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状態方程式の基本md 3ba6e1f
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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。

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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

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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。

State Equation Fundamentals

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1Introduction

This lecture represents a system's internal state as a vector and uses a state equation to analyze its evolution, output, and stability under a given input.

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2State and State-Space Representation

The stateState is sufficient internal information whose value at a given time, together with the subsequent input, uniquely determines the system's future evolution. A state choice need not be unique, and a representation may contain redundant variables. For finite-dimensional LTI systems, any two minimal realizations of the same input-output relation are related by a similarity transformation.

A continuous-time LTI state-space representationState-space representation is

x˙(t)=Ax(t)+Bu(t),y(t)=Cx(t)+Du(t).

For state xRn, input uRm, and output yRp,

ARn×n,BRn×m,CRp×n,DRp×m.

A represents coupling among states, B the action of inputs, C the map from state to output, and D the direct term from input to output.

3Construction from a Second-Order Equation

Consider the system

mq¨+cq˙+kq=u(t)

with mass m>0, damping coefficient c[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0, and spring constant k[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0. Define x1=q and x2=q˙. Then

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

Position and velocity have different physical dimensions, so the entries of A do not all have the same units. Each row of the product Ax, however, has the same physical dimension as the corresponding state derivative. This dimensional consistency provides a model check.

4State Transition

When A and B are constant matrices, the solution for initial state x(0)=x0 is

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

The state-transition matrixState-transition matrix eAt describes zero-input state evolution, while the integral describes the contribution of the input history.

5Eigenvalues and Internal Stability

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The origin of the zero-input system x˙=Ax is asymptotically stableAsymptotically stable if solutions starting sufficiently near the origin remain near it and satisfy x(t)0 as t.

For a finite-dimensional continuous-time LTI system, all eigenvalues of A lying in the open left half-plane, Reλ<0, is equivalent to global exponential stability of the origin. An eigenvalue with positive real part makes the origin unstable. If an eigenvalue lies on the imaginary axis, solutions may remain bounded or may diverge according to the Jordan structure, but the origin is not asymptotically stable.

6Relationship to the Transfer Function

With zero initial state, take Laplace transforms and consider s for which sI-A is invertible. Then

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

and hence

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

Here, G(s)Cp×m is the transfer-function matrix. A mode that cannot be excited through the input is an uncontrollable modeUncontrollable mode; a mode that does not appear in the output is an unobservable modeUnobservable mode. If a state-space representation contains either type, an eigenvalue of A may not appear as a pole of G(s). A transfer function alone therefore need not reveal every internal stability property.

7Key Points

  • State is internal information that, together with the future input, determines the future response.
  • The dimensions of A,B,C,D follow from the dimensions of state, input, and output.
  • eAt describes zero-input evolution, and the eigenvalues of A determine internal stability.
  • G(s)=C(sI-A)-1B+D is a zero-initial-state input-output relation and need not expose every internal mode.
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