中北大学现代控制理论实验报告

现代控制理论实验报告

实验报告( 2016-2017年度第二学期)名称：《现代控制理论基础》题目：状态空间模型分析院系：控制科学与工程学院班级： ___学号： __学生姓名： ______指导教师： _______成绩：日期： 2017年 4月 15日线控实验报告一、实验目的：l.加强对现代控制理论相关知识的理解；2.掌握用 matlab 进行系统李雅普诺夫稳定性分析、能控能观性分析；二、实验内容1第一题：已知某系统的传递函数为G (s)S23S2求解下列问题：（1）用 matlab 表示系统传递函数num=[1];den=[1 3 2];sys=tf(num,den);sys1=zpk([],[-1 -2],1);结果：sys =1-------------s^2 + 3 s + 2sys1 =1-----------(s+1) (s+2)（2）求该系统状态空间表达式：[A1,B1,C1,D1]=tf2ss(num,den);A =-3-210B =1C =0 1第二题：已知某系统的状态空间表达式为：321A,B,C 01：10求解下列问题：（1）求该系统的传递函数矩阵：（2）该系统的能观性和能空性：（3）求该系统的对角标准型：（4）求该系统能控标准型：（5）求该系统能观标准型：（6）求该系统的单位阶跃状态响应以及零输入响应：解题过程：程序： A=[-3 -2;1 0];B=[1 0]';C=[0 1];D=0;[num,den]=ss2tf(A,B,C,D); co=ctrb(A,B);t1=rank(co);ob=obsv(A,C);t2=rank(ob);[At,Bt,Ct,Dt,T]=canon(A,B,C,D, 'modal' );[Ac,Bc,Cc,Dc,Tc]=canon(A,B,C,D, 'companion' );Ao=Ac';Bo=Cc';Co=Bc';结果：（1） num =0 01den =1 32（2）能控判别矩阵为：co =1-30 1能控判别矩阵的秩为：t1 =2故系统能控。

