《现代控制理论》第3版课后习题答案

《现代控制理论参考答案》第一章答案1-1 试求图1-27系统的模拟结构图,并建立其状态空间表达式。

解:系统的模拟结构图如下:系统的状态方程如下:令y s =)(θ,则1x y =所以,系统的状态空间表达式及输出方程表达式为1-2有电路如图1-28所示。

以电压)(t u 为输入量,求以电感中的电流与电容上的电压作为状态变量的状态方程,与以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。

解:由图,令32211,,x u x i x i c ===,输出量22x R y =有电路原理可知:•••+==+=++3213222231111x C x x x x R x L ux x L x R 既得 22213322222131111111111x R y x Cx C x x L x L R x u L x L x L R x =+-=+-=+--=••• 写成矢量矩阵形式为:1-4 两输入1u ,2u ,两输出1y ,2y 的系统,其模拟结构图如图1-30所示,试求其状态空间表达式与传递函数阵。

解:系统的状态空间表达式如下所示:1-5系统的动态特性由下列微分方程描述列写其相应的状态空间表达式,并画出相应的模拟结构图。

解:令..3.21y x y x y x ===，，,则有相应的模拟结构图如下:1-6 (2)已知系统传递函数2)3)(2()1(6)(+++=s s s s s W ,试求出系统的约旦标准型的实现,并画出相应的模拟结构图 解:s s s s s s s s s W 31233310)3(4)3)(2()1(6)(22++++-++-=+++= 1-7 给定下列状态空间表达式[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡321321321100210311032010x x x y u x x x x x x ‘ （1） 画出其模拟结构图（2） 求系统的传递函数解:(2)⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-+-=-=31103201)()(s s s A sI s W 1-8 求下列矩阵的特征矢量(3)⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=6712203010A 解:A 的特征方程 061166712230123=+++=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+---=-λλλλλλλA I 解之得:3,2,1321-=-=-=λλλ当11-=λ时,⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---3121113121116712203010p p p p p p 解得: 113121p p p -== 令111=p 得 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1113121111p p p P(或令111-=p ,得⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1113121111p p p P )当21-=λ时,⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---32221232221226712203010p p p p p p 解得: 1232122221,2p p p p =-= 令212=p 得 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1423222122p p p P (或令112=p ,得⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=21213222122p p p P ) 当31-=λ时,⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---33231333231336712203010p p p p p p 解得: 133313233,3p p p p =-= 令113=p 得 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=3313323133p p p P 1-9将下列状态空间表达式化成约旦标准型(并联分解)(2)⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡32121321321110021357213311201214x x x y y u x x x x x x 解:A 的特征方程 0)3)(1(311212142=--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡------=-λλλλλλA I 当31=λ时,⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--3121113121113311201214p p p p p p 解之得 113121p p p == 令111=p 得 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1113121111p p p P当32=λ时,⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--1113311201214312111312111p p p p p p 解之得 32222212,1p p p p =+= 令112=p 得 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=0013222122p p p P 当13=λ时,⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--332313332313311201214p p p p p p 解之得 3323132,0p p p == 令133=p 得 ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=1203323133p p p P 约旦标准型1-10 已知两系统的传递函数分别为W 1(s)与W 2(s)试求两子系统串联联结与并联连接时,系统的传递函数阵,并讨论所得结果解:(1)串联联结(2)并联联结1-11 (第3版教材)已知如图1-22所示的系统,其中子系统1、2的传递函数阵分别为求系统的闭环传递函数解:1-11(第2版教材) 已知如图1-22所示的系统,其中子系统1、2的传递函数阵分别为求系统的闭环传递函数解:1-12 已知差分方程为试将其用离散状态空间表达式表示,并使驱动函数u 的系数b(即控制列阵)为(1)⎥⎦⎤⎢⎣⎡=11b解法1:解法2:求T,使得⎥⎦⎤⎢⎣⎡=-111B T 得⎥⎦⎤⎢⎣⎡=-10111T 所以 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=1011T 所以,状态空间表达式为 第二章习题答案2-4 用三种方法计算以下矩阵指数函数At e 。

(2) A=1141⎛⎫ ⎪⎝⎭解:第一种方法: 令 0I A λ-=则 11041λλ--=-- ,即()2140λ--=。

求解得到13λ=,21λ=-当13λ=时,特征矢量11121p p p ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦由 111Ap p λ=,得11112121311341p p p p ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦即112111112121343p p p p p p +=⎧⎨+=⎩,可令112p ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦ 当21λ=-时,特征矢量12222p p p ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦由222Ap p λ=,得121222221141p p p p -⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦即1222121222224p p p p p p +=-⎧⎨+=-⎩ ,可令212p ⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦ 则1122T ⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦,111241124T -⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎣⎦ 第二种方法,即拉氏反变换法:第三种方法,即凯莱—哈密顿定理由第一种方法可知13λ=,21λ=-2-5 下列矩阵就是否满足状态转移矩阵的条件,如果满足,试求与之对应的A 阵。

(3)()22222222t tt t t t t t e e e e t e e e e --------⎡⎤--Φ=⎢⎥--⎣⎦ (4)()()()()3333112412t t t t t t t t e e e e t e e e e ----⎡⎤+-+⎢⎥Φ=⎢⎥⎢⎥-++⎢⎥⎣⎦解:(3)因为 ()10001I ⎡⎤Φ==⎢⎥⎣⎦,所以该矩阵满足状态转移矩阵的条件 (4)因为()10001I ⎡⎤Φ==⎢⎥⎣⎦,所以该矩阵满足状态转移矩阵的条件 2-6 求下列状态空间表达式的解:初始状态()101x ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦,输入()u t 时单位阶跃函数。

解: 0100A ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦因为 01B ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦ ,()()u t I t =2-9 有系统如图2、2所示,试求离散化的状态空间表达式。

设采样周期分别为T=0、1s 与1s,而1u 与2u 为分段常数。

图2、2 系统结构图解:将此图化成模拟结构图列出状态方程则离散时间状态空间表达式为由()At G T e =与()0TAt H T e dtB =⎰得:当T=1时 ()()()()11111001111k e e x k x k u k e ke ----⎡⎤-⎡⎤+=+⎢⎥⎢⎥--⎢⎥⎣⎦⎣⎦当T=0、1时 ()()()()()0.10.10.10.11001110.90.1k e e x k x k u k e k e ----⎡⎤-⎡⎤⎢⎥+=+⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦第三章习题3-1判断下列系统的状态能控性与能观测性。

系统中a,b,c,d 的取值对能控性与能观性就是否有关,若有关,其取值条件如何？(1)系统如图3、16所示:解:由图可得:状态空间表达式为:由于•2x 、•3x 、•4x 与u 无关,因而状态不能完全能控,为不能控系统。

由于y 只与3x 有关,因而系统为不完全能观的,为不能观系统。

(3)系统如下式:解:如状态方程与输出方程所示,A 为约旦标准形。

要使系统能控,控制矩阵b 中相对于约旦块的最后一行元素不能为0,故有0,0≠≠b a 。

要使系统能观,则C 中对应于约旦块的第一列元素不全为0,故有0,0≠≠d c 。

3-2时不变系统试用两种方法判别其能控性与能观性。

解:方法一:方法二:将系统化为约旦标准形。

⎥⎦⎤⎢⎣⎡=1-111T ,⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=21212121T 1- B T -1中有全为零的行,系统不可控。

CT 中没有全为0的列,系统可观。

3-3确定使下列系统为状态完全能控与状态完全能观的待定常数i i βα和解:构造能控阵:要使系统完全能控,则211αα≠+,即0121≠+-αα构造能观阵:要使系统完全能观,则121αα-≠-,即0121≠+-αα3-4设系统的传递函数就是(1)当a 取何值时,系统将就是不完全能控或不完全能观的？(2)当a 取上述值时,求使系统的完全能控的状态空间表达式。

(3)当a 取上述值时,求使系统的完全能观的状态空间表达式。

解:(1) 方法1 :)6)(3)(1()()()(++++==s s s a s s u s y s W 系统能控且能观的条件为W(s)没有零极点对消。

因此当a=1,或a=3或a=6时,系统为不能控或不能观。