现代控制工程-第十四章

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现代控制理论_长安大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年

现代控制理论_长安大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年

现代控制理论_长安大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.线性系统的状态空间表达式如下,则系统能控能观子空间为()维系统。

【图片】答案:22.已知线性定常系统的状态方程如下,状态反馈阵【图片】()使闭环系统极点配置为【图片】。

【图片】答案:3.下列语句中,正确的是()。

答案:系统状态空间实现中选取状态变量不是唯一的,其状态变量的个数是唯一的。

4.线性系统的状态空间表达式为如下,则系统的模拟结构图为()。

【图片】答案:5.系统方框图,如下图所示,则根据系统方框图建立的状态空间表达式为()。

【图片】答案:6.已知机械系统如下图所示。

其中质量块m受到外力u(t)的作用产生位移y(t),质量块m与地面之间无摩擦。

以外力 u(t)为输入信号,位移y(t)为输出量,系统状态空间模型为()。

【图片】答案:7.若A、B是方阵,则必有【图片】。

答案:错误8.已知单输入单输出系统的传递函数为【图片】,则系统状态空间表达式为()。

答案:9.已知系统的传递函数为【图片】,则系统状态空间表达式为()。

答案:10.原系统传递函数阵的阶数一定高于能控能观子系统传递函数的阶数。

答案:错误11.带状态观测器的状态反馈系统和直接状态反馈系统具有相同的传递函数矩阵。

答案:正确12.带状态观测器的状态反馈系统,观测器的极点会全部被闭环系统的零点相消。

答案:正确13.单输入-单输出线性时不变系统状态空间表达式的矢量矩阵形式为()。

答案:14.系统方框图如下所示,则系统的状态空间表达式为()。

【图片】答案:;15.RLC电路网络如下图所示,其中【图片】为输入电压, 【图片】为输出电压。

选择状态变量【图片】,则系统状态空间表达式为()。

【图片】答案:16.已知单输入单输出系统的微分方程为【图片】,则系统状态空间模型为()。

答案:17.已知系统的传递函数为【图片】,则系统状态空间表达式的对角型实现为()。

答案:18.已知非线性系统的微分方程为【图片】,则利用近似线性化方法得到系统的局部线性化状态方程是()。

现代控制理论(1-8讲第1-2章知识点)精品PPT课件

现代控制理论(1-8讲第1-2章知识点)精品PPT课件

dia dt
Ke
I fD Coபைடு நூலகம்st
n f Const
nDJ , f
其中:Kf 为发电机增益常数;Ke 为电动机反电势常数。
(3).电动机力矩平衡方程:J
d
dt
f
Kmia
(Km
-电动机转矩常数)
以上三式可改写为:
d
dt
f J
Km J
ia
dia dt
Ke Ra
La
La
ia
Kf La
if
试写出其状态空间表达式。
解:选择相变量为系统的状态变量,有


•• •
x1 y x2 y x1 x3 y x2



x1 x2

x2 x3

x3
a0 a3
x1
a1 a3
x2
a2 a3
x3
1 a3
u

0
x 0
a0
a3
1 0 a1 a3
0
0
1 x 0 u
a2
1
a3 a3
a1 y a0 y
bnu (n)
b u (n1) n 1
b0u
(1)
分为两种情况讨论。
一、输入信号不含有导数项:
此时系统的运动方程为:

y(n)
a y(n1) n1
a1 y a0 y b u
故选
x1 y

x2 y
..
xn1
y(n2)
xn y(n1)
对左边各式求导一次,即有
18
24
2-3 化系统的频域描述为状态空间描述

现代控制工程第一章(1)

现代控制工程第一章(1)

按系统性能分
线性/非线性系统(Linear/Non-linear) 连续/离散性系统(Continuous/Discrete) 定 常 / 时 变 性 系 统 (Time-invariant/Time-
variant) 确定/不确定系统(Certainty/Uncertainty)
现代控制工程第一章(1)
(Basic requirements)
现代控制工程第一章(1)
Automatic Control
在没有人直接参与的情况下,采用控制装置或机 械(Controller)使被控制对象(Controlled object) 达到预期的目标 。
Research of AC
Classic control theory Modern control theory
现代控制工程第一章(1)
经典控制理论(Classic control theory)
主要研究的对象: 单输入、单输出线性定常系统的分析和设计问题
现代控制理论(Modern control theory)
现代控制理论研究对象: 多输入、多输出、时变参数、高精度复杂系统的
分析和设计问题
现代控制工程第一章(1)
现代控制工程-第一章(1)
2020/11/23
现代控制工程第一章(1)
Significance
(课程意义)
n Control engineering is an exciting and challenging field.
n It is a multidisciplinary subject, and a core course in the engineering curriculum.
现代控制工程第一章(1)

