现代控制理论课后题及答案
第2章 “控制系统的状态空间描述”习题解答
2.1有电路如图P2.1所示,设输入为u1,输出为u2,试自选状态变量并列写出其状态空间表达式。
图P2.1
解 此题可采样机理分析法,首先根据电路定律列写微分方程,再选择状态变量,求得相应的系统状态空间表达式。也可以先由电路图求得系统传递函数,再由传递函数求得系统状态空间表达式。这里采样机理分析法。
设C1两端电压为uc1,C2两端的电压为uc2,则
uc1C2
duc2
R2uc2u1 (1) dt
C1
duc1uc1du
C2c2 (2) dtR1dt
选择状态变量为x1uc1,x2uc2,由式(1)和(2)得:
duc1RR2C111
1uc1uc2u1 dtR1R2C1R2C1R2C1duc2111uc1uc2u1 dtR2C2R2C2R2C2
状态空间表达式为:
R1R2C111xxxu1121
R1R2C1R2C1R2C1
111
xxxu1212
R2C2R2C2R2C2
yu2u1x1
R1R2C1R1R2C1x1
即:
x21
R2C211
R2C1x1R2C1
u1 1x21RCR2C222
x1
y10u1
x2
2.2 建立图P22所示系统的状态空间表达式。
1
图P2.2
解 这是一个物理系统,采用机理分析法求状态空间表达式会更为方便。令f(t)为输入量,即uf,M1,M2的位移量y1,y2为输出量, 选择状态变量x1y1,x2= y2,x3=根据牛顿定律对M1有:
dy1dy
,x42。
dtdt
M1x3Kx1B1
对M2有:
M2x4f(t)B1
经整理得:
d(x2x1)
dt
d(x2x1)dx
B22 dtdt
x1x3
xx
42
BBK
x11x31x4状态方程为: x3 MMM111
BBB1
ux41x3(12)x4
MMMM2222
yx11
输出方程为:
y2x2
写成矩阵形式为:
00x1x
2Kx3M1x4
0
000
10B1M1B1M2
0
x0110
x2B1
0uM1
x31
B1B2x4()M2
M2M2
x1
y11000x2y0100x
32
x4
2.5 系统的结构如图P2.5所示。以图中所标记的x1、x2、x3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、3均为标量。
图P2.5系统结构图
解 图P2.5给出了由积分器、放大器及加法器所描述的系统结构图,且图中每个积分器
的输出即为状态变量,这种图形称为系统状态变量图。状态变量图即描述了系统状态变量之间的关系,又说明了状态变量的物理意义。由状态变量图可直接求得系统的状态空间表达式。
着眼于求和点①、②、③,则有
11x1x2 ①:x
22x2x3 ②:x
33x3u ③:x
输出y为yx1du,得
x1a1
x02x30
1a2
0x10x0u 12a3x31
x1
du
y100x2
x3
2.7 试求图P2.8中所示的电网络中,以电感L1、L2上的支电流x1、x2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R3上的支路电压。
xxu
图P2.8 RL电网络
解 采用机理分析法求状态空间表达式。由电路原理可得到如下微分方程
x1x2R3R2x2L2x2
ux1L1x1x1x2R3/R1
yx1x2R3
整理得状态空间表达式为
R3R1R3
R
L1L1x11x1L1uxR2R3x22R3
0 LL22x
yR3R31
x2
4y5y3u; yy2.8 已知系统的微分方程 (1)
3yuu; y(2) 2
23y5y57u。 yyu(3)
试列写出它们的状态空间表达式。
(1) 解 选择状态变量yx1,yx2,yx3,则有:
x1x2xx23
x35x14x2x33uyx1
状态空间表达式为:
x1010x10
x001x0u22x3541x33
x1y100x2x3
(2) 解 采用拉氏变换法求取状态空间表达式。对微分方程(2)在零初试条件下取拉
氏变换得:
2s3Y(s)3sY(s)s2U(s)U(s)
121s2 Y(s)s1
U(s)2s33ss33s
2
由公式(2.14)、(2.15)可直接求得系统状态空间表达式为
x1010x10x001x0u
22
3x31x300
21y
2
x11
x2 2x3
(3) 解 采用拉氏变换法求取状态空间表达式。对微分方程(3)在零初试条件下取拉
氏变换得:
s3Y(s)2s2Y(s)3sY(s)5Y(s)5s3U(s)7U(s)
