哈工大现代控制理论复习题
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《现代控制理论》复习题1
一、(10分,每小题2分)试判断以下结论的正确性,若结论是正确的,则在其左边的括号
里打√,反之打×。
( √ )1. 由一个状态空间模型可以确定惟一一个传递函数。
( × )2. 若一个对象的连续时间状态空间模型是能控的,则其离散化状态空间模型也一定
是能控的。
( × )3. 对一个给定的状态空间模型,若它是状态能控的,则也一定是输出能控的。
( √ )4. 对系统Ax x
=&,其Lyapunov 意义下的渐近稳定性和矩阵A 的特征值都具有负实部是一致的。
二、(15分)考虑由下式确定的系统: 2
33
)(2+++=
s s s s G 试求其状态空间实现的能
控标准型、能观标准型和对角线标准型,并画出能控标准型的状态变量图。 解: 能控标准形为 能观测标准形为 对角标准形为
三、(10分)在线性控制系统的分析和设计中,系统的状态转移矩阵起着很重要的作用。对系统
求其状态转移矩阵。 解:解法1。
容易得到系统状态矩阵A 的两个特征值是2,121-=-=λλ,它们是不相同的,故系统的矩阵
A 可以对角化。矩阵A 对应于特征值2,121-=-=λλ的特征向量是
取变换矩阵 []⎥⎦⎤⎢
⎣⎡--==-1112121ννT , 则 ⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡--=-21111
T 因此, ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡--==-20011
TAT D
从而,
解法2。拉普拉斯方法 由于
故 ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+-+---=-==Φ----------t t t
t t t t
t At
e e e
e e e e e A sI L e
t 222211
2222])[()( 解法3。凯莱-哈密尔顿方法
将状态转移矩阵写成 A t a I t a e At )()(10+= 系统矩阵的特征值是-1和-2,故 )(2)()()(10210t a t a e t a t a e t t -=-=-- 解以上线性方程组,可得 t t t t e e t a e e t a 2120)(2)(-----=-=
因此, ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+-+---=+==Φ--------t t t
t t t t
t At
e e e e e e e e A t a I t a e
t 2222102222)()()( 四、(15分)已知对象的状态空间模型Cx y Bu Ax x
=+=,&,是完全能观的,请画出观测器
设计的框图,并据此给出观测器方程,观测器设计方法。 解 观测器设计的框图: 观测器方程:
其中:x ~是观测器的维状态,L 是一个n ×p 维的待定观测器增益矩阵。 观测器设计方法:
由于 )](det[])(det[)](det[T T T T L C A I LC A I LC A I --=--=--λλλ
因此,可以利用极点配置的方法来确定矩阵L ,使得T T T L C A -具有给定的观测器极点。具体的方法有:直接法、变换法。
五、(15分)对于一个连续时间线性定常系统,试叙述Lyapunov 稳定性定理,并举一个二阶系统例子说明该定理的应用。
解 连续时间线性时不变系统的李雅普诺夫稳定性定理:
线性时不变系统Ax x
=&在平衡点0=e x 处渐近稳定的充分必要条件是:对任意给定的对称正定矩阵Q ,李雅普诺夫矩阵方程Q PA P A T -=+有惟一的对称正定解P 。
在具体问题分析中,可以选取Q = I 。
考虑二阶线性时不变系统: ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21211110x x x x && 原点是系统的惟一平衡状态。求解以下的李雅普诺夫矩阵方程 I PA P A T -=+ 其中的未知对称矩阵 ⎥⎦
⎤
⎢
⎣⎡=2212
1211
p p p p P 将矩阵A 和P 的表示式代入李雅普诺夫方程中,可得 进一步可得联立方程组
从上式解出11p 、12p 和22p ,从而可得矩阵 ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=12/12/12/322121211p p p p P 根据塞尔维斯特方法,可得 04
5
det 02
3
21>=
=∆>=
∆P 故矩阵P 是正定的。因此,系统在原点处的平衡状态是大范围渐近稳定的。 六、(10分)已知被控系统的传递函数是
试设计一个状态反馈控制律,使得闭环系统的极点为-1 ± j 。 解 系统的状态空间模型是
将控制器 []x k k u 10-= 代入到所考虑系统的状态方程中,得到闭环系统状态方程 该闭环系统的特征方程是 )2()3()det(012k k A I c ++++=-λλλ 期望的闭环特征方程是 22)1)(1(2++=++-+λλλλj j 通过 22)2()3(2012++=++++λλλλk k 可得 222301=+=+k k 从上式可解出 01
01+-=k k
因此,要设计的极点配置状态反馈控制器是 []⎥⎦
⎤
⎢
⎣⎡=2110x x u 《现代控制理论》复习题2
一、(10分,每小题2分)试判断以下结论的正确性,若结论是正确的,则在其左边的括号里打√,反之打×。
( × )1. 对一个系统,只能选取一组状态变量;
( √ )2. 由状态转移矩阵可以决定系统状态方程的状态矩阵,进而决定系统的动态特性; ( × )3. 若传递函数B A sI C s G 1)()(--=存在零极相消,则对应的状态空间模型描述的系统是不能控不能观的;
( × )4. 若一个系统是李雅普诺夫意义下稳定的,则该系统在任意平衡状态处都是稳定的;
( √ )5. 状态反馈不改变系统的能控性。 二、(20分)已知系统的传递函数为
(1) 采用串联分解方式,给出其状态空间模型,并画出对应的状态变量图; (2) 采用并联分解方式,给出其状态空间模型,并画出对应的状态变量图。 答:(1)将G (s )写成以下形式: 这相当于两个环节
31+s 和5
5
2++s s 串连,它们的状态空间模型分别为: ⎩⎨
⎧=+-=11113x y u x x &和⎩⎨⎧+-=+-=1
21
2255u x y u x x &
由于11u y =,故可得给定传递函数的状态空间实现是: 将其写成矩阵向量的形式,可得: 对应的状态变量图为:
串连分解所得状态空间实现的状态变量图
(2)将G (s )写成以下形式: 它可以看成是两个环节35.0+-s 和5
5
.2+s 的并联,每一个环节的状态空间模型分别为: 和
由此可得原传递函数的状态空间实现: 进一步写成状态向量的形式,可得: 对应的状态变量图为: