0.3 Trạng thái của hệ thống

Đại cương.

Trong các chương trước, ta đã khảo sát vài phương pháp thông dụng để phân giải các hệ tự kiểm. Phép biến đổi Laplace đã được dùng để chuyển các phương trình vi phân mô tả hệ thống thành các phương trình đại số theo biến phức S. Dùng phương trình đại số này ta có thể tìm được hàm chuyển mô tả tương quan nhân quả giữa ngõ vào và ngõ ra.

Tuy nhiên, việc phân giải hệ thống trong miền tần số, với biến phức, dù là kỹ thuật rất thông dụng trong tự động học, nhưng có rất nhiều giới hạn. Sự bất lợi lớn nhất, đó là các điều kiện đầu bị bỏ qua. Hơn nữa, phương pháp ấy chỉ được áp dụng cho các hệ tuyến tính, không đổi theo thời gian. Và nó đặc biệt bị giới hạn khi dùng để phân giải các hệ đa biến.

Ngày nay, với sự phát triển của máy tính, các điều khiển thường được phân giải trong miền thời gian. Và vì vậy, cần thiết phải có một phương pháp khác để đặc trưng hóa cho hệ thống.

Phương pháp mới, là sự dùng”biến số trạng thái” (state variable) để đặc trưng cho hệ thống. Một hệ thống có thể được phân giải và thiết kế dựa vào một tập hợp các phương trình vi phân cấp một sẽ tiện lợi hơn so với một phương trình độc nhất cấp cao. Vấn đề sẽ được đơn giản hóa rất nhiều và thật tiện lợi nếu dùng máy tính để giải.

Giả sử một tập hợp các biến x1(t), x2(t)...xn(t) được chọn để mô tả trạng thái động của hệ thống tại bất kỳ thời điểm cho sẳn t=t­­0 nào, các biến này mô tả hoàn toàn trạng thái quá khứ ( past history ) của hệ cho đến thời điểm t­0. Nghĩa là các biến x1(t0), x2(t0) . . . xn(t0), xác định trạng thái đầu của hệ tại t=t0. Vậy khi có những tín hiệu vào tại t>= t0 được chỉ rõ, thì trạng thái tương lai của hệ thống sẽ hoàn toàn được xác định .

Vậy, một cách vật lý, biến trạng thái của một hệ tuyến tính có thể được định nghĩa như là một tập hợp nhỏ nhất các biến x1(t),x2(t),... xn(t), sao cho sự hiểu biết các biến này tại thời điểm t0 bất kỳ nào cộng thêm dữ kiện về sự kích thích (excitation) ở ngõ vào được áp dụng theo sau, thì đủ để xác định trạng thái của hệ tại bất kỳ thời điểm t>=t0 nào.

Hình 4_1

x1(t),x2(t) . . . xn(t)là các biến trạng thái .

r1(t),r2(t) . . . rp(t) là các tín hiệu vào.

c1(t),c2(t) . . . cq(t) là các tín hiệu ra.

Cái ngắt điện, có lẽ là một thí dụ đơn giản nhất về biến trạng thái. Ngắt điện có thể ở vị trí hoặc ON hoặc OFF, vậy trạng thái của nó có thể là một trong hai trị giá khả hữu đó. Nên, nếu ta biết trạng thái hiện tại (vị trí) của ngắt điện tại t0 và nếu có một tín hiệu đặt ở ngõ vào, ta sẽ có thể xác định được trị giá tương lai trạng thái của nó.

Phương trình trạng thái và phương trình output.

Xem lại sơ đồ khối hình H.4_1, diễn tả một hệ thống tuyến tính với p input và q output. Ta giả sử hệ thống được đặt trưng bởi tập hợp sau đây của n phương trình vi phân cấp 1, gọi là những phương trình trạng thái.

$\frac{d{x}_it}{\text{dt}}=f_i\left[x_1(t),x_2(t)\text{,}\text{.}\text{.}\text{.}\text{,}{x}_n(t){\text{, r}}_1(t),r_2(t)\text{,}\text{.}\text{.}\text{.}\text{,}{r}_p(t)\right]$ (4.1)

(i=1,2, … ,n)

Trong đó : $x_1(t)$ , $x_2(t)$ , … , $x_n(t)$ là các biến trạng thái