Y(s)5s37
3
2
U(s)s2s3s5
在用传递函数求系统的状态空间表达式时,一定要注意传递函数是否为严格真有理分式,即m是否小于n,若mn需作如下处理
Y(s)5s3710s215s18
353
22
U(s)s2s3s5s2s3s5
再由公式(2.14)、(2.15)可直接求得系统状态空间表达式为
x1010x10x001x0u 22x3532x31
y1
x1
50xu 2x3
2.9 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。
s3s1s22s3
(1)g(s)3 (2)g(s)3 22
s6s11s6s2s3s1
(1) 解
首先将传函(1)化为严格真有理式即:
Y(s)6s210s5g(s)131g(s) 2
U(s)s6s11s6
令g(s)
Y(s)
,则有 U(s)
6s110s25s3
Y(s)U(s),
16s111s26s3E(s)U(s)
1
,
16s111s26s3
即:
E(s)U(s)6s1E(s)11s2E(s)6s3E(s)Y(s)6sE(s)10sE(s)5sE(s)
由上式可得状态变量图如下:
1
2
3
由状态变量图或公式(2.14)、(2.15)直接求得能控标准型状态空间表达式
10x10x10
x0x0u
0122
x36116x31
x1
u
y=-6-11-6x2
x3
(2) 解 由已知得:
s12s23s3
Y(s)U(s),
12s13s2s3
令: E(s)U(s)
1
,
12s13s2s3
2
3
得: 状态变量图如下:
E(s)U(s)2s1E(s)3s2E(s)s3E(s)Y(s)sE(s)2sE(s)3sE(s)
1
状态表达式如下:
x1010x10x001x0u 22x3132x31
x1
y321x2
x3
2.13 列写图P2.10所示系统的状态空间表达式。
图P2.10
解 设
x1(s)y1(s) x2(s)y2(s) 则由系统方框图P2.10可得
xc
1(s)u1(s)x2(s)
sa xud
2(s)2(s)x1(s)sb 对式710进行拉氏反变换得
x1(t)ax1(t)cx2(t)cu1(t)x2(t)dx1(t)bx2(t)du2(t)y
1(t)x1(t)y2(t)x2(t)
则系统状态空间表达式为
x1acxbx1c0u1
2dx0du22
y10
1y201x1x2
2.14 试将下列状态方程化为对角标准形。
(1)
x1x01x156
x0
u 221
(2) x1x0
10x123230215u1x2x3
1276x3 71
u2(1) 解
① 求特征值
(7) (8)
(9) (10)
IA
1
(6)5(5)(1)0
56
解得
② 求特征向量
11,25
a、对于11:
有
1IAv1
11v110
55v120
v111
解得 v1
v121
b、对于25:
有 解得
2IAv2
51v210
51v220
v211v2
v225
③ 构造P,求P
1
11
Pv1v2
1515
4P141144
④ 求,。
10
, P1AP
05
541
PB
14
11
404 11144
1410
u 则得对角标准型
051
4
(2) 解
① 求特征值:
IA3
12
10
2(1)(2)(3)0
7
6
11,22,33
② 求特征向量
a、对于11有:
110v110v111312v0v1 12121275v130v131
b、对于22有:
210v110v112322v0v4 12124127v130v131
c、对于23有:
310v110v111332v0v3 12121273v130v133
③ 构造P,求P。
1
95
122121
,P1321
P143
531131
22
④ 求,。
100
,P1AP020
0039537
12722232
1520P1B32115537127
116
222
则得对角标准型
37
272100
1520u
020
27003162
2.15 试将下列状态方程化为约当标准形。
x1412x131
x102x27u1 22u
2x113x5333
解 ① 求特征值:
41
IA1
1
1
2
2(1)(3)20
3
11,
② 求特征向量
233
a、对于1有 (iIA)vi0
312v110v110v2
即 112v12012
112v130v131
b、对于3有 (iIA)vi0
01112v21v210v1
