现代控制理论讲义(6.4-6.5)

6－4 用变分法求连续系统最优控制

上面介绍了泛函的宗量函数X(t)没有约束的条件下其泛函的极值问题。但在实际应用工程中，宗量函数总是在受到某些约束的，如一个控制系统中，其状态函数总是受系统内部结构参数的制约，总是按照系统的状态方程变化的。

回顾6－2节介绍的系统最优控制问题的描述，其实那是一个在系统状态方程约束下的，具有一定的端点条件的泛函极值问题，在这里，我们先假设控制函数u（t）不受限制。u（t）受限制的情况我们将在6－4节的最大值原理中介绍。

设控制系统的状态方程为：

…………………………………………………………………… (6-38)

其中:X(t)为n×1维状态矢量，U(t)为r×1维输入矢量，f为n×1维函数矢量。

假设系统状态始端固定，终端自由，即：

，自由………………………………………………………………（6-39）系统性能泛函为：

………………………………………………………………… (6-40) 试求系统的最优控制U*(t) 及其最优状态轨迹X*(t) ，使上述性能泛函取极值。

这是一个带有约束条件的泛函极值问题。我们采用增元法（拉格朗日乘子法）求解。将（6－38）式的状态方程写成：

…………………………………………………………………… (6-41)

并引入拉格朗日乘子λ＝(λ1，λ2···λn)T，构造下列增广泛函：

…………………………………（6-42）（6－42）式中，λ称之为伴随矢量或协态矢量，是为了将原来的有约束的泛函极值问题转化为无约束泛函极值问题所引进的新的宗量函数。因此，（6－42）所示泛函极值的必要条件是满足多元欧拉方程（组）：

……………………………………………………………………(6-43)

其中……………………………… (6-44)

我们再定义哈密顿函数：

……………………………………………（6-45）

则……………………………………………… (6-46)

代入（6－43）式，得（6－42）式泛函的欧拉方程组为：

………………………………………………………………………（6－47）

………………………………………………………………………（6－48）

………………………………………………………………………（6－49）

（6－47）式称为系统的伴随方程或协态方程；（6－48）实际上就是系统的状态方程，因为；

（6－49）式称为系统的控制方程。而（6－47）与（6－48）合称为系统的正则方程。

对泛函（6－42），其边界条件为：

始端为固定端：……………………………………………………（6-50）

终端为自由端：，即：

……………………………………………………………………（6-51）

实际上，由（6－47）～（6－51）式联合求出的满足（6－42）式所示增广泛函J′的极值的解，同样能使原泛函J达到极值。因为将（6－48）式的状态方程代入J′中，增广泛函J′就等价于泛函J。

所以由（6－38）（6－39）（6－40）定义的系统最优控制问题，通过（6－47）～（6－51）方程组即可联合解出其最优控制及其最优状态轨迹。

【例6－3】有一转动系统，其方块图如图6－7所示，在力矩u(t)作用下，将系统由初始状态

开始，在2秒钟内使系统静止在原位，即，求使能耗最小的控制u(t)。

解：取状态变量

由方块图可知系统的状态方程为：

①，②

端点条件为：③，引入协态矢量：④

定义哈密顿函数：⑤

则协态方程为：⑥，⑦

状态方程为：⑧，⑨，控制方程为：⑩，⑥～⑩式联解，得：

⑾，四个待定系数由系统边界条件求得：

所以，最优控制，最优状态轨迹为：，最小能耗：。

图6－8所示为系统的最优控制曲线及其最优状态轨迹。其中虚线与点划线所围的面积就是系统的泛函值。

图6－8 最优控制曲线及其最优状态轨迹线

【例6－4】在例6－3中其它不变，只是终端条件改为自由。

解：上例中的⑾式结果不变，但其四个待定系数由下列关系确定：

；；＝0

⑿；⒀；由式⑿⒀得：，所以：

图6－9所示为系统的最优控制曲线及其最优状态轨迹。其中虚线与点划线所围的面积就是系统的泛函值（能耗值）。与图6－8比较可知，这种情况系统的能耗要少得多。也即当自由时的系统能耗，比回

零所需能耗少。这与实际的工程情况是一致的，因为我们不要求系统转速一定回到零，所以减少了一些能耗。

上面我们介绍的是系统性能指标是积分型（拉格朗日型），系统端点条件为固定型或自由型的系统最优控制问题，该类型最优控制问题又称作拉格朗日最优控制问题。下面我们简单介绍一下较为复杂的最优控制问题波尔扎最优控制问题。

设系统状态方程为：

……………………………………………………………………（6-52）其初始态固定，即：…………………………………………………………(6-53)

终端状态满足：…………………………………………………………（6-54）

其中N为q维函数，都可变。

系统性能泛函为：

…………………………………………………（6-55）

求使系统从固定端转移到可变端，并使泛函J取极值的最优控制。

图6－9 最优控制曲线及其最优状态轨迹线

这个问题中，同状态方程约束处理一样，我们也引入拉格朗日乘子μ而将（6－54）所示的终端约束纳入到一个新的增广泛函中，即

………………………………………（6-56）

其中为哈密顿函数。

不加推导，我们给出波尔扎最优控制满足的条件：

……………（6-57）

不妨设，而且（6－54）所示终端约束方程只有一个，即q＝1，另外系统为单输入。因此将（6－57）写成分量形式为：

……………………………………（6-58）

由上式，即可求出波尔扎最优控制问题的解。

【例6－5】控制系统状态方程

①，边界条件为待定。求性能泛函

取极值的最优控制，及其系统的最优轨迹。

解：

，所以，哈密顿函数

控制方程：，即②；协态方程：③；④

由①～④解得：

⑤；由始端条件得：⑥；由，得：

⑦；⑧

⑨

由⑧及⑤中可知，⑩；所以⑤变成：

又：，即：⑾

⑿；结合⑦式可知：所以：。

6－5 最小值原理和时间最短控制

前面介绍的最优控制问题中，控制函数u(t)都假定是没有约束的，所以根据变分法可以得到拉格朗日最优

控制问题和波尔扎最优控制问题中，最优控制应满足控制方程。但在实际应用工程中，控制函数u(t)通常要受到某些约束的，如控制元件会饱和，驱动电机的力矩不可能无穷大，…，等等。在这种情况下，最优