现代控制理论实训报告

一、前言随着科技的飞速发展，自动化、智能化已成为现代工业生产的重要特征。

为了更好地掌握现代控制理论，提高自己的实践能力，我参加了现代控制理论实训课程。

本次实训以状态空间法为基础，研究多输入-多输出、时变、非线性一类控制系统的分析与设计问题。

通过本次实训，我对现代控制理论有了更深入的了解，以下是对本次实训的总结。

二、实训目的1. 巩固现代控制理论基础知识，提高对控制系统的分析、设计和调试能力。

2. 熟悉现代控制理论在工程中的应用，培养解决实际问题的能力。

3. 提高团队合作意识，锻炼动手能力和沟通能力。

三、实训内容1. 状态空间法的基本概念：状态空间法是现代控制理论的核心内容，通过建立状态方程和输出方程，描述系统的动态特性。

2. 状态空间法的基本方法：包括状态空间方程的建立、状态转移矩阵的求解、可控性和可观测性分析、状态反馈和观测器设计等。

3. 控制系统的仿真与实现：利用MATLAB等仿真软件，对所设计的控制系统进行仿真，验证其性能。

4. 实际控制系统的分析：分析实际控制系统中的控制对象、控制器和被控量，设计合适的控制策略。

四、实训过程1. 理论学习：首先，我对现代控制理论的相关知识进行了复习，包括状态空间法、线性系统、非线性系统等。

2. 实验准备：根据实训要求，我选择了合适的实验设备和软件，包括MATLAB、控制系统实验箱等。

3. 实验操作：在实验过程中，我按照以下步骤进行操作：（1）根据实验要求，建立控制系统的状态空间方程。

（2）求解状态转移矩阵，并进行可控性和可观测性分析。

（3）设计状态反馈和观测器，优化控制系统性能。

（4）利用MATLAB进行仿真，观察控制系统动态特性。

（5）根据仿真结果，调整控制器参数，提高控制系统性能。

4. 结果分析：通过对仿真结果的分析，我对所设计的控制系统进行了评估，并总结经验教训。

五、实训成果1. 掌握了现代控制理论的基本概念和方法。

2. 提高了控制系统分析与设计能力，能够独立完成实际控制系统的设计。

现代理论控制实验2

2s+6 2 s+1
与(1)中一致，这是因为线性变换并不改变系统的特征值由 step(g3) hold on step(g2) hold on step(g1)得
Байду номын сангаас
单位阶跃输出相应得到的曲线如图所示
可见得到的曲线完全覆盖了(1)和(2)中得到的曲线，说明得到的曲线与(1)和(2) 中相同，因为系统的传递函数并没有发生变化
和记录这些曲线。当输入改变时, 每个状态变量曲线是否随着改变？能否根据这些曲线判断系统以及各状态变量的能控性？不能控和能控状态变量的响应曲线有何不同？（5）根据（2）和（4）所得曲线能否判断系统状态以及各状态变量的能观测性？ 2. 已知系统
0 0 1 0 2 0 3 0 1 0 x x u 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0
由 a=[-3 -4;-1 0];c=[-1 -1];vo=obsv(a,c);rank(vo)得 ans=1 所以系统是状态不能观的由 a=[-3 -4;-1 0];b=[4;1];c=[-1 -1];d=0;uc=ctrb(a,b);uy=[c*uc
d];rank(uy)得 ans=1 所以系统是输出不能控的状态能控性和输出能控性之间并没有联系 (2) 由 step(gtf) hold on impulse(gtf)可得系统的输入分别为单位阶跃函数和单
y 1 0 1 0x
（1）将给定的状态空间模型转换为传递函数模型。令初始状态为零，用 MATLAB 计算系统的单位阶跃输出响应，绘制和记录相应的曲线。（2）按能控性分解给定的状态空间模型并记录所得的结果，然后再将其转换为传递函数模型。它与（1）中所得的传递函数模型是否一致？为何？令初始状态为零，用 MATLAB 计算系统的单位阶跃输出响应，并绘制和记录相应曲线。这一曲线与（1）中的输出曲线是否一致？为何？（3）按能观测性分解给定的状态空间模型并记录分解所得的结果，然后再将其转换为传递函数模型。它与（1）中的传递函数模型是否一致？为何？令初始状态为零，用 MATLAB 计算系统的单位阶跃输出响应，并绘制和记录相应曲线。这一曲线与（1）中的输出曲线是否一致？（4）按能控性能观测性分解给定的状态空间模型并记录分解所得的结果，然后再将其转换为传递函数模型。它与（1）中的传递函数模型是否一致？为何？令初始状态为零，用 MATLAB 计算系统的单位阶跃输出响应，并绘制和记录相应的曲线。这一曲线与（1）中的输出曲线是否一致？为何？三、实验结果 1(1) 系统的能控性和能观性判断结果如下由 a=[-3 -4;-1 0];b=[4;1];uc=ctrb(a,b);rank(uc)得 ans =1 所以系统是状态不能控的

现代控制理论实验报告

现代控制理论实验指导书实验一：线性系统状态空间分析1、模型转换图1、模型转换示意图及所用命令传递函数一般形式：)()(11101110n m a s a s a s a b s b s b s b s G n n n n m m m m ≤++++++++=----K KMATLAB 表示为：G=tf(num,den)，其中num,den 分别是上式中分子，分母系数矩阵。

零极点形式：∏∏==--=n i j mi i ps z s K s G 11)()()( MATLAB 表示为：G=zpk(Z,P ,K)，其中 Z ，P ，K 分别表示上式中的零点矩阵，极点矩阵和增益。

传递函数向状态空间转换：[A,B,C,D] = TF2SS(NUM,DEN)；状态空间转换向传递函数：[NUM,DEN] = SS2TF(A,B,C,D,iu)---iu表示对系统的第iu个输入量求传递函数；对单输入iu为1;验证教材P438页的例9-6。

求P512的9-6题的状态空间描述。

>> A=[0 1;0 -2];>> B=[1 0;0 1];>> C=[1 0;0 1];>> D=[0 0;0 0];>> [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,1)NUM =0 1 20 0 0DEN =1 2 0>> [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,2)NUM =0 0 10 1 0DEN =1 2 0给出的结果是正确的，是没有约分过的形式P512 9-6>> [A,B,C,D]=tf2ss([1 6 8],[1 4 3])A =-4 -31 0B =1C =2 5D =12、状态方程求解单位阶跃输入作用下的状态响应：G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=step(G);plot(t,x). 零输入响应[y,t,x]=initial(G,x0)其中，x0为状态初值。

现代控制实验报告

现代控制理论实验报告系统的状态空间分析与全维状态观测器的设计一、实验目的1 •掌握状态反馈系统的极点配置；2 •研究不同配置对系统动态特性的影响。

二、实验仪器1 •计算机2. MATLAB 软件三、实验原理一个受控系统只要其状态是完全能控的，则闭环系统的极点可以任意配置。

极点配置有两种方法：①采用变换矩阵T,将状态方程转换成可控标准型，然后将期相等，从而决定状态反馈增益矩阵K;②基于Carlay-Hamilton理论，它指出矩阵㈡满足自身的特征方程，改变矩阵特征多项式：的值，可以推出增益矩阵K。

这种方法推出增益矩阵K的方程式叫Ackermann公式。

四、实验内容1 •试判别下列系统的可控性和可观性：(1) A=[1,2,3;1,4,6;2,1,7]B=[1,9;0,0;2,0];C=[1,0,0;2,1,0]实验程序：a=[1,2,3;1,4,6;2,1,7]b=[1,9;0,0;2,0]c=[1,0,0;2,1,0]n=size(a)uc=ctrb(a,b)uo=obsv(a,c)if ran k(uc)==ndisp('系统可控')elsedisp('系统不可控')end if ran k(uo )==ndisp（'系统可观'）elsedisp（'系统不可观'）End实验结果：a =1 2 31 4 62 1 7b =1 90 02 02 1 0n =3uc =1 9 7 9 81 810 0 13 9 155 1532 0 16 18 139 153 uo =1 0 02 1 01 2 39 13 3635 50 141系统可控系统可观(2) A=[-2,2,-1;0,-2,0;1,-4,0]B=[[0；0；1]C=[1,-1,1]程序：A=[-2,2,-1;0,-2,0;1,-4,0];B=[0；0；1]；C=[1,-1,1];Qc=ctrb(A,B);n=ran k(Qc);if(n==3),disp('系统可控'); else,disp('系统不可控');end系统不可控Qo=obsv(A,C);m=ra nk(Qo);if(m==3),disp('系统可观');else,disp('系统不可观');end系统不可观2.全状态反馈极点配置设计：设系统的状态方程为：x=Ax+Bu其中，A=[0,1,0;0,0,1;-1,-5,-6]B=[0;0;1]p1=-2+j4、要求：利用状态反馈控制u=-Kx,将此系统的闭环极点配置成p2=-2-j4、p3=-10。