现代控制工程教学大纲新版

现代控制工程教学大纲新版

现代控制工程教学大纲
• • • • • • • • • • 第一章 控制系统的状态空间描述 §1.1控制系统中状态的基本概念 §1.2控制系统的状态空间模型表达式及结构图 §1.3状态空间表达式建立的部分方法 §1.3状态空间表达式的特征标准型 掌握要点: 1.基本概念 系统的状态、状态变量、状态向量、状态空间 2.控制系统的状态空间模型及意义 状态方程和输出方程组成的状态空间表达式,状态空间描述反映 了控制系统的全部信息,是对系统特性的全部描述,是实现现代 控制系统分析、设计的重要数学模型。
国 家 经 济 发 展 规 划 工业发展规划G0j(t) 农业发展规划H0j(t) 科技发展规划K0j(t) 能源发展规划Y0j(t) 资源发展规划Z0j(t) 交通发展规划T0j(t) ┊
规划 修正 N 发改委宏观调控 △XJ=X0j(t)-XJ(t) <εj? 统计 划 部 门
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• §1.2控制系统的状态空间模型表达式及结构图 dX (t ) • 状态方程 X (t ) f [ X (t ), u (t ), t ] dt • y (t ) g[ x(t ), u (t ), t ] • 输出方程 控制系统的状态空间模型: 是由状态方程和输出方程组成的状态空间表达式。状态方程是一 个一阶微分方程组,描述系统输入与系统状态的变化关系,即系 统的内部描述;输出方程是一个代数方程,主要描述系统状态与 系统输入输出的关系,即系统的外部描述。意义:状态空间描述 反映了控制系统的全部信息,是对系统特性的全部描述,是实现 现代控制系统分析、设计的重要数学模型。(结构图P10) 模型分类:非线性时变、非线性定常、线性时变、线性定常系统
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• §1.3状态空间表达式建立的部分方法 一、物理法:根据系统的物理机理建立状态空间表达式方法: • 1.确定输入、输出、状态变量; • 2.基于物理、化学、生物、社会经济等定理定律,列出动态特 性微分方程; • 3.消去中间变量,建立一阶微分状态方程和代数输出方程。 • 二、相变量法: • 根据系统微分方程建立状态空间表达式方法: • 1.微分方程中不含输入函数导数项时: • 直接选各阶导数为状态变量,整理获得 • 2.微分方程中含输入函数导数项时: • 待定系数法或中间变量法 • 根据系统传递函数阵建立状态空间表达式方法:

现代控制工程第一章答案

现代控制工程第一章答案

《现代控制理论》第1章习题解答1.1 线性定常系统和线性时变系统的区别何在? 答:线性系统的状态空间模型为:x Ax Buy Cx Du=+=+线性定常系统和线性时变系统的区别在于:对于线性定常系统,上述状态空间模型中的系数矩阵A ,B ,C 和D 中的各分量均为常数,而对线性时变系统,其系数矩阵A ,B ,C 和D 中有时变的元素。

线性定常系统在物理上代表结构和参数都不随时间变化的一类系统,而线性时变系统的参数则随时间的变化而变化。

1.2 现代控制理论中的状态空间模型与经典控制理论中的传递函数有什么区别? 答: 传递函数模型与状态空间模型的主要区别如下:1.3 线性系统的状态空间模型有哪几种标准形式?它们分别具有什么特点?答: 线性系统的状态空间模型标准形式有能控标准型、能观标准型和对角线标准型。

对于n 阶传递函数1212101110()n n n n n n n b s b s b s b G s d s a s a s a ------++++=+++++, 分别有⑴ 能控标准型: []012101210100000100000101n n n x x u a a a a y b b b b x du---⎧⎡⎤⎡⎤⎪⎢⎥⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥=+⎪⎢⎥⎢⎥⎨⎢⎥⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥⎪----⎣⎦⎣⎦⎪=+⎪⎩ ⑵ 能观标准型: []00112211000100010001001n n n b a b a x a x u b a b y x du ---⎧-⎡⎤⎡⎤⎪⎢⎥⎢⎥-⎪⎢⎥⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥=-+⎪⎢⎥⎢⎥⎨⎢⎥⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥⎪-⎣⎦⎣⎦⎪=+⎪⎩⑶ 对角线标准型: []1212001001001n n p px x u p y c c c x du⎧⎡⎤⎡⎤⎪⎢⎥⎢⎥⎪⎢⎥⎢⎥=+⎪⎢⎥⎢⎥⎨⎢⎥⎢⎥⎪⎣⎦⎣⎦⎪⎪=+⎩ 式中的12,,,n p p p 和12,,,n c c c 可由下式给出,12121012111012()n n n n nn n n nb s b s b s bc c c G sd d s a s a s a s p s p s p ------++++=+=++++++++--- 能控标准型的特点:状态矩阵的最后一行由传递函数的分母多项式系数确定,其余部分具有特定结构,输出矩阵依赖于分子多项式系数,输入矩阵中的元素除了最后一个元素是1外,其余全为0。

现代控制工程

现代控制工程

现代控制工程现代控制工程是一门应用于各种工程领域的学科,它涉及到了控制系统的设计、分析和优化。

现代控制工程的目标是设计出能够使系统稳定运行和满足性能要求的控制策略。

在现代控制工程中,最基本的概念是控制系统。

控制系统由若干个组成部分构成,包括传感器、执行器、控制器和过程。

传感器用于感知环境中的信息,执行器根据控制器的指令执行相应的动作,控制器根据传感器提供的信息制定控制策略,过程则是需要被控制的实际物理系统。

在设计控制系统时,常用的方法包括经典控制和现代控制。

经典控制是传统的控制方法,主要采用数学方程和传统的分析技术进行系统建模和控制器设计。

而现代控制则更加注重系统建模的准确性和控制器设计的优化性能。

现代控制工程中常用的数学工具包括状态空间方法、频域分析和优化方法。

状态空间方法通过建立系统的状态方程来描述系统的动态行为,频域分析则通过对系统的频率响应进行分析来评估系统的稳定性和性能,而优化方法则是通过数学优化技术来寻找控制策略的最优解。

在控制系统的设计中,反馈控制是一种常用的控制策略。

反馈控制通过将系统的输出与期望输出进行比较,并根据比较结果调整控制器的输出,从而使系统的输出接近期望输出。

反馈控制可以提高系统的稳定性和鲁棒性,同时可以抑制外部干扰和模型不确定性对系统的影响。

现代控制工程还涉及到了自适应控制和智能控制。

自适应控制是一种根据系统状态和性能要求自动调整控制器参数的控制方法,它可以在系统工作过程中根据系统动态特性进行参数调整,以适应不同工况下系统的控制要求。

智能控制是一种利用人工智能技术,如神经网络和模糊逻辑等,来设计控制器的方法,它可以通过学习和自适应来提高系统的控制性能。

现代控制工程的应用非常广泛,包括工业自动化、航空航天、交通运输、能源系统和医疗设备等领域。

在工业自动化中,现代控制工程可以提高生产效率和质量,减少能源消耗和物料损失。

在航空航天领域,现代控制工程可以保证飞机和航天器的稳定性和安全性。

现代控制工程题目及解答-推荐下载

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确定的系统才是状态能控的。
下列状态空间表达式为能控标准形:
x1 0

x2






x n 1


0

0
1
0



xn an an1 an2
y [ bn anbo
8.什么是可观测性的概念?写出可观测标准型矩阵形式。
答:对系统进行线型非奇异变换并不会改变系统原有的性质如行列式相同、秩 相同、特征多项式相同、特征值相同,传递函数、可控性、可观性不变能对该 系统的时域行为表达同样的信息。
7.什么是可控性的概念?可控标准型的矩阵形式是什么?系统状态完全可控的
充要条件是什么?
答:如果在一个有限的时间隔内施加一个无约束的控制向量,使得系统由
1.简述现代控制理论和经典控制理论的区别. 答:经典控制理论是以传递函数为基础的一种控制理论,控制系统的分析与设 计是建立在某种近似的和试探的基础上,控制对象一般是单输入单输出、线性 定常系统;对多输入多输出系统、时变系统、非线性系统等则无能为力。主要 的分析方法有频率特性分析法、根轨迹分析法、描述函数法、相平面法、波波 夫法等。控制策略仅限于反馈控制、PID 控制等。这种控制不能实现最优控制。
现代控制理论是建立在状态空间上的一种分析方法,它的数学模型主要是状 态方程,控制系统的分析与设计是精确的。控制对象可以是单输入单输出控制 系统也可以是多输入多输出控制系统,可以是线性定常控制系统也可以是非线 性时变控制系统,可以是连续控制系统也可以是离散和数字控制系统。主要的 控制策略有极点配置、状态反馈、输出反馈等。现代控制可以得到最优控制。 2.简述用经典控制理论方法分析与设计控制系统的方法,并说明每一种方法的主 要思想。 答:1:建立数学模型 2:写出传递函数 3:用时域分析和频域分析的方法来判 断系统的稳定性等。以及对其进行系统的校正和反馈。

现代控制工程大作业

现代控制工程大作业

目 录题目一: (1)一、系统设计及仿真分析 ............................................... 错误!未定义书签。

1、确定被控系统状态空间体现式 ..................................................错误!未定义书签。

2、系统能控、能观性鉴别 ..............................................................错误!未定义书签。

3、系统极点配置 ..............................................................................错误!未定义书签。

4、确定状态反馈增益矩阵F ..........................................................错误!未定义书签。