控制函数就不可能满足控制方程。我们需要采用由前苏联的科学家庞特里亚金于1956年提出的最大（最小）值原理（Minimum Principle）求解。

设控制系统的状态方程为：

……………………………………………………………………(6-59)

其中:X(t)为n×1维状态矢量；u(t)为r×1维输入矢量，并且它的允许取值范围为U；f为n×1维函数矢量。

假设系统状态始端固定，终端自由，即：

，自由。…………………………………………………………………（6-60）系统性能泛函为：

…………………………………………………………………(6-61) 试求系统的最优控制u*(t)，使上述性能泛函取极值。

这是一个在上节所介绍的拉格朗日最优控制问题的基础上对控制函数的取值进行了限制的最优控制问题。这种情况的最优化过程求解很复杂，需要很多数学知识，我们这里不作详细推导，读者有兴趣可参阅有关文献，如“谢绪恺，现代控制理论基础，1981”。针对上述最优控制问题，有最小值原理如下：定义哈密顿函数：

那么最优控制u*(t)必然使哈密顿函数取得最小值，即：

………………………………（6－62）而且满足下列正则方程：

………………………………………………………………………………（6－63）

…………………………………………………………………………………（6－64）

边界条件为：

始端为固定端：………………………………………………………………（6-65）

终端为自由端：…………………………………………………………（6-66）所以由（6－59）（6－60）（6－61）定义的系统最优控制问题，通过（6－62）～（6－66）方程组即可解出其最优控制及其最优状态轨迹。

【例6－6】有一转动系统，其方块图如图6－10所示，在电机力矩u(t)作用下，将系统由初始状态

开始，在T秒钟内使系统静止在原点，即，求最短时间T。其中力矩的约束条件为：|u(t)|≤1。

解：这是一个时间最优控制问题。

取状态变量：

由方块图可知系统的状态方程为：…………………………………………………………①

性能泛函为：

……………………………………………②

端点条件为：

…………………………………………………………③

引入协态矢量：………………………………………………………………④

定义哈密顿函数：………………………………⑤

根据最小值原理，控制函数满足：

………………………………………⑥即：………………………………………⑦

协态方程为：……………………………………………⑧

⑨

由⑨可知，λ2(t)是时间的线性函数，所以在整个控制运行过程中，λ2(t)的符号最多只能改变一次。根据⑦式可知，系统最优控制u(t)也最多只能切换一次，也可能不发生切换。具体要不要发生切换？在什么条件、什么时间发生切换？这些问题需要根据系统的初始状态进行进一步分析。

假如u(t)=1，根据系统状态方程①可得：

………………………………………………………………⑾

消去中间变量t，得状态轨迹方程：

………………………………………………………………………⑿

其中，，它是以为参变量的开口朝右的一组抛物线，如图6－11实线所示。

从⑾式可知x2(t)随时间推移而增大，所以图6－11中的轨迹线是从下往上运动的。

同样假如u(t)=－1，根据系统状态方程①可得：

………………………………………………………………………⒀消去中间变量t，得状态轨迹方程：

，其中，，它也是以为参变量的，但开口朝左的一组抛物

线，如图6－11中虚线所示。从⒀式可知x2(t)随时间推移而减少，所以图6－11中的虚线轨迹线是从上往下运动的。

图6－11 状态轨迹图

从图6－11中可看出，无数条状态轨迹线中，只有两半支轨迹线可以最终将系统状态转移到状态零点，它

们是状态平面第Ⅳ象限内的S+线和第Ⅱ象限内的S-线。其中S+线上的状态通过u*(t)=+1的控制可以直接转移到零点，而S-线上的状态通过u*(t)=-1的控制可直接转移到零点。我们将由S- S+组成的反S形的曲线称作系统的开关曲线S。之所以称之为开关曲线，是因为所有其它不在开关线上的状态，如果要转移到零点，就必须先转移到开关线S上，并在此进行控制信号切换，然后沿S-或S+回到零点。

从图6－11可知，开关线S将系统的整个状态相平面分成上下两部分，我们记上面部分为R－,下面部分为R+。当系统初始状态处在R－时，如图中A点所示，那么它必须先在u*(t)=-1的控制作用下沿自上而下的轨迹

转移到开关线S＋，然后在u*(t)=＋1的控制作用下沿从下而上的轨迹转移到零点。反之，假如系统初始状态处在R+时，如图中B点所示，那么它必须先在u*(t)=+1的控制作用下沿从下而上的轨迹转移到开关线

S-，然后在u*(t)=-1的控制作用下沿自上而下的轨迹转移到零点。

用数学化的形式将上述有关最优控制规律的内容描述如下：

当系统初始状态处于S＋上时，即时，最优控制为：u*(t)=＋1。其中最短时间T min可以从⑾式所示的状态分量x2(t)的方程＝0求得，即：T min=－x20类似地，当系统初始状态处于S－上时，即时，最优控制为：u*(t)=－1。其中最短时间T min可以从⒀式所示的状态分量x2(t)的方程＝0求得，即: T min=x20

实际上，开关曲线S可以合写成，而最优控制为：

u*(t)=－sign(x2(t)) ………………………………………………………………………⒁

最短时间为：

T min=ABS(x20) …………………………………………………………………………………⒂

当系统初始状态处于R－上时，即时，最优控制为：u*(t)={－1，＋1}，其中从－1切换到＋1的时间为系统从初始位置A到开关线上P+点的时间，记t P+。为此我们先求出P+位置的状态值X p+。

X p+的状态可以由下面两式求得：

所以：

系统从初始点A到P＋点的时间t P＋可以由求得，即：

系统从P＋点沿S＋线在＋1的控制下回到零点的时间为：

所以处于R－内的A点回到零点的最短时间为：

……………………………………⒃

当系统初始状态处于R+上时，即时，最优控制为：u*(t)={+1，-1},其中从+1切换到-1的时间为系统从初始位置B到开关线上P-点的时间，记t P-。同上面求解过程类似，我们可以得

到：，

……………………………………………⒄

综合上述分析结果，我们知道系统的最优控制律可以写成系统状态的函数，即：

………………………………………………⒅而最短时间为初始状态的函数，即：

…………………………………………⒆⒅式所示的本系统的最短时间控制规律可以在MATLAB中通过如图6－12所示控制结构图实现模拟运行。最优控制是个状态反馈控制，系统的初始状态值可以通过积分器1和2的初值设定。