现代控制理论实验报告

现代控制理论实验指导书实验一：线性系统状态空间分析1、模型转换图1、模型转换示意图及所用命令传递函数一般形式：)()(11101110n m a s a s a s a b s b s b s b s G n n n n m m m m ≤++++++++=----MATLAB 表示为：G=tf(num,den)，其中num,den 分别是上式中分子，分母系数矩阵。

零极点形式：∏∏==--=n i j mi i ps z s K s G 11)()()( MATLAB 表示为：G=zpk(Z,P,K)，其中 Z ，P ，K 分别表示上式中的零点矩阵，极点矩阵和增益。

传递函数向状态空间转换：[A,B,C,D] = TF2SS(NUM,DEN)；状态空间转换向传递函数：[NUM,DEN] = SS2TF(A,B,C,D,iu)---iu 表示对系统的第iu 个输入量求传递函数；对单输入iu 为1;验证教材P438页的例9-6。

求P512的9-6题的状态空间描述。

>> A=[0 1;0 -2];>> B=[1 0;0 1];>> C=[1 0;0 1];>> D=[0 0;0 0];>> [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,1)NUM =0 1 20 0 0DEN =1 2 0>> [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,2)NUM =0 0 10 1 0DEN =1 2 0给出的结果是正确的，是没有约分过的形式P512 9-6>> [A,B,C,D]=tf2ss([1 6 8],[1 4 3])A =-4 -31 0B =1C =2 5D =12、状态方程求解单位阶跃输入作用下的状态响应：G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=step(G);plot(t,x). 零输入响应[y,t,x]=initial(G,x0)其中，x0为状态初值。

中北大学现代控制理论实验报告

中北大学计算机与控制工程学院实验报告《现代控制理论》专业电气工程与智能控制班级XX070541学号XX070541XX姓名XX辅导老师成绩实验日期2017.04.25 实验时间8:30—11:30实验名称单级倒立摆系统控制特性分析实验目的1、旋转倒立摆线性模型建立与分析；2、利用MATLAB 分析线性定常系统的可控性、可观性与稳定性；3、线性模型与非线性模型对比；实验内容（1）根据实验原理中提供的单级倒立摆模型及可控、可观、稳定性判定方法，自编写程序判断倒立摆系统中占空比δ→旋转臂角位移α，占空比δ→摆杆角位移q 两通道的可控性，求解两通道系统的变换矩阵Qc；（2）自编写程序判断倒立摆系统中占空比δ→旋转臂角位移α，占空比δ→摆杆角位移q 两通道的可观性，求解两通道系统的变换矩阵Qo；（3）自编写程序判断倒立摆系统中占空比δ→旋转臂角位移α，占空比δ→摆杆角位移q 两通道的稳定性；实验原理或流程图实验过程或源代码J=0.0423m=0.404辅导老师成绩实验日期2017.04.25 实验时间8:30—11:30 实验名称单级倒立摆极点配置控制系统设计实验目的1. 根据设计指标获取理想极点位置；2．利用MATLAB 基于极点配置方法求解状态反馈矩阵；实验内容实验原理或流程图实验过程或源代码引用实验1的全部程序并附加以下程序disp('原系统的极点');p=eig(A)' %求矩阵A的全部特征根P=[-100;-101;-7.07+10*sqrt(-1/2);-7.07-10*sqrt(-1/2)]; K=place(A,B,P) %对系统进行极点配置disp('配置后系统的极点为')p=eig(A-B*K)'Simulink仿真输出结果显示系统稳定。

实验心得：学会了如何进行系统极点配置。

在simulink仿真模型中，可直接引用矩阵ABCD，一个系统的输入输出维数应相等。

现代控制理论实验报告.doc

现代控制理论实验报告学院：中北大学信息与通信工程学院学号：姓名：实验一线性定常系统模型一实验目的1. 掌握线性定常系统的状态空间表达式。

学会在MATLAB 中建立状态空间模型的方法。

2. 掌握传递函数与状态空间表达式之间相互转换的方法。

学会用MATLAB 实现不同模型之间的相互转换。

3. 熟悉系统的连接。

学会用MA TLAB 确定整个系统的状态空间表达式和传递函数。

4. 掌握状态空间表达式的相似变换。

掌握将状态空间表达式转换为对角标准型、约当标准型、能控标准型和能观测标准型的方法。

学会用MATLAB 进行线性变换。

二实验内容1. 已知系统的传递函数 (a) )3()1(4)(2++=s s s s G (b) 3486)(22++++=s s s s s G（1）建立系统的TF 或ZPK 模型。

