさ利用りようできる。

4状態遷移じょうたいせんい

AB定数行列ていすうぎょうれつであるとき、初期状態しょきじょうたい x(0)=x0たいするかい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]x(t)=eAtx0+0teA(t-τ)Bu(τ)dτ

である。状態遷移行列じょうたいせんいぎょうれつState-transition matrix eAt零入力れいにゅうりょくにおける状態じょうたい時間発展じかんはってんあらわし、積分項せきぶんこう入力履歴にゅうりょくりれき寄与きよあらわす。

5固有値こゆうち内部安定性ないぶあんていせい

data/lecture/math/linear-algebra/eigenvalues-and-eigenvectors.lecture.n.md

零入力系れいにゅうりょくけい x˙=Ax原点げんてん漸近安定ぜんきんあんていAsymptotically stableであるとは、十分小じゅうぶんちいさい初期状態しょきじょうたいからのかい原点近傍げんてんきんぼうとどまり、かつ tx(t)0 となることである。

有限次元ゆうげんじげん連続時間れんぞくじかん LTI システムでは、A のすべての固有値こゆうち開左半平面かいひだりはんへいめん、すなわち Reλ<0 にあることと、原点げんてん大域的指数安定性だいいきてきしすうあんていせい同値どうちである。実部じつぶせい固有値こゆうちがあれば不安定ふあんていである。虚軸上きょじくじょう固有値こゆうちがある場合ばあいは、ジョルダン構造こうぞうにより有界ゆうかいまたは発散はっさんとなりるが、漸近安定ぜんきんあんていではない。

6伝達関数でんたつかんすうとの関係かんけい

初期状態しょきじょうたいを 0 としてラプラス変換へんかんし、sI-A可逆かぎゃくsかんがえると、

X(s)=(sI-A)-1BU(s)

であり、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]G(s)=C(sI-A)-1B+D

る。ここで G(s)Cp×m伝達関数行列でんたつかんすうぎょうれつである。入力にゅうりょくから励起れいきできないモードを不可制御ふかせいぎょモードUncontrollable mode出力しゅつりょくあらわれないモードを不可観測ふかかんそくモードUnobservable modeという。状態空間表現じょうたいくうかんひょうげんがこれらのモードをふくむと、A固有値こゆうちG(s)きょくとしてあらわれないことがある。したがって、伝達関数でんたつかんすうだけからすべての内部安定性ないぶあんていせい判定はんていできるとはかぎらない。

7要点ようてん

  • 状態じょうたいは、将来入力しょうらいにゅうりょくとともに将来応答しょうらいおうとう決定けっていする内部情報ないぶじょうほうである。
  • 行列ぎょうれつ A,B,C,D次元じげんは、状態じょうたい入力にゅうりょく出力しゅつりょく次元じげんからまる。
  • eAt零入力応答れいにゅうりょくおうとう記述きじゅつし、A固有値こゆうち内部安定性ないぶあんていせい決定けっていする。
  • G(s)=C(sI-A)-1B+D零初期状態れいしょきじょうたい入出力関係にゅうしゅつりょくかんけいであり、内部ないぶのすべてのモードを表示ひょうじするとはかぎらない。
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