即 132v22
22
110v230v231
(iIA)vivi
11112v21v21
1v0
即 132v22
22
110v231v230
③ 构造P,求P。
1
011,P210
110
④ 求,。
011
P1012
112
10
P1AP03
0001
P1B01
11
则得约当标准型
0
1,3
131342781225352
10034x81u
031
00352
2.16 已知系统的状态空间表达式为
512xx5u31 y12x4u
求其对应的传递函数。
解
512A,B5,C12,d4
31
g(s)C(sIA)1Bd
s51sIA
3s1
s1111
(sIA)
s5(s5)(s1)33
g(s)C(sIA)1Bd
s1121
1254
3s5(s2)(s4)
4s236s91
s26s8
2.19 设离散系统的差分方程为
y(k2)5y(k1)3y(k)u(k1)2uk
求系统的状态空间表达式。
解 对差分方程取Z变换,得:
Z2y(z)5Zy(z)3y(z)Zu(z)2u(z)
y(z)z2
g(z)2
u(z)z5z3
离散系统状态方程式为
x1(k1)01x1(k)0x(k1)35x(k)1u(k)
22
x(k)
y211
x2(k)
第3章 “状态方程的解”习题解答
3.1计算下列矩阵的矩阵指数e。
At
(1)
200
;(2)A020
002200
A031
003
0001
(3) A; (4) A40
10
(1)解 e
At
e2t
00
0e2t00e3t0
0
0 e2t0
te3t e3t
e2t
At
(2)解 e0
0
(3)解
s0
sIA
1s1
1s0s1
sIA2
s1s1
s2
0 1s
1t01
eAtL1sIA t1t
(4)解: sIA
s1
4s
sIA
1
1s12
s44s12 s
s242s24
2s222s4s4
12
2s24
s2
s4
s
s24At1
eL
22s24
cos2t
2sin2t
3.2 已知系统状态方程和初始条件为
1sin2t2
cos2t
100
x,x010
012
(1) 试用拉氏变换法求其状态转移矩阵;
1
x00
1
(2) 试用化对角标准形法求其状态转移矩阵; (3) 试用化e为有限项法求其状态转移矩阵; (4) 根据所给初始条件,求齐次状态方程的解。
At
100
A1
(1)解 A010O012
O
, A2
其中, A11,
10
A212
eA1t
则有 e
0
At0
A2te
而 e
A1t
1
et, eA2tL1sIA2
sIA2
1
s10
1s2
s201
1s1(s1)(s2)1
s1
11s2s1
01s2
1
e
所以状态转移矩阵为
A2t
LsIA2
1
1
et
e2tet
0ete2tet
0 2te
00 e2t
et
1
eAtL1sIA0
0
(2)解
IA2
1
10
(1)(2)0 2
11,22
对于11,
000111P10P11
对于22,
100010P20P21 10101
PP
1111
e
A2t
etP
011
01
P2te0et10
010
2t11e
et
2ttee
0e2t
et
00ePt0
et0
0e2tet
t e2
(3)解 矩阵的特征值为1,21,
32
对于32有: e2t0(t)21(t)42(t) 对于1,21有: et0(t)1(t)2(t) 因为是二重特征值,故需补充方程 tet1(t)22(t) 从而联立求解,得:
0(t)e2t2tet
1(t)3tet2e2t2et 2(t)e2tettet
eAt0(t)I1(t)A2
2(t)Ae2t2tet0
0e2t2tet03te2e2e1t2tt0
00e2t2tet0100 e2tettet010100012010
012
et000et0 0e2tete2t
(4)解:
00
1012
x(t)eA(tt0)x(t0)eAtx(0)
et00
0ete2tet
01et000
e2te2t1
3.3 矩阵A是22的常数矩阵,关于系统的状态方程式xAx,有
e2t1
x(0)时, x2t
1e2et2
x(0)时, xt
1e
试确定这个系统的状态转移矩阵(t,0)和矩阵A。 解:
因为系统的零输入响应是
xt(t,0)x(0)
所以
e2t1
(t,0)2t1,
e
将它们综合起来,得
2et
t(t,e20) 1
e2t2te2et12
(t,0) t11e
2et12
et11
1
