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21.9 : 时域中的线性近似

非线性系统通常需要复杂的方法来进行精确建模和分析,状态空间表示法尤其有效。这种方法对于变量和参数随时间或操作条件变化的系统尤其有用,例如单摆或带有非线性弹簧的平移机械系统。

对于质量沿其长度均匀分布且质心位于摆长一半处的单摆,可以通过对枢轴点的扭矩求和来捕捉动态行为。由此产生的微分方程结合了重力和施加扭矩的影响。为了以状态空间形式表示这一方程,需要选择状态变量来描述系统的位置和速度。通过这些状态变量,就可以建立描述系统时间演化的状态方程。

将这些非线性状态方程在平衡点附近线性化需要考虑小扰动。通过在平衡值附近微扰状态变量并应用泰勒级数展开,非线性项可以用其线性对应项来近似。这种近似产生了线性状态方程,可以使用线性系统理论进行分析。

对于具有非线性弹簧的平移机械系统,系统的动力学同样由考虑非线性弹簧力的微分方程描述。在平衡位置附近引入一个小扰动可以实现微分方程的线性化。计算 x_0(平衡位置)处的平衡力,并对扰动方程进行微分,以获得线性化的微分方程。

最终的线性化状态空间表示涉及选择适当的状态变量,这些变量通常包括质量的位置和速度。然后得到状态方程和输出方程。将这些方程转换为矢量矩阵形式可提供系统的完整线性模型。可以使用各种线性控制和估算技术分析该模型,从而促进固有非线性系统的控制策略的设计和实施。

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Linear ApproximationNonlinear SystemsState space RepresentationDynamic BehaviorDifferential EquationGravitational ForceApplied TorqueState VariablesState EquationsTime EvolutionLinearizationTaylor Series ExpansionTranslational Mechanical SystemNonlinear Spring ForceEquilibrium PositionVector matrix FormControl Strategies

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