5、确定输入变换线性放大器K ......................................................错误!未定义书签。

6、验证跟踪单位斜坡输入信号旳稳态误差v e ..............................错误!未定义书签。

7、运用SIMULINK 建立控制系统旳动态仿真模型 ....................错误!未定义书签。

(1)跟踪单位阶跃信号旳动态仿真分析 ..................................错误!未定义书签。

(2)跟踪单位斜坡信号旳动态仿真分析 ..................................错误!未定义书签。

二、采用全维状态观测器旳状态反馈系统....................... 错误!未定义书签。

1、配置闭环系统状态观测器极点 ..................................................错误!未定义书签。

《现代控制工程》

《现代控制工程》

《现代控制工程》目录第1章绪论1.1现代控制工程的发展1.2 本书的内容与安排第2章状态空间数学模型2.1 状态与状态空间的概念2.2 系统的状态空间模型2.2.1 建立状态空间模型的方法2.2.2 由状态空间模型求微分方程2.3 线性系统的状态空间模型与线性变换2.3.1 SISO线性系统的状态空间模型2.3.2 MIMO线性系统的状态空间模型2.3.3 状态方程的线性变换2.4 控制系统的实现2.4.1 系统的实现问题2.4.2 不含有输入导数项的微分方程的实现2.4.3 含有输入导数项的微分方程的实现2.5 多变量系统的传递矩阵2.5.1 多变量系统传递矩阵的概念2.5.2 从状态空间模型求传递矩阵2.5.3 多变量控制系统的结构图简化2.6 控制系统的状态空间模型2.7 MATLAB在状态空间模型建立中的应用2.7.1传递函数转换到状态空间模型2.7.2状态方程的线性变换2.8 本章小结习题第3章控制系统稳定性分析3.1 控制系统稳定性定义3.1.1 范数的概念3.1.2 平衡状态3.1.3 李雅普诺夫稳定性定义3.2 控制系统稳定的条件3.2.1 单变量线性定常连续系统的稳定条件3.2.2 多变量线性定常连续系统的稳定条件3.2.3 单变量线性定常离散系统的稳定条件3.2.4 多变量线性定常离散系统的稳定条件3.3 李雅普诺夫稳定判据3.3.1 函数的正定性3.3.2 非线性系统的李雅普诺夫稳定判据3.4 线性系统的李雅普诺夫稳定判据3.4.1 线性连续系统的李雅普诺夫稳定判据3.4.2 线性离散系统的李雅普诺夫稳定判据3.5 非线性系统的克拉索夫斯基稳定判据3.6 非线性系统的小偏差线性化方法3.6.1 小偏差线性化的基本思想3.6.2小偏差线性化方法3.6.3李雅普诺夫第一法3.7 MATLAB在系统稳定性分析中的应用3.8 本章小结习题第4章线性系统动态性能分析4.1 线性连续定常系统状态方程的求解4.1.1 齐次状态方程的求解4.1.2 非齐次状态方程的求解4.2 线性连续时变系统状态方程的求解4.2.1 齐次状态方程的解4.2.2 状态转移矩阵的性质4.2.3 状态转移矩阵的计算4.2.4 非齐次状态方程的解4.3 线性离散系统状态方程的求解4.3.1 齐次状态方程的解4.3.2 状态转移矩阵的性质4.3.3 状态转移矩阵的计算4.3.4线性定常离散系统非齐次状态方程的求解4.3.5线性时变离散系统状态方程的求解4.4 MATLAB在系统动态性能分析中的应用4.5 本章小结习题第5章线性系统的能控性和能观性分析5.1 能控性和能观性问题5.2 线性定常系统的能控性5.2.1 能控性的定义5.2.2 能控性判别准则5.2.3 能控性第二判别准则5.2.4 输出能控性及其判别准则5.3 线性定常系统的能观性5.3.1 能观性的定义5.3.2 能观性判别准则5.3.3 能观性第二判别准则5.4 状态空间模型的对角线标准型5.4.1 系统的特征值和特征向量5.4.2 化矩阵A为对角阵5.4.3 化矩阵A为约当阵5.4.4 特征值为复数的对角线标准型5.5 状态空间模型的能控标准型与能观标准型5.5.1 第一能控标准型5.5.2 第二能控标准型5.5.3 第一能观标准型5.5.4 第二能观标准型5.6 传递函数的几种标准型实现5.6.1 能控标准型实现5.6.2 能观标准型实现5.6.3 对角线标准型实现5.6.4 约当标准型实现5.7 对偶原理5.8 线性定常系统的规范分解5.8.1 能控性结构分解5.8.2 能观性结构分解5.8.3 系统结构的规范分解5.9 