假如初始状态设定为（1，1）T，通过模拟运行可得各点的信号输出。下面各图为系统中相关点的信号的结果曲线。从图中可知，控制切换时间大约2.22秒，最终时间为3.45秒。因为h(1，1)＝1.5>0，所以根据⒃式可以求出同样的结果：即从0到2.22秒系统在－1的控制下到达开关线，然后从2.22秒到3.45秒在＋1的控制下回到零点。

图6－12 在MATLAB中建立的系统工程结构图

(a) 最优状态轨迹线（横向为x1，纵向为x2）（b）x1*(t)随时间的变化曲线

《自动控制理论》讲稿(完整版)

《自动控制理论》讲稿

自动控制原理是自动化类专业基础课，是自动控制技术的基础，是研究自动控制共同规律的技术科学。 自动控制理论可分为自动控制原理（经典控制理论）和现代控制理论。开始主要用于研究工程技术领域的自动控制问题，现已将其应用范围扩展工程领域，如应用到经济学、生物医学、社会学、生产管理等领域。自动控制理论已成为普遍使用的基础理论。 我们本学期介绍的自动控制原理是自动控制技术基础的基础，计划授课85学时，其中10学时用于实验。 参考书： 《自动控制原理》，天大、技师、理工合编，天津大学出版社; 《自动控理论》，两航一校合编，国防工业出版社; 《现代控制工程》，（日），绪方胜彦，科出版社; 《自动控制系统》，（美），本杰明，水利电力出版社; 《线性系统理论》 《反馈控制理论》 自动控制理论：经典控制理论（自控原理） 现代控制理论 自动控制理论的划分是以控制理论发展的不同阶段人为归纳为： 建立在时域法、频率法和根轨迹法基础上的经典控制理论和建立在状态空间法基础上的现代控制理论。 经典控制理论：主要研究单输入、单输出（SISO）线性定常系统的分析和设计问题。其基本方法是采用描述输入-输出关系的传递函数为基础，包括：时域法、频域法、根轨迹法、相平面法等，工具：乃氏曲线，伯德图，尼氏图，根轨迹等曲线。现代控制理论：主要研究具有多输入-多输出系统（MIMO）、变参数系统的分析和设计问题。基本方法是：采用描述系统内部特征的状态空间的方法，更多的采用计算机作为其工具。 自动控制原理包括下列内容： 第一章：控制理论的基本概念，开、闭环，分类 第二章：数学模型即：描述系统运动状态的数学表达式——微分方程、传递函数、结构图信、号流程图第三章时域分析法：动态性能、静态性能、一二阶系统分析 第四章根轨迹分析法：常规根轨迹、特殊根轨迹 第五章频域分析法：频率特性、频域指标、频域分析 第六章系统综合与校正 第七章非线性系统与分析 第八章采样控制系 学习要求： 1.掌握自动控制系统的一般概念及其组成与分类； 2.掌握控制系统的基本性能要求。 教学内容： §1-1 概述 §1-2 自动控制的基本方式 §1-3 自动控制系统的类型 §1-4 本章小结 §1-5 思考题与习题

现代控制理论课后习题答案

绪论 为了帮助大家在期末复习中能更全面地掌握书中知识点，并且在以后参加考研考博考试直到工作中，为大家提供一个理论参考依据，我们11级自动化二班的同学们在王整风教授的带领下合力编写了这本《现代控制理论习题集》（刘豹第三版），希望大家好好利用这本辅助工具。 根据老师要求，本次任务分组化，责任到个人。我们班整体分为五大组，每组负责整理一章习题，每个人的任务由组长具体分配，一个人大概分1~2道题，每个人任务虽然不算多，但也给同学们提出了要求：1.写清题号，抄题，画图（用CAD或word画）。2.题解详略得当，老师要求的步骤必须写上。3.遇到一题多解，要尽量写出多种方法。 本习题集贯穿全书，为大家展示了控制理论的基础、性质和控制一个动态系统的四个基本步骤，即建模、系统辨识、信号处理、综合控制输入。我们紧贴原课本，强调运用统一、联系的方法分析处理每一道题，将各章节的知识点都有机地整合在一起，力争做到了对控制理论概念阐述明确，给每道题的解析赋予了较强的物理概念及工程背景。在课后题中出现的本章节重难点部分，我们加上了必要的文字和图例说明，让读者感觉每一题都思路清晰，简单明了，由于我们给习题配以多种解法，更有助于发散大家的思维，做到举一反三！

这本书是由11级自动化二班《现代控制理论》授课老师王整风教授全程监管，魏琳琳同学负责分组和发布任务书，由五个小组组组长李卓钰、程俊辉、林玉松、王亚楠、张宝峰负责自己章节的初步审核，然后汇总到胡玉皓同学那里，并由他做最后的总审核工作，绪论是段培龙同学和付博同学共同编写的。 本书耗时两周，在同学的共同努力下完成，是二班大家庭里又一份智慧和努力的结晶，望大家能够合理使用，如发现错误请及时通知，欢迎大家的批评指正！ 2014年6月2日

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 + 2 sys1 = 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 = -3-2 10 B = 1 C = 0 1

第二题：已知某系统的状态空间表达式为： 321 A ,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 01 den = 1 32 （2）能控判别矩阵为： co = 1-3 0 1 能控判别矩阵的秩为： t1 = 2 故系统能控。 （3）能观判别矩阵为： ob = 0 1

现代控制理论考试试卷A

北京航空航天大学 2019－2020 学年 第二学期期末 《现代控制理论》 A卷 班 级______________学 号 _________ 姓 名______________成 绩 _________ 2020年6月22日

班号 学号 姓名 成绩 《现代控制理论》期末考试卷 一、（本题10分）某RLC 电路如题一图所示，其中u 为输入信号、y 为输出信号、i 为流过网络的电流。若令状态x 1=i ，x 2=y ，建立系统的动态方程，并判断系统的可控性和可观测性（所有参数非零）。 题一图 二、（本题10分）系统的动态方程为 010*********???? ????=+????-???????? x x u ， []001=y x 若[](0)001=-T x ，()()δ=u t t （单位脉冲信号），求()x t 和()y t 。 三、（本题15分）已知系统具有如下形式： []111122********* a b x Ax bu a x b u b y cx c c c x l l l éù éùêúêúêúêú=+=+êúêú êúêú???? == (1). 若12=l l ，给出系统可控并且可观测的充分必要条件；若12≠l l ，20=b ，