（2）将给定传递函数用函数ss( )转换为状态空间表达式。

再将得到的状态空间表达式用函数tf( )转换为传递函数，并与原传递函数进行比较。

2. 已知系统的状态空间表达式(a) u x x⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=106510& []x y 11=(b) u x x ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=7126712203010& []111=y（1）建立给定系统的状态空间模型。

用函数eig( ) 求出系统特征值。

用函数tf( ) 和zpk( )将这些状态空间表达式转换为传递函数，记录得到的传递函数和它的零极点。

比较系统的特征值和极点是否一致，为什么?（2）用函数canon( )将给定状态空间表达式转换为对角标准型。

用函数eig( )求出系统特征值。

比较这些特征值和（1）中的特征值是否一致，为什么? 再用函数tf( )和zpk( )将对角标准型或约当标准型转换为传递函数。

比较这些传递函数和（1）中的传递函数是否一致，为什么?三实验结果1 (A)1)>> num=4;den=[1 5 7 3 0];G=tf (num, den)Transfer function:4-------------------------s^4 + 5 s^3 + 7 s^2 + 3 s2)>> %ex14num=4;den=[1 5 7 3 0];Gtf=tf(num,den);Gss=ss(Gtf)Gtf1=tf(Gss)a =x1 x2 x3 x4x1 -5 -0.875 -0.04688 0x2 8 0 0 0x3 0 8 0 0x4 0 0 8 0b =u1x1 0.0625x2 0x3 0x4 0c =x1 x2 x3 x4y1 0 0 0 0.125d =u1y1 0Continuous-time model.Transfer function:4-------------------------s^4 + 5 s^3 + 7 s^2 + 3 s(B)1)>> z=[-2 -4 ];p=[-1 -3];k=1;G=zpk(z,p,k)Zero/pole/gain:(s+2) (s+4)-----------(s+1) (s+3)2)>> %ex14z=[-2 -4];p=[-1 -3];k=1;Gzpk=zpk(z,p,k) Gss=ss(Gzpk)Gtf1=tf(Gss)Zero/pole/gain:(s+2) (s+4)-----------(s+1) (s+3)a =x1 x2x1 -1 1x2 0 -3b =u1x1 1x2 1c =x1 x2y1 1 1d =u1y1 1Continuous-time model.Transfer function:s^2 + 6 s + 8-------------s^2 + 4 s + 3>>2(A)1)>> A=[0 1;-5 -6];B=[0 1]';C=[1 1];G=ss(A,B,C,0) Geig=eig(G)Gzpk=zpk(G)Gtf=tf(G)a =x1 x2x1 0 1x2 -5 -6b =u1x1 0x2 1c =x1 x2y1 1 1d =u1y1 0Continuous-time model.Geig =-1-5Zero/pole/gain:(s+1)-----------(s+1) (s+5)Transfer function:s + 1-------------s^2 + 6 s + 52)>> A=[0 1;-5 -6];B=[0 1]';C=[1 1];G=ss(A,B,C,0); G1=canon(G,'modal') Geig=eig(G1)Gzpk=zpk(G1)Gtf=tf(G1)a =x1 x2x1 -1 0。

现代控制理论基础实验报告

现代控制理论基础实验报告专业：年级：姓名：学号：提交日期:实验一系统能控性与能观性分析1、实验目的：1. 通过本实验加深对系统状态的能控性和能观性的理解；2. 验证实验结果所得系统能控能观的条件与由它们的判据求得的结果完全一致。

2、实验内容：1•线性系统能控性实验 2.线性系统能观性实验。

3、实验原理:系统的能控性是指输入信号u 对各状态变量x 的控制能力。

如果对于系统任意的初始状态，可以找到一个容许的输入量，在有限的时间内把系统所有的状态变量转移到状态空间的坐标原点。

则称系统是能控的。

系统的能观性是指由系统的输出量确定系统所有初始状态的能力。

如果在有限的时间内，根据系统的输出能唯一地确定系统的初始状态，则称系统能观。

(10-1)i Ly=U c =[01]U c由上式可简写为x Ax bU y cxR 3对于图10-1所示的电路系统，设i L 和u c 分别为系统的两个状态变量，如果电桥中旦R 2 &则输入电压U 能控制i L 和U c 状态变量的变化，此时，状态是能控的；状态变量i L 与U c 有耦合关系, 输出U c 中含有i L 的信息，因此对U c 的检测能确定i L 。

即系统能观的。

R 1 R 3反之，当」时， R 2 R 4变i L 的大小，故系统不能控；即系统不能观。

Ri R 31.1当13时R 2 R 4电桥中的由于输出R 31( R 1R 2 L (R , R 2R 3 R 4R3R4R 2c 点和d 点的电位始终相等，U c 不受输入U 的控制，u 只能改U c 和状态变量i L 没有耦合关系,故 U c 的检测不能确定i L ,丄(亠亠)C R R 2R 3 R 41 ( R 1R2 L (R R 2R 3 R 4R3R4I L U C(10-2)I LR 2R 1 R 2 i L式中X U C1 (L R 1 R 21 R2 ( —— C R 1 R 2 R3 R 4)R3 R 4R 3 R 4R 1 R 2 1 (L R 1 R 21 1 -( CR 1R 2R3 R 4) R 4 1 )R 3 R 4[0 1]由系统能控能观性判据得 ran k[b Ab] =2c rank cA 故系统既能控又能观。