e2t
(t,0)2t
e
e2t2te
2et12
t11e
2et2e2t
2e2tet
2ete2t2ttee
而状态转移矩阵的性质可知,状态转移矩阵(t,t0)满足微分方程
d
t,t0At,t0 dt
和初始条件 t0,t0I 因此代入初始时间t00可得矩阵A为:
d
A(t,t0)1(t,t0)
dttt00
2et2e2t2tt2ee0213
3.9 已知系统xAx的转移矩阵(t,t0)是
2et4e2t
2tt4eet0
2ete2t
(t,t0)t2t
ee
时,试确定矩阵A。
解 因为 (t,t0)是状态转移矩阵, 所以有 A将t00,(t0,t0)I代入得:
2(e2tet)
2tt2ee
d
(t,t0)(t,t0) dt
02
A
13
3.10 已知系统状态空间表达式为
011xxu
341
y11x
(1) 求系统的单位阶跃响应; (2) 求系统的脉冲响应。
011
(1)解 A,B1,C11
34
IA
1
(4)3(3)(1)0
34
11,23
11时, P1P1
3301
1101
23时, P2P2
3103
11
P13
3
13121
P2111
2
1
2 12
3101
et
eP
0
At0111et
P3te130
11ete3t22
1t33tee22
3
023te121
212
3t13t
2e2e
3et3e3t22
将u(t)1(t)代入求解公式得:
3t13t
2e2ex(t)
3et3e3t2211
ete3t
x1(0)22
1t33tx2(0)ee22
ete3(t)1
d t3(t)e3e1
t
13ete3(t)
+t
203e3e3(t)
3ete3tet
x1(0)2
et3et3e3t
x1(0)2e3t
x2(0)et12
3t3e
x2(0)et12
et1
若取x(0)0,则有 x(t)t
e1
et1
y11x(t)11t2et2
e1
(2)解 由(1)知
eAt
3t13t2e2e
3et3e3t2211
ete3t22
13ete3t22
取u(t)(0),则有
1t13t3t13t
eeee2x1(0)222x(t)3313ete3tete3tx2(0)2222t
ete3(t)113ete3(t)
t(0)d 3(t)t3(t)203e3ee3e1
3ete3tet
x1(0)2
t
et3e3e3t
x1(0)2
e3t
x2(0)et23t3e
x2(0)et2
etet0
若取x(0),则有x(t)t,y(t)11t2et
0ee
3.11 求下列系统在输入作用为:① 脉冲函数;② 单位阶跃函数;③ 单位斜坡函数下的状
态响应。
1baa0
(1) xx1u
0b
ab
(2) x
(1)解
atea0
AeAt
0b0
100
xu abab1
0
bte
① u(t)(t),
ext
0
at
0x10te
0btex200
a(t)
1
0ba
0db(t)e1ab
1atat
ex(0)e1ba
1ebtx(0)ebt2
ba
取x00,则
1at
baext
1ebtba
② ut1t,
eatx101tea(t)
xtbtb(t)1d0
ex20bae
at1eat ex1(0)a(ba)a(ba)
btbte1
ex2(0)
b(ba)b(ba)
1eata(ba)a(ba)
若取x00,则有 xtbte1
b(ba)b(ba)
t
eatx1(0)ea(t)1
③ utt, xtbtb(t)td ex2(0)ba0e
teat1
eatx101aa2a2
btbt
ex20bate1
bb2b2
atteat1
ex0122
abaabaaba
bttebt1
22ex20
bbabbabba
若取x00,则有
teat1abaa2baa2ba
xtbtte1
22
bbabbabba
(2)解
100A,B
abab1
IA
1
abab
ababab0
所以
1a,2b
a101
PP11b0ab101
PP220b a
11
P
abP1
1b1
baa1
0b1
ebta1
1a时,
ab
2b时,
ab
1eateat0111
ePPabbtab0e0
eatebt1beataebt
ababeatabebtaeatbebt
At
① u(t)(t),
1beataebt
xt
ababeatabebteatebtx1(0)
aeatbebtx2(0)
ea(t)eb(t)0
(0)d
aea(t)beb(t)1
t
bea(t)aeb(t)1