MATLAB在系统能控性和能观性分析中的应用5.9 本章小结习题第6章状态反馈控制与状态观测器设计6.1 状态反馈与输出反馈6.1.1 状态反馈6.1.2 输出反馈6.1.3状态反馈系统的能控性与能观性6.1.4 状态反馈对传递函数的影响6.2 状态反馈设计方法6.2.1 极点配置问题6.2.2 单输入系统的极点配置方法6.2.3 多输入系统的极点配置方法6.3 状态观测器设计方法6.3.1 全维状态观测器设计6.3.2 降维状态观测器设计6.4 带状态观测器的状态反馈系统的设计方法6.5 MATLAB在状态反馈与状态观测器设计中的应用6.6 本章小结习题第7章最优控制7.1 最优控制的概念7.2 变分法与泛函的极值条件7.3 变分法求解无约束最优控制问题7.4 极小值原理7.4.1 连续系统的极小值原理7.4.2 离散系统的极小值原理7.5 线性二次型最优控制7.5.1 线性二次型最优控制问题7.5.2 连续系统有限时间状态调节器7.5.3 连续系统无限时间定常状态调节器7.5.4 线性离散系统状态调节器7.5.5 线性连续系统输出调节器7.5.6 线性连续系统输出跟随器7.6 本章小结习题第8章系统辨识8.1 系统辨识的概念8.1.1 系统辩识的定义8.1.2系统辩识的基本内容8.2 线性静态模型的最小二乘参数估计8.2.1 参数估计问题8.2.2 最小二乘法的基本算法8.2.3 最小二乘法的性质8.2.4 应用举例8.3 线性动态模型的最小二乘参数估计8.4 最小二乘参数估计的递推算法8.4.1 基本递推算法8.4.2 带有遗忘因子的递推算法8.5 线性系统的结构辨识8.5.1 模型阶次的确定8.5.2 系统纯时滞的辨识8.6 闭环系统的可辨识性8.7 MATLAB在系统辨识中的应用8.8 本章小结习题第9章自适应控制9.1 自适应控制的概念9.1 自校正控制的结构9.2 最小方差控制9.3 自校正调节器9.4 自校正调节器应用实例9.5 本章小结习题第10章预测控制10.1 预测控制的基本原理10.2 动态矩阵控制10.3 炼油厂加氢裂化装置的动态矩阵控制10.4 模型算法控制10.5 催化裂化分馏塔的模型算法控制10.6 广义预测控制10.7 本章小结习题第11章模糊控制11.1 模糊控制的发展11.2 模糊集合11.2.1 模糊集合的定义11.2.2模糊集合的表示方法11.2.3 模糊集合的运算11.3 模糊控制系统的组成11.3.1模糊控制系统的结构11.3.2 模糊控制器的输入输出变量11.3.3 模糊控制器的输入输出变量的模糊化11.4 模糊控制规则11.5 模糊关系与合成11.5.1 模糊关系11.5.2 模糊关系的合成11.6 模糊推理与模糊决策11.6.1 模糊推理11.6.2模糊决策11.7 模糊控制算法的工程实现11.8 模糊PID复合控制11.9 酚醛树脂聚合反应温度模糊控制11.9.1 酚醛树脂聚合反应过程特性分析11.9.2 模糊控制器设计11.10 全自动洗衣机的模糊控制11.10.1 模糊控制洗衣机的检测11.10.2 洗衣机的模糊控制11.11 本章小结习题第12章专家系统与专家控制12.1 专家系统12.1.1 专家系统的概念12.1.2专家系统的一般结构12.1.3 实时专家系统12.2 专家控制系统12.2.1 专家控制系统的概念12.2.2 间接专家控制12.2.3 直接专家控制12.3 专家控制系统的知识表示12.3.1 知识表示12.3.2 产生式知识表示12.3.3 产生式系统12.3.4 动物识别专家系统12.4 专家控制系统的推理机12.5 专家控制系统的搜索技术12.6 电脑充绒机专家控制系统12.6.1电脑充绒机的工作原理12.6.2高性能称重传感器设计12.6.3电脑充绒机的程序控制12.6.4充绒机羽绒重量专家控制12.7 本章小结习题第13章神经网络控制13.1 神经网络控制概述13.2 神经元与神经网络13.2.1生物神经元结构13.2.2 神经元数学模型13.2.3 神经网络的结构与工作方式13.2.4 神经网络的学习13.3 BP神经网络及其学习算法13.3.1 BP神经网络的结构13.3.2 BP学习算法13.3.3 BP学习算法的实现13.4 基于神经网络的系统辨识方法13.4.1前向模型辨识13.4.2反向模型辨识13.5 基于神经网络的软测量方法13.5.1 软测量技术13.5.2 污水处理过程神经网络软测量模型13.6 基于神经网络的控制方法13.6.1 神经网络控制器13.6.2 神经网络预测控制13.6.3 神经网络模型参考控制13.6.4 神经网络内模控制13.7 单神经元控制器13.8 本章小结习题习题解答参考文献。