现代理论控制实验3

由Uc=ctrb(a,b);rank(Uc)得
ans =3，所以系统是能控的
由Vo=obsv(a,c);rank(Vo)得
ans =3，所以系统是能观的
(2)
a.
选取K=[0 3 0] 为状态反馈矩阵，解得闭环ห้องสมุดไป่ตู้统的零点、极点和传递函数如下
由a=[-3 0 0;0 2 0;0 0 -1];b=[1 1 1]';k=[0 3 0];a1=a+b*k得
三、实验过程及结果
1. 已知系统
（1）求解系统的零点、极点和传递函数，并判断系统的能控性和能观测性。
（2）分别选取K=[0 3 0]，K=[1 3 2]，K=[0 16 /3–1/3]为状态反馈矩阵，求解闭环系统的零点、极点和传递函数，判断闭环系统的能控性和能观测性。它们是否发生改变?为什么？
（3）任选三个输出反馈矩阵，求解闭环系统的零点、极点和传递函数，并判断系统的能控性和能观测性。它们是否发生改变? 为什么？
[xo,x,t]=simobsv(g1,l);plot(t,x,'-k',t,xo,':r')
观测器观测到的状态如下
其中l=
(4)
三、实验结果
1(1)
系统的零点、极点和传递函数如下
由a=[-3 0 0;0 2 0;0 0 -1];b=[1 1 1]';c=[0.4 0.2667 0.3333];g1=ss(a,b,c,0)；g1=tf(g1)得
g1=
由g1=zpk(g1)得
系统的零点为1,-2;系统的极点为-3，-1，2
系统的能控性和能观性判断如下
ans =3，所以系统是能控的
由Vo=obsv(a,c);rank(Vo)得

《现代控制理论》实验报告

.现代控制理论实验报告组员：院系：信息工程学院专业：指导老师：年月日实验1 系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换[实验要求]应用MATLAB 对系统仿照[例1.2]编程，求系统的A 、B 、C 、阵；然后再仿照[例1.3]进行验证。

并写出实验报告。

[实验目的]1、学习多变量系统状态空间表达式的建立方法、了解系统状态空间表达式与传递函数相互转换的方法；2、通过编程、上机调试，掌握多变量系统状态空间表达式与传递函数相互转换方法。

[实验内容]1 设系统的模型如式(1.1)示。

p m n R y R u R x DCx y Bu Ax x ∈∈∈⎩⎨⎧+=+= (1.1)其中A 为n ×n 维系数矩阵、B 为n ×m 维输入矩阵 C 为p ×n 维输出矩阵，D 为传递阵，一般情况下为0，只有n 和m 维数相同时，D=1。

系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式(1.2)示。

D B A SI C s den s num s G +-==-1)()()(()( (1.2)式(1.2)中，)(s num 表示传递函数阵的分子阵，其维数是p ×m ；)(s den 表示传递函数阵的按s 降幂排列的分母。

2 实验步骤① 根据所给系统的传递函数或（A 、B 、C 阵），依据系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式(1.2)，采用MATLA 的file.m 编程。

注意：ss2tf 和tf2ss 是互为逆转换的指令；② 在MATLA 界面下调试程序，并检查是否运行正确。

③ [1.1] 已知SISO 系统的状态空间表达式为(1.3)，求系统的传递函数。

,2010050010000100001043214321u x x x x x x x x ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡ []⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=43210001x x x x y (1.3)程序:A=[0 1 0 0;0 0 -1 0;0 0 0 1;0 0 5 0]; B=[0;1;0;-2]; C=[1 0 0 0]; D=0;[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,1)程序运行结果:num =0 -0.0000 1.0000 -0.0000 -3.0000 den =1.0000 0 -5.0000 0 0从程序运行结果得到:系统的传递函数为:24253)(ss s S G --= ④ [1.2] 从系统的传递函数式求状态空间表达式。

现代控制理论课程设计实验报告

现代控制理论课程设计实验报告现代控制理论课程设计系别机电⼯程系专业⾃动化⼀、题⽬：⼆、技术指标：三、设计内容第1章线性系统状态空间表达式建⽴1-1由开环系统的传递函数结构图建⽴系统的状态结构图。