给出系统可控的充分必要条件（即参数12123123,,,,,,,a a b b b c c c 需满足的条件）； (2). 若11=-l ，11=a ，[][]12123301,1000b b c c c b éùéù êúêú êúêú==êúêúêúêú??? ?，计算系统的传 递函数()G s ，并给出该传递函数的可观标准型最小阶实现。 四、（本题20分）已知系统具有如下形式： []1112212200 n n A A x Ax bu x u A A b y cx c x éùéù êúêú=+=+êúêú????== 其中， 11A 为(1)(1)-?-n n 的方阵，22A 为11?的方阵，12A 为(1)-n 维列向量，21A 为(1)-n 维行向量，n b 和n c 分别为非零实数。 (1). 证明系统既可控又可观测的充分必要条件是：1112(,)A A 可控且1121(,)A A 可观测； (2). 若A 的特征多项式为()p s ，而 110100001000011000 A éù êúêúêúêú=êúêúêú êú?? 求系统的传递函数，并证明若系统既可控又可观测，则有(1)0≠p 。 五、（本题15分）已知系统动态方程如下： 210431x x u éùéù êúêú=+êúêúêúêú???? , 11y x éù=êú?? (1). 判断系统的可控性。若系统可控，将系统化为可控标准型； (2). 是否可以用状态反馈将A bk -的特征值配置到{}2,3--？若可以，求出状态反馈增益阵k 。

现代控制理论实验

华北电力大学 实验报告| | 实验名称状态空间模型分析 课程名称现代控制理论 | | 专业班级：自动化1201 学生姓名：马铭远 学号：2 成绩： 指导教师：刘鑫屏实验日期：4月25日

状态空间模型分析 一、实验目的 1.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、实验仪器与软件 1. MATLAB7.6 环境 三、实验内容 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： 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： 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。

例1：已知系统的传递函数为G（S）= 2 2 3 24 11611 s s s s s ++ +++ ,利用matlab将传递函数 和状态空间相互转换。 解：1.传递函数转换为状态空间模型： NUM=[1 2 4];DEN=[1 11 6 11]; [A,B,C,D] = tf2ss(NUM,DEN) 2.状态空间模型转换为传递函数： A=[-11 -6 -11;1 0 0;0 1 0];B=[1;0;0];C=[1 2 4];D=[0];iu=1; [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,iu); G=tf(NUM,DEN) 2 、状态方程状态解和输出解 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。

现代控制理论1-8三习题库

信息工程学院现代控制理论课程习题清单

3.有电路如图1-28所示。以电压U(t)为输入量，求以电感中的电流和电 容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻 R 2上的电压作为输出 量的输出方程。 4.建立图P12所示系统的状态空间表达式。 M 2 1 f(t) 5.两输入u i ，U 2，两输出y i ，y 的系统，其模拟结构图如图 1-30所示, 练习题 ，输出为，试自选状态变量并列写出其状 2. 有电路如图所示，设输入为 态空间表达式。 C ri _ l- ------- s R 2 U i U ci L u A ------ — 2 R i

试求其状态空间表达式和传递函数阵。 6.系统的结构如图所示。以图中所标记的 x 1、x 2、x 3作为状态变量，推 导其状态空间表达式。 其中，u 、y 分别为系统的输入、 输出，1、 2 试求图中所示的电网络中，以电感 L i 、L 2上的支电流x i 、X 2作为状态 变量的状态空间表达式。这里 u 是恒流源的电流值，输出 y 是R 3上的 支路电压。 8. 已知系统的微分方程 y y 4y 5y 3u ，试列写出状态空间表达式。 9. 已知系统的微分方程 2y 3y u u ， 试列写出状态空间表达式。 10. 已知系统的微分方程 y 2y 3y 5y 5u 7u ，试列写出状态空间 表达式。 7. 3均为标量。

11. 系统的动态特性由下列微分方程描述 y 5 y 7 y 3y u 3u 2u 列写其相应的状态空间表达式，并画出相应的模拟结构图。 12. 已知系统传递函数 W(s) 坐 卫 2 ,试求出系统的约旦标准型 s(s 2)(s 3) 的实现，并画出相应的模拟结构图 13. 给定下列状态空间表达式 X 1 0 1 0 X 1 0 X 2 2 3 0 X 2 1 u X 3 1 1 3 X 3 2 X 1 y 0 0 1 x 2 X 3 (1)画出其模拟结构图；(2)求系统的传递函数 14. 已知下列传递函数，试用直接分解法建立其状态空间表达式，并画出状 态变量图。 15. 列写图所示系统的状态空间表达式。 16. 求下列矩阵的特征矢量 0 1 0 A 3 0 2 12 7 6 17. 将下列状态空间表达式化成约旦标准型(并联分解) (1)g(s ) s 3 s 1 3 2 s 6s 11s 6 ⑵ g(s ) s 2 2s 3 3 c 2 s 2s 3s 1

现代控制理论实验指导书

实验1 用MATLAB 分析状态空间模型 1、实验设备 PC 计算机1台，MATLAB 软件1套。 2、实验目的 ① 学习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，掌握系统状态空间表达式与传递函数相互转换方法。 3、实验原理说明 参考教材P56~59“2.7 用MA TLAB 分析状态空间模型” 4、实验步骤 ① 根据所给系统的传递函数或A 、B 、C 矩阵，依据系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系式，采用MATLAB 编程。 ② 在MA TLAB 界面下调试程序，并检查是否运行正确。 题1.1 已知SISO 系统的传递函数为 243258()2639 s s g s s s s s ++=++++ （1）将其输入到MATLAB 工作空间； （2）获得系统的状态空间模型。 题1.2 已知SISO 系统的状态空间表达式为 112233010100134326x x x x u x x ????????????????=+????????????????----????????，[]123100x y x x ????=?????? （1）将其输入到MATLAB 工作空间； （2）求系统的传递函数。 实验2 利用MATLAB 求解系统的状态方程 1、实验设备 PC 计算机1台，MATLAB 软件1套。 2、实验目的 ① 学习系统齐次、非齐次状态方程求解的方法，计算矩阵指数，求状态响应； ② 通过编程、上机调试，掌握求解系统状态方程的方法，学会绘制状态响应曲线； ③ 掌握利用MATLAB 导出连续状态空间模型的离散化模型的方法。 3、实验原理说明 参考教材P99~101“3.8 利用MATLAB 求解系统的状态方程” 4、实验步骤 （1）根据所给系统的状态方程，依据系统状态方程的解的表达式，采用MA TLAB 编程。 （2）在MATLAB 界面下调试程序，并检查是否运行正确。 题2.1 已知SISO 系统的状态方程为