现代控制工程(第四版)

现代控制工程(第四版)
现代控制工程(第四版)
20xx年电子工业出版社出版的图书
01 推荐
03 书籍目录
目录02 主要内容源自基本信息《现代控制工程(第四版)》是2007年8月电子工业出版社出版的一本书籍,作者是[美]尾形克彦,译者是 卢伯英等。
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《现代控制工程》(第4版)是一本为工科高年级学生写的教科书,可以作为控制系统领域的首门课程的教 材。
第11章
控制系统的状态空间分析 11.1引言 11.2传递函数的状态空间表达式 11.2.1状态空间标准形的表达式 11.2.2 n×n维矩阵A的特征值 11.2.3 n×n维矩阵的对角化 11.2.4特征值的不变性 11.2.5状态变量组的非惟一性 11.3用MATLAB进行系统模型变换 11.3.1传递函数系统的状态空间表达式 11.3.2由状态空间表达式到传递函数的变换
第8章
频率响应分析 8.1引言 8.1.1求系统对正弦输入信号的稳态输出 8.1.2用图形表示频率响应特性 8.1.3本章要点 8.2伯德图 8.2.1伯德图或对数坐标图 8.2.2 G(jω)H(jω)的基本因子 8.2.3增益K 8.2.4积分和微分因子 (jω)1? 8.2.5一阶因子(1+jωT)???1?
第12章
控制系统的状态空间设计 12.1引言 12.2极点配置 12.2.1极点配置设计 12.2.2任意配置极点的充分必要条件 12.2.3用变换矩阵T确定矩阵K 12.2.4用直接代入法确定矩阵K 12.2.5用爱克曼公式确定矩阵K 12.2.6调节器系统和控制系统 12.2.7选择希望的闭环极点的位置 12.2.8注释
第2章
拉普拉斯变换 2.1引言 2.2复变量和复变函数 2.2.1复变量 2.2.2复变函数 2.2.3尤拉定理 2.3拉普拉斯变换 2.3.1拉普拉斯变换的存在 2.3.2指数函数 2.3.3阶跃函数 2.3.4斜坡函数

西工大—现代控制理论课件ppt课件

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y2
up
yq
被控过程
5
典型控制系统由被控对象、传感器、执行器和控制器组成。
被控过程具有若干输入端和输出端。
数学描述方法: 输入-输出描述(外部描述):高阶微分方程、传递函数矩阵。
一种完整的描述。
状态空间描述(内部描述):基于系统内部结构,是对系统的
6
1.2 状态空间描述常用的基本概念
1) 输入:外部对系统的作用(激励); 控制:人为施加的激励;
xn a0 x1 a1x2 an1xn u
得到动态方程
x Ax bu
y x1
y cx
16

x1
0 1 0
0 0

x2
0
0
1 b , c 1 0
0
xn
1
0
0
0
1
0
xn
a0 a1 a2
an1
0
例1-5
系统的状态变量图
i 2,3,, n
其展开式为 x1 y h0u
x2 x1 h1u y h0u h1u x3 x2 h2u y h0u h1u h2u
xn xn1 hn1u y (n1) h0u (n1) h1u (n2) hn1u #
式中, h0 , h1 ,, hn1 是n个待定常数。是n个。
3、动态方程对于系统的描述是充分的和完整的,即系统中 的任何一个变量均可用状态方程和输出方程来描述。 例1-1 试确定图8-5中(a)、(b)所示电路的独立状态变量。图中u、i分别是是
输入电压和输入电流,y为输出电压,xi为电容器电压或电感器电流。
x3
解 并非所有电路中的电容器电压和电感器电流都是独立变量。对图8-5(a),

现代控制工程课程设计

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现代控制工程课程设计目录一、设计目的及要求 (1)设计目的 (1)设计要求 (1)二、状态空间方程建立 (1)三、倒置摆的状态空间模型 (2)四、模型特性分析 (3)1.可控性分析 (3)2. 可观性分析 (3)3.稳定性分析 (4)4.MATLAB仿真求解 (4)五、倒置摆系统的综合及仿真分析 (5)五、全维状态观测器的设计及仿真分析 (8)六、参考文献 (13)一、设计目的及要求设计目的1、通过课程报告加深理解现代控制理论中的一些基本概念;2、掌握用状态方程描述的线性系统的稳定性、能控性、能观性的分析计算方法;3、掌握状态反馈系统的综合和全维观测器设计方法4、重视理论计算,MATLAB编程计算及SIMULINK仿真能力,提高计算机编程计算能力。

设计要求如图1所示,为单倒置摆系统的原理图。

设摆的长度为、质量为m,用铰链安装在质量为M的小车上。

小车有一台直流电动机拖动,在水平方向对小车施加控制力u,相对参考系产生位移z。

若不给小车施加控制力,则倒置摆会向左或向右倾倒,因此,它是一个不稳定系统。

控制的目的是,当倒置摆无论出现向左或向右倾倒时,通过控制直流电动机,使小车在水平方向运动,将倒置摆保持在垂直位置上。

二、状态空间方程建立为简化问题,工程上可以忽略一些次要因素。

在本例中,我们为了简化问题,方便研究系统空间的设计问题,忽略了摆杆质量、执行电动机惯性以及摆轴、轮轴、轮与接触面之间的摩擦及风力。

设小车的瞬时位置为z,倒置摆出现的偏角为θ,则摆心瞬时位置为)z+。

在控制力u的作用下,小车及摆均产生加l(θsin速运动,根据牛顿第二定律,在水平直线运动方向的惯性力应与控制力u平衡,则有u l z dtd m dt z d M =++)sin (2222θ即u ml ml z m M =-++θθθθsin cos )(2(1) 由于绕摆旋转运动的惯性力矩应与重力矩平衡,因而有θθθsin cos )sin (22mgl l z dt d m =⎥⎦⎤⎢⎣⎡+即θθθθθθθsin cos sin cos cos 2g l l z =-+(2) 式(1)、式(2)两个方程都是非线性方程,需作线性化处理。