1-2由状态结构图写出状态空间表达式。

第2章理论分析计算系统的性能2-1稳定性分析⽅法与结论。

2-2能控性与能观测性分析⽅法与结论。

第3章闭环系统的极点配置3-1极点配置与动态质量指标关系。

3-2极点配置的结果（闭环特征多项式）。

第4章由状态反馈实现极点配置4-1通过状态反馈可任意配置极点的条件。

4-2状态反馈增益阵的计算。

第5章⽤MATLAB编程研究状态空间表达式描述的线性系统5-1由传递函数结构图建⽴状态空间表达式。

5-2由状态空间表达式分析稳定性、能控性、能观测性。

5-3根据极点配置要求，确定反馈增益阵。

5-4求闭环系统阶跃响应特性，并检验质量指标。

第6章⽤模拟电路实现三阶线性系统6-1系统模拟电路图。

6-2各运算放⼤电路的电阻、电容值的确定。

6-3模拟实验结果及参数的修改。

课程设计⼩结1、收获。

2、经验教训与建议。

⼀、⽬的要求⽬的：1、通过课程设计,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、掌握对线性系统能进⾏任意极点配置来表达动态质量要求的条件，并运⽤状态反馈设计⽅法来计算反馈增益矩阵和⽤模拟电路来实现。

达到理论联系实际，提⾼动⼿能⼒。

要求：1、在思想上重视课程设计，集中精⼒，全⾝⼼投⼊，按时完成个阶段设计任务。

2、重视理论计算和MATLAB 编程计算，提⾼计算机编程计算能⼒。

3、认真写课程设计报告，总结经验教训。

⼆、设计题⽬及技术指标题⽬：⽤现代控制理论中状态反馈设计三阶线性控制系统技术指标：1、已知线性控制系统开环传递函数为：0G 012K (s)=s(Ts+1)(T s+1)，其中T1= 0.1 秒，T2=1.0秒，K 0=1结构图如图所⽰：2、质量指标要求：% =4.32% ，p t =1秒，ss e =0 ，ssv e = 0.1三、设计报告正⽂第1章线性系统状态空间表达式建⽴1-1由开环系统的传递函数结构图建⽴系统的状态结构图由系统结构图可得变换后的系统结构图如下：1-2由状态结构图写出状态空间表达式。

现控实验报告

电气与控制工程学院中北大学电气与控制工程学院实验报告《现代控制理论专题实验》学号：姓名：专业：自动化指导老师：温杰成绩：中北大学电气与控制工程学院控制科学与工程学科管理部实验一旋转倒立摆线性模型及非线性模型的建模与分析成绩：一、实验目的：1.旋转倒立摆线性模型建模与分析。

2.旋转倒立摆非线性模型建模与分析。

3.线性模型与非线性模型对比。

二、实验要求：1.了解旋转倒立摆的工作原理。

2.熟悉Simulink基础。

三、实验原理与背景：旋转倒立摆由连接的臂和摆组成，其结构如图1.1所示。

臂转过角度θ，带动摆旋转角度α，即臂的旋转角速度为θ’，相应的摆的旋转角速度为α’。

臂的长度为r摆的几何点设为B,其到A点的长度为l。

旋转倒立摆的数学模型可以通过两种方法得到：1、牛顿法，即分析摆的受力并借助牛顿第二定律以及分析旋转运动时应用欧拉公式。

2、拉格朗日法，即通过计算摆的动能和势能，然后使用拉格朗日公式。

旋转倒立摆的非线性模型为：四、实验内容：1、系统建模根据表1.1中的参数，建立倒立摆的线性模型和非线性模型，分别计算a、b、c、d、E、G，然后再计算A、B、C、D矩阵来得到系统的状态空间表达式。

计算A、B、C、D2、线性系统可控性.根据第1步中建立的线性系统数学模型，使用系数矩阵和输入矩阵建立能控矩阵Uc=[B AB A² B A³B]，判断线性系统的能控性。

因为rank(Uc)=4=n，所以系统可控。

3、线性系统的阶跃响应。

（输入为阶跃信号，在0.5s由0变成1）波形结果：4、非线性系统和线性系统的对比。

构建子系统模型如下：主系统模型如下：A、将线性系统和非线性系统的初始条件α,θ,α’,θ’均设为0，输入为阶跃信号，观察4个输出的差异。

B、将线性系统和非线性系统的初始条件设为：θ’=0.1，α,θ,α’均设为0，输入为零，观察4个输出的差异。

C、将线性系统和非线性系统的初始条件设为：α’=0.1，α,θ,θ’均设为0，输入为零，观察4个输出的差异。

现代控制理论实验报告

现代控制理论实验指导书实验一：线性系统状态空间分析1、模型转换图1、模型转换示意图及所用命令传递函数一般形式：)()(1111110nmasasasabsbsbsbsGnnnnmmmm≤++++++++=----MATLAB表示为：G=tf(num,den)，其中num,den分别是上式中分子，分母系数矩阵。

零极点形式：∏∏==--=nijmiipszsKsG11)()()(MATLAB表示为：G=zpk(Z,P,K)，其中Z，P，K分别表示上式中的零点矩阵，极点矩阵和增益。

传递函数向状态空间转换：[A,B,C,D] = TF2SS(NUM,DEN)；状态空间转换向传递函数：[NUM,DEN] = SS2TF(A,B,C,D,iu)---iu表示对系统的第iu个输入量求传递函数；对单输入iu为1;验证教材P438页的例9-6。

