- •Глава 1 динамические системы в задачах обработки навигационной информации
- •1.1. Математические модели динамических систем и методы их описания
- •1.1.1. Определение и классификация динамических систем
- •1.1.2. Определение выхода линейных динамических систем с помощью фундаментальной матрицы и весовой функции
- •1.1.3. Передаточная функция стационарных линейных динамических систем
- •1.1.4. Частотная характеристика стационарных линейных динамических систем
- •1.1.6. Определение модели линейной динамической системы в пространстве состояний по заданной передаточной функции
- •1.1.5. Взаимосвязь между основными функциями, используемыми при описании линейных динамических систем
- •Основные функции, используемые при описании линейных систем
- •Взаимосвязь различных функций, используемых для описания поведения линейных стационарных систем
- •1.1.7. Основные свойства линейных динамических систем
- •Задачи к разделу
- •Контрольные вопросы
- •1.2. Линейные стационарные динамические системы
- •1.2.1. Интеграторы
- •1.2.2. Фильтры Баттерворта
- •1.2.3. Модель акселерометра
- •1.2.4. Модель микромеханического гироскопа
- •1.2.5. Простейшая модель ошибок построения вертикали в инерциальной системе
- •Вклад уходов гироскопов в ошибки определения нп в автономном режиме в течение 3 мин
- •Вклад ошибок акселерометров в ошибки определения нп в автономном режиме в течение 3 мин
- •Задачи к разделу
- •Контрольные вопросы
- •1.3. Дискретизация и моделирование линейных
- •1.3.1. Дискретизация непрерывных систем
- •1.3.2. Основные методы описания lti-объектов в Matlab
- •Создание lti-объектов
- •Извлечение информации о моделях
- •1.3.3. Особенности дискретизации стационарных систем
- •Методы дискретизации, используемые в функции c2d
- •Методы вычисления матричной экспоненты
- •Контрольные вопросы
- •1.4. Задание для моделирования
- •Пример выполнения задания в Matlab
- •Заключение к главе 1
1.1.2. Определение выхода линейных динамических систем с помощью фундаментальной матрицы и весовой функции
Пусть задана линейная динамическая система:
; (1.1.7)
, (1.1.8)
в которой не разделяются входное
возмущение и управление и считается,
что задан некоторый входной сигнал
,
а ошибки измерения отсутствуют. Используя
выражение (П2.8), нетрудно записать
соотношение, связывающее выход системы
с ее входом
, (1.1.9)
в
котором
– задаваемая с помощью соотношения
(П2.7) фундаментальная матрица для
уравнения (1.1.7). Таким образом, описание
выхода системы в этом случае осуществляется
по схеме: вход
– состояние – выход [41,
42].
Первое слагаемое, порожденное начальным условием, нередко называют свободным движением системы
, (1.1.10)
а второе
, (1.1.11)
порожденное входным воздействием, – вынужденным движением системы.
В случае если начальные условия нулевые, выход системы определяется как
,(1.1.12)
где
. (1.1.13)
Функция
,
задаваемая этим соотношением называется
весовой
функцией или функцией веса
[7].
Такое название следует из того, что в
правой части последнего выражения
определяет в каждый момент времени на
интервале от
до
уровень вклада входного воздействия в
выходной сигнал. В этом легко убедиться,
если, вводя интервал дискретизации
,
записать приближенное представление
выходного сигнала
,
где
,
,
.
В
общем случае
представляет собой матрицу размерности
,
поэтому ее называют весовой
матрицей
[38].
В частном
случае, когда
и
– единичные матрицы, весовая
функция и фундаментальная матрица между
собой совпадают.
Рассмотрим теперь стационарную систему:
;
(1.1.14)
. (1.1.15)
Поскольку
фундаментальная матрица
для этой системы зависит от разности
аргументов, то и весовая функция также
будет зависеть лишь от разности
аргументов, т.е.
,
или при
. (1.1.16)
В этом случае связь выхода стационарной системы с входным воздействием при нулевых начальных условиях будет определяться как
. (1.1.17)
Выражение
такого типа называется сверткой
функций, и
в данном
случае это функции
и
.
Заметим,
что для весовой функции используют
также термин – импульсная
переходная функция [26].
Это название объясняется следующим
образом. Пусть при нулевых начальных
условиях входной сигнал представляет
собой импульсное
входное воздействие – воздействие
в виде дельта-функции
в момент
по
-му
входу и при нулевых входных воздействиях
по другим входам, т.е.
.
Определим
-й
выход системы. Для этого зададим матрицу
,
отсюда следует, что
,
где
–
-й
элемент матрицы
[7,
с. 59].
Если
входное воздействие в виде дельта-функции
поступает в момент
,
т.е.
,
то в соответствии со свойствами
дельта-функции выход системы примет
вид
.
Таким образом, элемент представляет реакцию системы на -м выходе при импульсном входном воздействии в виде дельта-функции в начальный момент времени по -му входу при нулевых начальных условиях и нулевых входных воздействиях по другим входам.
Следует
заметить, что весовая
функция
в выражении (1.1.17) отлична от нуля лишь
при значениях аргумента, больших либо
равных нулю, т.е.
при
.
Это обусловлено тем, что весовая функция
(1.1.16) соответствует физически
реализуемой системе
(1.1.14) (иногда говорят о реализуемой
весовой функции
или системе
без упреждения),
т.е. системе, в которой при формировании
ее выходного сигнала (1.1.17) в текущий
момент времени используются значения
входного сигнала
только в предшествующие моменты времени
(рис. 1.1.1).
Рис. 1.1.1. Формирование
выходного сигнала
в физически-реализуемой
системе, т.е. при
В противоположность этому для физически
нереализуемой системы весовая функция
отлична от нуля и при отрицательных
значениях аргумента, т.е.
.
Следует заметить, что термин физически
нереализуемая система носит условный
характер, поскольку такая система на
самом деле реализуема. Речь идет лишь
о невозможности ее реализации в реальном
масштабе времени. В частности, для
рассматриваемых в дальнейшем устройств
оценивания это означает, что при получении
оценки в текущий момент времени
используются не только прошлые, но и
будущие измерения, что характерно при
решении задач сглаживания или интерполяции.
Эта ситуация поясняется на рис. 1.1.2.
Рис. 1.1.2. Формирование
выходного сигнала
в физически
нереализуемой системе, т.е. при
Пример 1.1.1. Пусть система скалярная, и ее модель задана в виде:
;
.
Приведем
выражения для весовой матрицы и с ее
помощью найдем выход системы в случае,
когда
и
.
Ясно,
что для этого примера
,
,
.
Принимая во
внимание (1.1.13) и (П2.15), можем записать:
.
Рис. 1.1.3. График
весовой функции
и
для рассматриваемой системы изображен
на рис.1.1.3.
Представим выход системы в виде суммы
,
в
которой первое слагаемое
обусловлено начальным условием, а второе
– порождено входным воздействием.
Принимая во внимание тот факт, что [14, с.118]
,
при получаем
=
.
Вводя
,
,
,
можем записать
,
где
.
Таким образом,
.
Поскольку [Двайт, с.118]
,
при
выход будет определяться как
.
Если параметр
,
то при
на выходе имеем только гармоническую
составляющую. То же самое будет при
любом
,
если
.
