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1、现代控制理论试卷作业一图为R-L-C电路,设为控制量,电感上的支路电流和电容C上的电压为状态变量,电容C上的电压为输出量,试求:网络的状态方程和输出方程(注意指明参考方向)。解:此电路没有纯电容回路,也没有纯电感电路,因有两个储能元件,故有独立变量。以电感上的电流和电容两端的电压为状态变量,即令:,由基尔霍夫电压定律可得电压方程为:从上述两式可解出,即可得到状态空间表达式如下:二、考虑下列系统:(a)给出这个系统状态变量的实现;(b)可以选出参数(或)的某个值,使得这个实现或者丧失能控性,或者丧失能观性,或者同时消失。解:(a)模拟结构图如下:则可得系统的状态空间表达式:(b) 因为 所以:当
2、时,该系统不能控;当时,该系统能控。又因为: 所以:当或时,该系统不能观;当且时,该系统能观。综上可知:当时或且时,该系统既不能控也不能观。三、已知系统的状态转移矩阵为:(1)试确定矩阵,并验证确为上式。(2)已知求,以下采用三种方法计算,并对计算结果进行讨论。解:(1)利用书上P53状态转移矩阵的性质四:对于状态转移矩阵,有 即 当t=0时 验证:(利用P59的公式(2-24)来验证)解得:,有一对复根,重根部分按公式(2-24)处理,非重根部分的仍按公式(2-23)计算。且所以:四、有两个能控能观的单输入单输出系统:(1)按图把、串联,针对推导状态方程。(2)判断以上系统的能控性和能观性。
3、(3)把串联系统的连接顺序颠倒过来,再推算系统的状态方程及能控、能观性。(4)求、及串联系统的传递函数矩阵,并对(2)和(3)讨论。解:(1)所以 因而 得状态方程: (2) A= b=所以 所以该系统不能控。所以 所以 该系统是能观的。(3)所以所以 所以此时该系统能控。而 所以此时该系统不能观。(4)当、按照(2)的连接方式串联时,当、按照(2)的连接方式串联时,由上边的传递函数结果可知,当子系统串联时,颠倒其先后次序,虽然传递函数相同,但系统的能控性、能观性则不一定相同。五、试求下列系统的能控性分解及能观性分解:解:(a)能控性分解:所以 ,故该系统不能控。构造非奇异矩阵,所以(b)能观
4、性分解:所以 所以该系统不能观。构造非奇异矩阵:,所以 六、试用李雅普诺夫第二法,判断下列系统的稳定性。(1)(2)系统结构图如下,对结果进行讨论,采取什么措施可使系统稳定?解: 原点=0是系统的唯一平衡状态。选取标准二次型函数为李雅普诺夫函数,即 当,时, ;当,时,因此为负半定。根据判断,可知该系统在李雅普诺夫意义下是稳定的。另选一个李雅普诺夫函数,例如:为正定,而为负定的,且当,有。即该系统在原点处是大范围渐进稳定。(2) 闭(3) 环系统的状态方程为其齐次方程为 显然,原点为系统的唯一的平衡状态,选李雅普夫函数 可见,在任意的值均保持为0,而保持为常数这表示系统运动的相轨迹是一系列以原
5、点为圆心,为半径的圆。这时系统为李雅普诺夫的稳定,但在经典控制理论中,这种情况属于不稳定,这的自由解是一个等幅的正弦振荡,要想使这个系统不稳定,必须改变系统的结构。七、图示的控制系统,试设计状态反馈矩阵,使闭环系统输出超调量和峰值时间。解:传递函数又因为二阶系统单位阶跃响应中:根据题意要求和通过上式解答:因此设计后的极点分别为:因为传递函数没有零极点对消现象,所以原系统能控而且能观。可直接写出它的能控标准I型实现。其闭环系统结构图如下:加入状态反馈阵,其系统结构如下图: 而闭环系统特征多项式为根据极点值,得期望特征多项式:比较和各对应项系数,可得:即 八、系统的状态方程如下:,性能指标泛函分两
6、种情况求最优控制:。(1) 对没有约束解:(1) 原问题为自由终端状态,因而。由哈密尔顿函数 又因为=0 所以又沿最优轨迹线满足正则方程:边界条件 通过上式联合解答:(2) 由极小值原理,及符号有关,取 表示的符号, 取 在区间,取。下图表示求解结果。九、试综述最有控制理论的内容及方法,分析比较二次型性能指标泛函及经典控制理论的性能指标。1 内容:现代控制理论研究的对象不再局限于单变量的,线性的,常定的,连续的系统,而扩展为多变量的,非线性的,时变的,离散的系统。现代控制理论以线性代数和微分方程为主要数学工具,以状态空间法为基础,分析和设计控制系统。所谓状态空间法,本质上是一种时域分析方法,它
7、不仅描述了系统的外部特性,而且揭示了系统的内部状态和性能。现代控制理论分析和综合系统的目标是在揭示其内在规律的基础上,实现系统在某种意义上的最优化,同时使控制系统的结构不再限于单纯的闭环形式,现代控制理论的主要内容包括如下五个分支:线性系统理论、建模和系统辨识、最忧滤波理论、最优控制、自适应控制。2方法:现代控制理论的方法本质是一种时域方法,它是建立在状态变量描述方法基础上的,它着眼于系统的状态,能更完全的表达系统的动力学性质,在解决最优控制问题中,极大值原理和贝尔曼动态规划是最重要的两种方法。3分析比较指标泛函及经典控制理论的性能指标:性能指标在数学上成为泛函,经典控制理论中的性能指标一般为
8、最大超调量、阻尼比、幅值裕度和相位裕度等。现代控制理论的二次型指标泛函的意义:花费尽量少的控制能量,使系统的输出尽可能地跟随期望输出变化。常见的二次型性能指标分两类:线性调节器和线性伺服器。假定状态方程:,寻求最优控制,使性能指标达到极小值 (9-1) 这是二次型指标泛函,要求S,是对称阵,且S和是非负定或正定的,应是正定的。式(9-1)右端第一项是对终端状态提出一个符合需要的要求,表示在给定的控制终端时刻到来时,系统的状态接近预定终态的程度。积分项的第一项表示对于一切的对状态的要求,积分第二项是对控制总能量的限制,二者相互制约,求两者之和极小值,实质上是求取在某种最有意义下的折衷,偏重哪一面,取决于加权矩阵和地选取。第 页