求P512的9-6题的状态空间描述。

>> A=[0 1;0 -2];>> B=[1 0;0 1];>> C=[1 0;0 1];>> D=[0 0;0 0];>> [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,1)NUM =0 1 20 0 0DEN =1 2 0>> [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,2)NUM =0 0 10 1 0DEN =1 2 0给出的结果是正确的，是没有约分过的形式P512 9-6>> [A,B,C,D]=tf2ss([1 6 8],[1 4 3])A =-4 -31 0B =1C =2 5D =12、状态方程求解单位阶跃输入作用下的状态响应：G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=step(G);plot(t,x).零输入响应[y,t,x]=initial(G,x0)其中，x0为状态初值。

验证P435的例9-4，P437的例9-5。

9-4A=[0 1;-2 -3];B=[0;0];C=[0 0];D=[0];G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=initial(G,[1;2]);plot(t,x)（设初始状态为[1 ;2]）零输入响应00.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6 1.82-1-0.50.511.529-5零输入响应A=[0 1;-2 -3];B=[0;1];C=[0 0];D=[0];G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=initial(G,[1;2]);plot(t,x)00.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6 1.82-1-0.50.511.52零状态响应，阶跃信号激励下>> A=[0 1;-2 -3];B=[0;1];C=[0 0];D=[0];>> G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=step(G);plot(t,x)00.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6 1.8200.050.10.150.20.250.30.350.4总响应>> A=[0 1;-2 -3];B=[0;1];C=[0 0];D=[0];G=ss(A,B,C,D);[y1,t1,x1]=step(G);[y2,t2,x2]=initial(G,[1;2]);>> x=x1+x2;>> plot(t1,x)00.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6 1.82-0.500.511.523、系统可控性和可观测性可控性判断：首先求可控性矩阵：co=ctrb(A ，B)。

现代控制实验4

现代控制理论实验报告(四)实验四系统设计：状态观测器的设计一、实验目的1．了解和掌握状态观测器的基本特点。

2．设计状态完全可观测器。

二、实验要求设计一个状态观测器。

三、实验设备1．计算机1台2． MATLAB6.X 软件1套四、实验原理说明设系统的模型如式(3－1)示。

pmnR y Ru Rx DCx y Bu Ax x ∈∈∈⎩⎨⎧+=+= (3－1)系统状态观测器包括全阶观测器和降阶观测器。

设计全阶状态观测器的条件是系统状态完全能观。

全阶状态观测器的方程为：Bu y K z C K A zz z ++-=)( (3－2) 五、实验步骤1．在MA TLA 界面下调试[例3.1]程序，并检查是否运行正确。

[例3.1]：⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=1210A ， ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=10B ， []01=C (3－3)首先验证系统是状态完全能观的，设状态观测器的增益阵为K z =[k1 k2]T根据题义编程: A=[0 1;-2 -1]; B=[0;1];C=[1 0]; D=0;[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,1); %求出原系统特征多相式 denf=[1 6 9]; %希望的极点的特征多相式 k1=den(:,2)-denf(:,2) %计算k1=d1-a1 k2=den(:,3)-denf(:,3) %计算k2=d2-a2程序运行结果:k1 =-5 k2 =-7所以，状态观测器的增益阵为K z =[k1 k2]T =[-5 –7]T 。

则状态观测器的方程为u y z z Bu y K z C K A zz z ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=++-=10751375)(21六、实验要求已知系数阵A 、B 、和C 阵分别如式(3－4)示,设计全阶状态观测器，要求状态观测器的极点为[-1 -2 -3]上⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=234100010A ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=631B []001=C (3－4)设计全阶状态观测器，要求状态观测器的极点为[-1 -2 -3]。

现代控制理论课程设计实验报告

现代控制理论课程设计目录第1章线性系统状态空间表达式建立1.1由开环系统的传递函数结构图建立系统的状态结构图1.2由状态结构图写出状态空间表达式第2章理论分析计算系统的性能2.1稳定性分析方法与结论2.2能控性与能观测性分析方法与结论第3章闭环系统的极点配置3.1极点配置与动态质量指标关系3.2极点配置的结果（闭环特征多项式）第4章由状态反馈实现极点配置4.1通过状态反馈可任意配置极点的条件4.2状态反馈增益阵的计算第5章用MATLAB编程研究状态空间表达式描述的线性系统5.1由传递函数结构图建立状态空间表达式5.2由状态空间表达式分析稳定性、能控性、能观测性5.3根据极点配置要求，确定反馈增益阵5.4求闭环系统阶跃响应特性，并检验质量指标课程设计小结第1章线性系统状态空间表达式建立1.1由开环系统的传递函数结构图建立系统的状态结构图由已知条件得线性控制系统开环传递函数结构图如图所示：系统开环传递函数结构框图图1-1已知线性控制系统开环传递函数为G 012K (s)=s(T s+1)(T s+1)，根据系统对具体参数的要求（见表1-1），可得系统参数如下：K0=1,T1=0.4S,T2=3.3S ，则系统的开环传递函数如下为：1G (s)=s(0.4s+1)(3.3s+1)320.758G 2.7560.758s s ++(s)=系统参数要求表1-1由系统的结构框图1-1经过变换得到系统的结构图如下1-2:系统结构图图1-21.2由状态结构图写出状态空间表达式根据系统的状态结构图得：()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧==-=-=-=-==3303232232121121.300.31 2.52.51x x k y x x x x T x x x x x T x u x 系统的状态空间方程和输出方程如下：⎩⎨⎧+=+=D Cx y B Ax x 其中A,B,C,D 矩阵分别为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=0.3-.30002.5-2.5000A ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=001B []100=C0=D第2章理论分析计算系统的性能2.1稳定性分析方法与结论稳定性是控制系统能否正常工作的前提条件:系统的稳定性与系统的结构和参数有关，与外界初始条件无关，与外界扰动大小无关；非线性系统的稳定性与系统的结构和参数有关，与外界初始条件有关，与外界扰动大小有关。