(完整版)现代控制理论考试卷及答案

西北工业大学考试试题（卷）2008 －2009 学年第2 学期

2009年《现代控制理论》试卷A 评分标准及答案 第一题（10分，每个小题答对1分，答错0分） （1）对 （2）错 （3）对 （4）错 （5）对 （6）对 （7）对 （8）对 （9）对 （10）错 第二题（15分） （1）)(t Φ（7分）：公式正确3分，计算过程及结果正确4分 ? ? ? ???+-+---=-=Φ?? ?? ??????+- +-+- +-+- ++-+=??????-+++=-??? ???+-=------------t t t t t t t t e e e e e e e e A sI L t s s s s s s s s s s s s A sI s s A sI 22221 11 2222}){()(22112 21221112112 213)2)(1(1 )(321 （2） 状态方程有两种解法（8分）：公式正确4分，计算过程及结果正确4分 ??????-+-+-=????? ???????+-+++-+++-++??????+--=??????????? ???????++-++++-=-+-=??????---+-=????? ?+--+??? ???+--=??????-Φ+Φ=------------------------------??t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t e e te e e te s s s s s s L e e e e t x t x s s s s s L x A sI L t x s BU A sI x A sI s X e e t e e t d e e e e e e e e e t x t x d t Bu x t t x 222 21 22212 21111122)(02222210 2344}2414)1(42212)1(4 {2)()(} )2()1(4) 2()1()3(2{)}0(){()() ()()0()()(2)34()14(22222)()()()()0()()(或者 ττ τττττττ 第三题（15分，答案不唯一，这里仅给出可控标准型的结果） （1） 系统动态方程（3分） []x y u x x 0010 1003201 00010=???? ??????+??????????--=&

现代控制理论模拟题资料

《现代控制理论》模拟题（补） 一．判断题 1．状态变量的选取具有非惟一性。 （ √ ） 2．由一个状态空间模型可以确定惟一一个传递函数。 （ √ ） 3．传递函数G (s )的所有极点都是系统矩阵A 的特征值，系统矩阵A 的特征值也一定都是传递函数G (s )的极点。 （ × ） 4．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。 （ × ） 5．对一个系统，只能选取一组状态变量 （ × ） 6．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。（ √ ） 7．传递函数只能给出系统的输出信息；而状态空间表达式不仅给出输出信息，还能够提供系统内部状态信息。 （ √ ） 8．一个系统的平衡状态可能有多个，因此系统的李亚普诺夫稳定性与系统受干扰前所处得平衡位置无关。 （ × ） 9．系统的状态观测器存在的充分必要条件是：系统能观测，或者系统虽然不能观测，但是其不能观测的子系统的特征值具有负实部。 （ √ ） 10．如果线性离散化后系统不能控，则离散化前的连续系统必不能控。 （ × ） 11．一个系统BIBO 稳定，一定是平衡状态0e x =处渐近稳定。 （ × ） 12．状态反馈不改变系统的能控性。 （ √ ） 13．对系统x Ax =，其李亚普诺夫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。 （ √ ） 14．极点配置实际上是系统镇定问题的一个特殊情况。 （ × ） 15．若传递函数存在零极相消，则对应的状态空间模型描述的系统是不能控不能观的。 （ × ） 16．若系统状态完全能控，则对非渐近稳定系统通过引入状态反馈实现渐近稳定，称为镇定问题。 （ √ ） 二．填空题 1．动态系统的状态是一个可以确定该系统 行为 的信息集合。这些信息对于确定系统 未来 的行为是充分且必要的。 2．以所选择的一组状态变量为坐标轴而构成的正交 线性 空间，称之为 状态空间 。 3． 能控性 定义: 线性定常系统的状态方程为()()()x t Ax t Bu t =+,给定系统一个初始状态00()x t x =,如果在10t t >的有限时间区间10[,]t t 内,存在容许控制()u t ,使1()0x t =,则称系统状态在0t 时刻是 能控 的;如果系统对任意一个初始状态都 能控 , 称系统是状态完全 能控 的。

现代控制理论实验报告

现代控制理论实验报告

实验一系统能控性与能观性分析 一、实验目的 1.理解系统的能控和可观性。 二、实验设备 1.THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台； 三、实验容 二阶系统能控性和能观性的分析 四、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，在有限的时间把系统所有的状态引向状态空间的坐标原点，则称系统是能控的。 对于图21-1所示的电路系统，设iL和uc分别为系统的两个状态变量，如果电桥中 则输入电压ur能控制iL和uc状态变量的变化，此时，状态是能控的。反之，当 时，电桥中的A点和B点的电位始终相等，因而uc不受输入ur的控制，ur只能改变iL的大小，故系统不能控。 系统的能观性是指由系统的输出量确定所有初始状态的能力，如果在有限的时间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。为了说明图21-1所示电路的能观性，分别列出电桥不平衡和平衡时的状态空间表达式： 平衡时：

由式（2）可知，状态变量iL和uc没有耦合关系，外施信号u只能控制iL的变化，不会改变uc的大小，所以uc不能控。基于输出是uc，而uc与iL无关连，即输出uc中不含有iL的信息，因此对uc的检测不能确定iL。反之式（1）中iL与uc有耦合关系，即ur的改变将同时控制iL和uc的大小。由于iL与uc的耦合关系，因而输出uc的检测，能得到iL 的信息，即根据uc的观测能确定iL（ω） 五、实验步骤 1．用2号导线将该单元中的一端接到阶跃信号发生器中输出2上，另一端接到地上。将阶跃信号发生器选择负输出。 2．将短路帽接到2K处，调节RP2，将Uab和Ucd的数据填在下面的表格中。然后将阶跃信号发生器选择正输出使调节RP1，记录Uab和Ucd。此时为非能控系统，Uab和Ucd没有关系（Ucd始终为0）。 3．将短路帽分别接到1K、3K处，重复上面的实验。 六、实验结果 表20－1Uab与Ucd的关系 Uab Ucd

现代控制理论讲义(1,2.4)