现代控制理论智慧树知到课后章节答案2023年下长安大学

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现代控制理论智慧树知到课后章节答案2023年下长安大学长安大学绪论单元测试1.下列语句中,不正确的是()。

A:现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论,是自动控制理论的一个主要组成部分,可以解决经典控制理论不能解决的所有控制难题。

B:现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多,包括线性系统和非线性系统,定常系统和时变系统,单变量系统和多变量系统;C:20世纪50年代中期,空间技术的迅速发展迫切要求建立新的控制原理,以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题;D:在现代控制理论中,对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的,基本的方法是时间域方法;答案:现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论,是自动控制理论的一个主要组成部分,可以解决经典控制理论不能解决的所有控制难题。

2.通过测量输出量,产生一个与输出信号存在函数关系的信号的元件称为()。

A:给定元件B:放大元件C:反馈元件D:比较元件答案:比较元件3.闭环控制系统的控制方式为()。

A:按扰动信号控制B:按输入信号控制C:按偏差信号控制D:按反馈信号控制答案:按偏差信号控制4.经典控制理论描述系统的数学模型是由高阶线性常微分方程演变来的传递函数,适合分析和设计下列哪种系统()A:非线性系统B:单输入单输出系统C:线性定常系统D:多输入多输出系统答案:单输入单输出系统;线性定常系统5.现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论,是自动控制理论的一个主要组成部分,比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多,适合分析和设计下列哪种系统()A:非线性系统B:线性时变系统C:多输入多输出系统D:线性定常系统答案:非线性系统;线性时变系统;多输入多输出系统;线性定常系统第一章测试1.系统状态空间实现中选取状态变量不是唯一的,其状态变量的个数是唯一的()A:对 B:错答案:对2.多输入-多输出系统的U-Y 间的传递函数为()A:错 B:对答案:对3.由一个状态空间模型可以确定多个传递函数。

(建筑工程管理)现代控制工程精编.

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(建筑工程管理)现代控制工程状态反馈控制的主要特性及发展摘要现代控制理论主要利用计算机作为系统模型分析、设计乃至控制的手段,适用于多变量、非线性、时变系统。

虽然他在本质上是壹种“时域法”,但且不是对经典频域法的从频域到时域的简单回归,而是立足于新的分析方法,有着新的目标的新理论。

现代控制理论研究内容非常广泛,主要包括3个基本内容:多变量线性系统理论、最优控制理论以及最优估计和系统辨识理论。

现代控制理论从理论上解决了系统的能控性、能观性、稳定性及复杂系统的控制问题。

状态反馈是指系统的状态变量通过比例环节传送到输入端去的反馈方式。

状态反馈是体现现代控制理论特色的壹种控制方式。

状态变量能够全面地反映系统的内部特性,因此状态反馈比传统的输出反馈能更有效地改善系统的性能。

本文先解释了控制系统的状态变量、可控性和可观性等相关概念,进而引出现代控制理论中的重要控制方式——状态反馈控制。

之后重点描述了状态反馈控制的俩个主要特性及其发展。

由浅入深,层层递进。

最后对此次撰写论文进行了总结,对状态反馈控制方法做出了展望。

关键词:现代控制,状态空间,反馈控制,可控性,可观测性1.前言现代控制理论是为了解决多输入-多输出系统的控制问题而发展起来的,较之经典控制理论,其研究对象要广泛得多,既能够是单变量的、线性的、定常的、连续的系统,也能够是多变量的、非线性的、时变的、离散的系统。

现代控制理论以状态空间描述作为系统的数学模型,以状态变量法为基础,用时域的方法来分析和设计控制系统。

它分析和设计控制系统的目标是在揭示系统内在规律的基础上,实现系统在壹定意义上的最优化。

它的构成带有更高的仿生特点,控制方式已不限于单纯的闭环控制,而扩展到适应环、学习环等,现代控制理论的形成是控制理论发展历史上的又壹个里程碑。

反馈是控制理论中的壹种基本思想,由于反馈控制能够改善系统的动态品质,如提高瞬态响应性能、增加系统的稳定性、增强抗干扰能力、减少系统对内部参数变化的敏感程度及拓展系统频宽等,因此,无论是经典控制理论范畴,仍是现代控制理论领域,反馈都是系统的主要控制方式。