现代控制理论实验报告

现代控制理论实验报告实验三典型非线性环节实验目的1.了解和掌握典型非线性环节的原理。

2.用相平面法观察和分析典型非线性环节的输出特性。

实验原理及说明实验以运算放大器为基本元件，在输入端和反馈网络中设置相应元件（稳压管、二极管、电阻和电容）组成各种典型非线性的模拟电路。

实验内容3.1测量继电特性（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V~+5V输入信号（Ui）：B1单元中的电位器左边K3开关拨上（-5V），右边K4开关也拨上（+5V）。

（2）模拟电路产生的继电特性：继电特性模拟电路见图慢慢调节输入电压，观测并记录示波器上的U0~U i图形。

函数发生器产生的继电特性①函数发生器的波形选择为‘继电’，调节“设定电位器1”，使数码管右显示继电限幅值为3.7V。

U0~U i图形。

实验结果与理想继电特性相符3.2测量饱和特性将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为系统的-5V~+5V输入信号（Ui）：（2）模拟电路产生的饱和特性：饱和特性模拟电路见图3-4-6。

慢慢调节输入电压观测并记录示波器上的U0~U i图形。

如下所示：函数发生器产生的饱和特性①函数发生器的波形选择为‘饱和’特性；调节“设定电位器1”，使数码管左显示斜率为2；调节“设定电位器2”，使数码管右显示限幅值为3.7V。

慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~U i图形。

波形如下：3.3测量死区特性模拟电路产生的死区特性慢慢调节输入电压，观测并记录示波器上的U0~U i图形。

如下所示：观察函数发生器产生的死区特性：观察时要用虚拟示波器中的X-Y选项慢慢调节输入电压（即调节信号发生器B1单元的电位器，调节范围-5V~+5V），观测并记录示波器上的U0~U i图形。

波形如下图所示：3.4测量间隙特性模拟电路产生的间隙特性间隙特性的模拟电路见图3-4-8。

现代控制系统实验报告

《现代控制理论实验报告》名称：电机调速控制系统实验班级：09自动化（兴）学号：姓名：2011年12月8日现代控制理论基础实验题目电动机速度控制系统如下图虚线框部分所示，设计状态反馈控制器K ，使得系统跟踪单位阶跃指令时无静态误差，超调量s t s 1%,5%<≤σ。

要求写出详细的设计步骤，给出仿真设计系统原理框图，给出仿真的输出波形图和误差波形图。

此次实验报告作为平时成绩，要求独立完成设计，发现完全照抄的实验报告，将同时记0分。

实验报告给出电子版一份发到QQ 邮箱，同时提交一份纸质签名报告。

图一现代控制理论基础仿真实验系统图二现代控制理论基础仿真实验系统（简化）>> A??? Undefined function or variable 'A'. >> A=[-20 0 0;-2 -2 -1;0 0.1 0]A =-20.0000 0 0-2.0000 -2.0000 -1.00000 0.1000 0 >> B=[6;0.8;0]B =6.00000.8000>> K1=[2557.5 633.7 51.5]K1 =1.0e+003 *2.5575 0.6337 0.0515>> Q1=[B A*B A*A*B]Q1 =1.0e+003 *0.0060 -0.1200 2.40000.0008 -0.0136 0.26710 0.0001 -0.0014 >> Q2=[1 0 0;22 1 0;40.1 22 1]Q2 =1.0000 0 022.0000 1.0000 040.1000 22.0000 1.0000 >> P=[Q1*Q2]P =1.0e+004 *9.3606 5.2680 0.24001.0413 0.5863 0.0267-0.0053 -0.0030 -0.0001 >> P987=inv(P)P987 =1.0e+004 *-0.0000 0.0005 0.01010.0011 -0.0111 -0.2167-0.0224 0.2236 4.3630>> K0=[K*P987]??? Undefined function or variable 'K'. >> K0=[K1*P987]K0 =1.0e+006 *-0.0058 0.0577 1.1319u x x ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----=08.0601.001220020.⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎡---=01.0120020A ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=08.06B[]x y 100=[]100=C（2）求解期望极点题目要求 t<1s %5%=σ由公式)02.0(4%100)1/(exp %2=∆≈⨯--=ns t ξωξπξσ可得 35.6707.0==n ωξ主导期望极点1s 、2s j 49.449.4±-=（5）实验总结及心得基于两个学期自控控制的学习，理论知识基本掌握，而经过这次试验，更进一步的对课本知识有了了解，能够会用matlab 的一些功能，感到了matlab 功能的强大。