第一章绪言 1－1 自动控制发展历史简介 自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。早在公元前300年，古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器，并应用于水钟和油灯中。在如图1－1所示的水钟原理图中，最上面的蓄水池提供水源，中间蓄水池浮动水塞保证恒定水位，以确保其流出的水滴速度均匀，从而保证最下面水池中的带有指针的浮子均匀上升，并指示出时间信息。 同样早在1000多年前，我国古代先人们也发明了铜壶滴漏计时器、指南车等控制装置。首次应用于工业的自控器是瓦特（J.Watt）于1769年发明的用来控制蒸汽机转速的飞球控制器，如图1－2所示。而前苏联则认为1765年珀尔朱诺夫（I.Polzunov）的浮子水位调节器最有历史意义。 图1－1 水钟原理图图图 1－2 飞球转速调节器原理图 1868年以前，自控装置和系统的设计还处于直觉阶段，没有系统的理论指导，因此在控制系统的各项性能（如稳、准、快）的协调控制方面经常出现问题。十九世纪后半叶，许多科学家开始基于数学理论的自控理论的研究，并对控制系统的性能改善产生了积极的影响。1868年，麦克斯威尔（J.C.Maxwell）建立了飞球控制器的微分方程数学模型，并根据微分方程的解来分析系统的稳定性。1877年，罗斯（E.J.Routh）提出了不求系统微分方程根的稳定性判据。1895年，霍尔维茨（A.Hurwitz）也独立提出了类似的霍尔维茨稳定性判据。第二次世界大战前后，由于自动武器的需要，为控制理论的研究和实践提出了更大的需求，从而大大推动了自控理论的发展。1948年，数学家维纳(N.Wiener)的<<控制论>>(CYBERNETICS)一书的出版，标志着控制论的正式诞生。这个“关于在动物和机器中的控制和通讯的科学”(Wiener所下的经典定义)经过了半个多世纪的不断发展，其研究内容及其研究方法都有了很大的变化。图1－3所示为控制理论的主要发展历史。 图1－3 控制理论发展简史 概括地说，控制论发展经过了三个时期： 第一阶段是四十年代末到五十年代的经典控制论时期，着重研究单机自动化，解决单输入单输出（SISO-Single Input Single Output）系统的控制问题；它的主要数学工具是微分方程、拉普拉斯变换和传递函数；主要研究方法是时域法、频域法和根轨迹法；主要问题是控制系统的快速性、稳定性及其精度。 第二阶段是六十年代的现代控制理论时期，着重解决机组自动化和生物系统的多输入多输出

自动控制理论的哲学讲稿201434

自动控制理论的哲学讲稿（草稿） 宁永臣 2014.3.4 哲学是科学工作者对其思想意识进行有效操作的唯一工具。素质教育、创新人才培养的本质性基础之一是科学教育与人文教育的融合与统一，即一元化教育。由于近代工业革命的结果，两者的割裂（多元化教育）使得哲学或给力不够、或离我们渐行渐远，其对科学研究的指导作用（反思、批判、预见）也越来越小。一个科学工作者有了某种创新思想，却不懂得如何对其思想进行有效的、全方位的梳理和升华，一个科学工作者在取得了阶段性创新成果之后，却不懂得如何对其成果进行价值的总体判断和预见，在某种程度上，很难说不是我们至今都培养不出世界大师、诺贝尔奖获得者的重要原因之一。 因此，在授课过程中，对自动控制理论的内容、方法和意义进行适当的哲学分析，应成为本课程最为重要的核心内容之一。因为，既使抛开这一主动意义，自动控制理论本身也带有浓重的方法论色彩，有必要对此加以强调或突出。这种哲学分析为我们认识自动控制理论问题、解决自动控制理论问题提供了丰富的视角，是学习好、运用好自动控制理论的认识论基础与方法论基础。

一、自动控制理论的定性 自动控制理论的性质、研究的对象和任务 自动控制理论（原理）是一门关于自动控制规律的技术科学【性质】，它研究系统各组成部分之间的信息传递规律和控制规律【对象】。其任务是给定一个被控对象或过程后，按工程或其它需要给定一（组）性能指标要求，然后再依据实际上的限制与约束，设计控制器来控制这个被控对象或过程以满足性能指标要求。从理论上讲，自动控制理论（原理）要回答的问题正是针对上述要求下能不能做和怎样做两个问题【任务】。 二、自动控制理论所涉及的三对哲学范畴 1.作用与反作用（可解释反馈原理） 2.原因与结果（可解释反馈原理） 3.可能性与现实性（可解释能控性与能观测性） 三、控制科学中的反馈与哲学范畴中的反馈

现代控制理论基础试卷及答案

现代控制理论基础考试题 西北工业大学考试题（A卷） （考试时间120分钟） 学院：专业：姓名：学号： 一．填空题（共27分，每空1.5分） 1.现代控制理论基础的系统分析包括___________和___________。 2._______是系统松弛时，输出量、输入量的拉普拉斯变换之比。 3.线性定常系统齐次状态方程是指系统___________时的状态方程。 4.推导离散化系统方程时在被控对象上串接一个开关，该开关以T为周期进 行开和关。这个开关称为_______。 5.离散系统的能______和能______是有条件的等价。 6.在所有可能的实现中，维数最小的实现称为最小实现，也称为__________。 7.构造一个与系统状态x有关的标量函数V(x, t)来表征系统的广义能量， V(x, t)称为___________。 8.单输入-单输出线性定常系统，其BIBO稳定的充要条件是传递函数的所有 极点具有______。 9.控制系统的综合目的在于通过系统的综合保证系统稳定，有满意的 _________、_________和较强的_________。 10.所谓系统镇定问题就是一个李亚普诺夫意义下非渐近稳定的系统通过引入_______，以实现系统在李亚普诺夫意义下渐近稳定的问题。 11.实际的物理系统中，控制向量总是受到限制的，只能在r维控制空间中某一个控制域内取值，这个控制域称为_______。 12._________和_________是两个相并行的求解最优控制问题的重要方法。二．判断题（共20分，每空2分） 1.一个系统，状态变量的数目和选取都是惟一的。（×） 2.传递函数矩阵的描述与状态变量选择无关。（√） 3.状态方程是矩阵代数方程，输出方程是矩阵微分方程。（×） 4.对于任意的初始状态) ( t x和输入向量)(t u，系统状态方程的解存在并且惟一。（√） 5.传递函数矩阵也能描述系统方程中能控不能观测部分的特性。（×） 6.BIBO 稳定的系统是平衡状态渐近稳定。（×） 7.一个系统能正常工作，稳定性是最基本的要求。（√） 8.如果系统的状态不能测得，只要系统能观测，可以采用状态观测器实现状