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ω=+ ∞
ω=0
Example 7.5 (2 order type I system)Please discuss system) the stability of the CL system.
R(s) + -
K ) s(τs +1
Y(s)
consider the upper imaginary axis, the mapping contour is the polar plot as:
| G( jω) |=1 ∠G( jω) = −180o
-1
0
1
2. System margins In frequency domain, stable system has 2 ways to collapse to unstable. | G( jω) |=1 Consider point a ∠G( jω) ≠ −180o If a rotates clockwise the angle r , then | G( jω) |=1, ∠G( jω) = −180o Consider point b
i =1 M
=0
F( s) = 1 + L( s) = 1 + G( s)H( s) = 0
where L(s) = G(s)H(s) is the corresponding openopenloop transfer function.
Nyquist criterion can be stated as: 1. if the open-loop transfer function has no poles in the right half of the s-plane, and the mapped contour ΓL does not encircle the point (−1, jo) , the closed-loop system will be stable. 2. if the open-loop transfer function has P poles in the right half of the s-plane, and the mapped contour ΓL encircle the point (−1, jo) P times in the counterclockwise direction, the closed-loop system will be stable.
K G(s) = s(s +1)(0.1s +1)
γ (ωcm ) =ϕ (ωcm ) +1800 =120 (K = 5);
−120 (K = 20)
ϕ(ω) = −900 −tg−1ω −tg−10.1 = −1800 ω
Kg = −L(ωcp ) = 6db( K = 5) , −6db( K = 20)
∠G( jω) = −180o | G( jω) |≠1
r
j
1/h
-1
b a
0
1
If b shift leftward to -1, then | G( jω) |=1, ∠G( jω) = −180o
a. Phase crossing frequency ωcp and the gain margin Kg Phase crossing frequency ωcp
denote when
φ( jω) as the CL frequency characteristics
ω > ωb
20lg φ( jωb ) < 20lg φ( jo) −3
For RC network,
1 20lg φ( jωb ) = 20lg = 20lg 2 2 2 1+T ωb
1 The bandwidth is ωb = ,it is the low pass filter. T
Kg, Gain margin in dB
phase crossing frequency ωcp
b. Magnitude crossing frequency ωcm and the phase margin φm Unity circle Magnitude crossing frequency ωcm
Example 7.1 the transfer function of unit negative feedback system is Determine the gain margin and phase margin when K=5 and K=20 . Hints:determine the crossing frequencies (0dB) and (-180 degrees)first. (ω) = 20lg K − 20lg ω − 20lg 1+ω2 − 20lg 1+ (0.1ω)2 = 0 L
∠GH( jωcp ) = −180
gain margin
1 Kg = GH( jωcp )
Kg >1
20lg(Kg ) = −L(ωcp ) > 0
(-1,0)
GH ( jωcp )
We need
GH ( jωcp ) <1
else, the system is unstable.
Gain margin on Bode diagram
So, the bandwidth is proportional to the nature frequency(+), and increase when ξ decrease. It is favorable to the swiftness of the system response. This is also true for most systems.
resonant frequency ωr Maximum magnitude occurs at resonant frequency when ξ < 0.707 in the underdamped systems.
(2) Maximum magnitude
Mr and
Mr =
1 2 ξ 1−ξ
7.2 Nyquist Criterion
The start point to determine the stability is the characteristic equation of the control system
F(s) =
or
k∏(s + si )
n
∏(s + s )
k =1 k
2
the resonant frequency is:
ωr = ωn 1− 2ξ
2
the magnitude crossing frequency, phase margin can be related with time domain parameters ωn and ξ as:
G( jωc ) = 1
GH( jωcm) = 1
Phase margin
φm = ∠GH( jωcm) − −180
= 180 + ∠GH( jωcm )
We need
(
)
(-1,0)
φm
பைடு நூலகம்
φm > 0
else, the system is unstable.
Phase margin on Bode diagram
Magnitude crossing frequency ωcm Phase margin
Hope: establish exact relationship between methods and indices in the time and frequency domain.
In the case of underdamped systems, we can try to make it. In general situation, only empirical formula are available.
1
For underdamped system thus
2 ωn φ(s) = 2 2 S + 2ξωns +ωn
2 2 ωn 2 ωb (1− 2 ) + 4ξ 2 2 = 2 ωn ωn
And we have
ωb = ωn (1− 2ξ 2 ) + (1− 2ξ 2 )2 +1

1 2
1. Marginally stable in frequency domain
Minimum phase system is the system without OL pole in the right half s plain, or p=0 for Nyquist criterion.
j
Thus, when the minimum phase system is marginal stable, the polar plot G(jw) will cross the point (-1,j0), and satisfies
Chapter 7 Stability in the Frequency Domain
7.1 Mapping Contours in the s-plane 7.2 The Nyquist Criterion 7.3 Relative Stability and the Nyquist Criterion 7.4 Performance Indices in the Frequency Domain
(-1,0)
ω=+ ∞
−Kτ1τ2 τ1 +τ2
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