《现代控制理论》复习资料

《现代控制理论》复习资料 题型一：已知系统传函，求①能控标准型、能观标准型 ②约旦标准型 例题：P155 3-4、3-9 解题步骤： 1）根据传函→能控能观标准型 传函：01221110 12211)(a s a s a s a s s s s s W n n n n n n n n n +++++++++=--------- ββββ ① 根据传函有无零极点对消判断是否能观能控 ② 写出能控标准Ⅰ型(以三阶为例) ??????????---=210100 010 a a a A ???? ??????=100b ][210βββ=c ③ 写出能观标准Ⅱ型(以三阶为例) ???????? ??---=210100100a a a A ??????????=210βββb ]100[=c 2）根据能控标准型→约旦标准型 ① 求λi ，Pi 0||=-A I λ，求得λi λi 互异时，λiPi=APi λi 有重根时， λ1P 1-AP 1=0 λ2P 2-AP 2=-P 1 λ3P 3-AP 3=-P 2 ② 求T,T -1 T=(P 1，P 2...P n ) ③ 求T -1AT,T -1B,CT Bu T ATz T Z 11--?+= Du CTz y +=

题型二：已知状态空间表达式，求①画模拟结构图 ②判断能控性、能观性 ③系统传函 例题：P56 1-7 解题步骤： 1）状态空间表达式→模拟结构图 P15 2）状态空间表达式→判断能控、能观性 见 题型四 3）状态空间表达式→传函 方法一： 根据 模拟结构图 直接写出传函 (见P23 图) 方法二： ① 先求1)()(---A sI A sI 、 ② D b A sI C s W +-=-1)()( 题型三：已知状态空间表达式，①求At e t =)(φ ②u(t),求x(t) 例题：P69 例2-8 P87 例2-6,2-4 解题步骤： 1)求)(t φ 方法一：化为约旦标准型1-=T Te e At At ① 求λi ，Pi ② 求T,T -1 ③ 1-=T Te e At At 方法二：拉氏反变换])[(11---=A sI L e At ① 求1)()(---A sI A sI 、 ② ])[(11---=A sI L e At 方法三：用凯莱-哈密顿定理 ① 求λi ② 求αi (t) ③ 两个特征值：I t A t e At )()(01αα+= 三个特征值：I t A t A t e At )()()(012ααα++= 2)求x(t) τττφφd Bu t x t t x t )()()0()()(0?-+=

现代控制理论实验指导书-第1章

实验 一 利用MATLAB 进行线性系统的 模型转换及联结 实验目的： 1、学习系统状态空间模型的建立方法、了解状态空间模型与传递函数、零极点模型之间相互转换的方法； 2、通过编程、上机调试，掌握系统状态空间模型与传递函数相互转换的方法。 3、通过编程、上机调试，掌握系统模型的联结方法。 实验原理： 一、连续系统 （1）状态空间模型 x Ax Bu y Cx Du =+=+ （1.1） 其中：n x R ∈是系统的状态向量，m u R ∈是控制输入，p y R ∈是测量输出，A 是n n ?维状态矩阵、B 是n m ?维输入矩阵、C 是p n ?维输出矩阵、D 是直接转移矩阵。在MA TLAB 中，用（A,B,C,D ）矩阵组表示。 系统传递函数和状态空间模型之间的关系如式（1.2）所示。 1()()G s C sI A B D -=-+ （1.2） （2）传递函数模型 11101110 ()(),()m m m m n n n n b s b s b s b num s H s m n den s a s a s a s a ----++++==≤++++ 在MA TLAB 中，直接用分子/分母的系数表示 1010[,,,] [,,,] m m n n num b b b den a a a --== （3）零极点增益模型 1212()()()()()()() m n s z s z s z H s k s p s p s p ---=--- 在MA TLAB 中，用[z, p, k]矢量组表示，即

1212[,,,]; [,,,];[]; m n z z z z p p p p k k === 例1.1 求由以下状态空间模型所表示系统的传递函数， []1122331230100001255255120100x x x x u x x x y x x ????????????????=+????????????????----????????????=?????? 编写并执行以下的m-文件： A=[0 1 0;0 0 1;-5 –25 –5]; B=[0;25;-120]; C=[1 0 0]; D=[0]; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D) 得到： num= 0 -0.0000 25.0000 5.0000 den= 1.0000 5.0000 25.0000 5.0000 因此，所求系统的传递函数是 32255()5255 s G s s s s +=+++ 例1.2 考虑由以下状态空间模型描述的系统： 11122211220111254011001x x u x x u y u y u ??????????=+??????????--????????????????=??????? ????? 求其传递函数矩阵。 解 这是一个2输入2输出系统。描述该系统的传递函数是一个22?维矩阵，它包括4个传递函数： 11122122()()()()()()()()Y s U s Y s U s Y s U s Y s U s ??????

现代控制理论及应用

现代控制理论及应用李嗣福教授、博士生导师 中国科学技术大学自动化系

一、现代控制理论及应用发展简介 1. 控制理论及应用发展概况 2. 自动控制系统和自动控制理论 以单容水槽水位控制和电加热器温度控制为例说明什么是自动控制、控制律（或控制策略）、自动控制系统以及自动控制系统组成结构和自动控制理论所研究的内容。 2.1自动控制：利用自动化仪表实现人的预期控制目标。 2.2自动控制系统及其组成结构 自动控制系统：指为实现自动控制目标由自动化仪表与被控对象所联接成闭环系统。 自动控制系统组成结构：是由被控对象、测量代表、控制器或调节器和执行器构成反馈闭环结构，其形式有单回路形式和串级双回路形式。 控制系统性能指标：定性的有稳（定性）、准（确性）、快（速性）。 控制律（或控制策略、控制算法）：控制系统中控制器或调节器所采用的控制策略，即用系统偏差量如何确定控制量的数学表示式。 2.3自动控制系统类型主要有：按系统参数输入信号形式分：定值控制系统或调节系统和随动系统。 按系统结构形式分：前馈控制系统（即开环系统）和反馈控制系统以及复合控制系统； 按系统中被控对象的控制输入量数目和被控输出量数目分：单变量控制系统和多变量控制系统； 按被控对象特性分：线性控制系统和非线性控制系统； 按系统中的信号形式分：模拟（或时间连续）控制系统、数字（或时间离散）控制系统以及混合控制系统。 2.4自动控制理论：研究自动控制系统分析与综合设计的理论和方法。 3. 古典（传统）控制理论： 采用数学变换方法（即拉普拉斯变换和富里叶变换）按照系统输出量

与输入量之间的数学关系（即系统外部特性）研究控制系统分析和综合设计问题。具体方法有：根轨迹法；频率响应法。 主要特点：理论方法的物理概念清晰，易于理解；设计出控制律一般较简单，易于仪表实现 主要缺点： ① 设计需要凭经验试凑，设计结果与设计经验关系很大； ② 系统分析和设计只着眼于系统外部特性； ③一般只能处理单变量系统分析和设计问题，而不能处理复杂的多变量系统分析和设计。 4. 现代控制理论及其主要内容 现代控制理论：狭义的是指60年代发展起来的采用状态空间方法研究实现最优控制目标的控制系统综合设计理论。广义的是指60年代以来发展起来的所有新的控制理论与方法。 控制系统状态空间设计理论： （1） 用一阶微方程组表征系统动态特性，一般形式（连续系统）为 )()()(t BU t AX t X +=——状态方程（连续的一阶微分方程组） )()(t CX t Y =——输出方程 离散系统： )()()1(t BU t AX k X +=+——状态方程（离散的一阶差分方程组） )()(k CX k Y = k ——为大于等于零整数，表示离散时间序号； ?????? ??? ???=)() ()()(21k x k x k x k X n ——状态向量，其中)(k x i ，()n i ,,1 =为状态变量； ????? ???? ???=)() ()()(21k u k u k u k U m ——输入向量，其中)(k u i ， ()m i ,,1 =为各路输入；

《现代控制理论》.

《现代控制理论》实验指导书 俞立徐建明编 浙江工业大学信息工程学院 2007年4月

实验1 利用MATLAB 进行传递函数和状态空间模型间的转换 1.1 实验设备 PC 计算机1台（要求P4-1.8G 以上），MATLAB6.X 或MATLAB7.X 软件1套。 1.2 实验目的 1、学习系统状态空间模型的建立方法、了解状态空间模型与传递函数相互转换的方法； 2、通过编程、上机调试，掌握系统状态空间模型与传递函数相互转换的方法。 1.3 实验原理说明 设系统的状态空间模型是 x Ax Bu y Cx Du =+?? =+?& (1.1) p y R ∈其中：n x R ∈是系统的状态向量，是控制输入，m u R ∈是测量输出，A 是维状态矩阵、是维输入矩阵、是n n ×m n ×n p ×B D C 维输出矩阵、是直接转移矩阵。系统传递函数和状态空间模型之间的关系如式（1.2）所示。 1()()G s C sI A B D ?=?+ (1.2) 表示状态空间模型和传递函数的MATLAB 函数。 函数ss （state space 的首字母）给出了状态空间模型，其一般形式是 SYS = ss(A,B,C,D) 函数tf （transfer function 的首字母）给出了传递函数，其一般形式是 G=tf(num,den) 其中的num 表示传递函数中分子多项式的系数向量（单输入单输出系统），den 表示传递函数中分母多项式的系数向量。 函数tf2ss 给出了传递函数的一个状态空间实现，其一般形式是 [A,B,C,D]=tf2ss(num,den) 函数ss2tf 给出了状态空间模型所描述系统的传递函数，其一般形式是 [num,den]=ss2tf(A,B,C,D,iu) 其中对多输入系统，必须确定iu 的值。例如，若系统有三个输入和，则iu 必须是1、2或3，其中1表示，2表示，3表示。该函数的结果是第iu 个输入到所有输出的传递函数。 21,u u 3u 1u 2u 3u 1.4 实验步骤 1、根据所给系统的传递函数或（A 、B 、C 、D ），依据系统的传递函数阵和状态空间模型之间的关系（1.2），采用MATLAB 的相关函数编写m-文件。 2、在MATLAB 界面下调试程序。 例1.1 求由以下状态空间模型所表示系统的传递函数， ?? ? ? ? ?????=?????? ?????+???????????????????????=??????????321321321]001[1202505255100010x x x y u x x x x x x &&&

现代控制理论试题(详细答案)

现代控制理论试题B 卷及答案 一、1 系统[]210,01021x x u y x ? ??? =+=????-???? 能控的状态变量个数是cvcvx ，能观测的状态变量个数是。 2试从高阶微分方程385y y y u ++= 求得系统的状态方程和输出方程（4分/个） 解 1． 能控的状态变量个数是2，能观测的状态变量个数是1。状态变量个数是2。…..（4分） 2．选取状态变量1x y =，2x y = ，3x y = ，可得 …..….…….（1分） 12233131 835x x x x x x x u y x ===--+= …..….…….（1分） 写成 010*********x x u ???? ????=+????????--???? …..….…….（1分） []100y x = …..….…….（1分） 二、1给出线性定常系统(1)()(),()()x k Ax k Bu k y k Cx k +=+=能控的定义。 （3分） 2已知系统[]210 020,011003x x y x ?? ??==?? ??-?? ，判定该系统是否完 全能观？(5分)

解 1．答：若存在控制向量序列(),(1),,(1)u k u k u k N ++- ，时系统从第 k 步的状态()x k 开始，在第N 步达到零状态，即()0x N =，其中N 是大于 0的有限数，那么就称此系统在第k 步上是能控的。若对每一个k ，系统的所有状态都是能控的，就称系统是状态完全能控的，简称能控。…..….…….（3分） 2. [][]320300020012 110-=?? ?? ? ?????-=CA ………..……….（1分） [][]940300020012 3202=?? ?? ? ?????--=CA ……..……….（1分） ???? ? ?????-=??????????=940320110 2CA CA C U O ………………..……….（1分） rank 2O U n =<，所以该系统不完全能观……..….……. （2分） 三、已知系统1、2的传递函数分别为 2122211 (),()3232 s s g s g s s s s s -+==++-+ 求两系统串联后系统的最小实现。（8分） 解 112(1)(1)11 ()()()(1)(2)(1)(2)4 s s s s g s g s g s s s s s s -+++== ?=++--- …..….……. （5分） 最小实现为