a(t)b(t)ababeabe0
btatatbtatbt
1(aebe)x1(0)(ee)x2(0)ee
ab(abeatabebt)x1(0)(aeatbebt)x2(0)aeatbebt
1eatebt
取x(0)0, 则有x(t) atbtabaebe
② ut1t,
1beataebt
xt
ababeatabebt
eatebtx10
aeatbebtx20
ea(t)eb(t)0
1()da(t)b(t)aebe1
111at1btbtatatbt
(aebe)x(0)(ee)x(0)ee112
baab
abatbtatbtatbt
(abeabe)x1(0)(aebe)x2(0)ee
1tbea(t)aeb(t)
ab0abea(t)abeb(t)
111at1bt1ee
取x(0)0, 则有 x(t) baab
ab
eatebt
③utt,
1beataebt
xt
ababeatabebt
eatebtx10
aeatbebtx20
ea(t)eb(t)0
d
aea(t)beb(t)1
t
bea(t)aeb(t)1
a(t)ababeb(t)0abe
at1eatbt1ebtatbtatbt
(beae)x10(ee)x2022
1abatbtabat1ebt1eatbtatbt
(abeabe)x0(aebe)x012ab
at1eatbt1ebt22
1ab 取x(0)0, 则有 xtatbtabat1ebt1e
ab
3.12 线性时变系统xtAtxt的系数矩阵如下。试求与之对应的状态转移矩阵
(1) At
0100 (2) ;At
0tt001
0t
(1) 解 At
因为 At1At2
01010t2
0t10t20t1t2
01010t1
At2At10t0tt
0t2112
At1At2At2At1
说明At1和At2是不可交换的,亦即At和Ad是不可交换的。
t0t
则按下式计算状态转移矩阵
t,t0IAdA1A2d2d1
t0
t0
t0
tt
1
A1
A2A3d3d2d1
t0
t0
t0
t
12
为此计算:
t
t
tt0001 A()dd122t000(tt0)
2
t
A
t0
1
t
1
t0
1t00
01dA
2d2d11122t00(1t0)10
2
1122 20(1t0)06tt0tt0t2d1t021100(131t02)t2t0228
t
所以状态转移阵为
0
10
t,t0
010
12
0tt0tt06122
212(tt0)
0tt0228
12
1(tt)tttt0006
1101(t2t2)(t2t2)2
00
28
tt0
(2)解 A(t)对应系统自治状态方程为
00
t0
x10
x2tx1
求解得到
x1tx1t0
x2t0.5x1t0t0.5x1t0t0x2t0
2
2
再任取两组线性无关初始状态变量:
x1t00,x2t01;x1t02,x2t00
可导出两个线性无关解:
20
x1t,x2t2
2tt10
由此,得到系统的一个基本解阵:
(t)x1
20
x21t2t20
于是,利用状态转移矩阵关系式,即可定出状态转移矩阵(t,t0):
(t,t0)(t)1(t0)
200
221tt01
1
220.5t0.5t0
2001
1
1t2t02tt0
22tt1tt00
3.14 已知线性定常离散系统的差分方程如下:
yk20.5yk10.1ykuk
若设uk1,y01,y10,试用递推法求出yk,
k2,3,10。
解 y(2)0.1y(0)0.5y(1)u(0)0.110.5010.9 同理,递推得:
y(3)0.55, y(4)0.635, y(5)0.6275,y(6)0.6228,y(7)0.6259,y(8)0.6248, y(9)0.6250,
y(10)0.6250
3.15 设线性定常连续时间系统的状态方程为
x101x10
x02x1u, t0
22
取采样周期T0.1s,试将该连续系统的状态方程离散化。
解
① 首先计算矩阵指数e。采用拉氏变换法:
1
s11At11eLsIAL 0s2
At
1
1sL01s(s2)
1
(s2)
10.51e2t
2t
e0
② 进而由公式(3.19)计算离散时间系统的系数矩阵。
Ge
将T0.1s代入得
AT
10.51e2T
2Te0
Ge
AT
10.091 00.819
2tT10.51e0
HedtBdt2t0010e
T0.5T0.25e2T0.2502T
00.5e0.51
2T
0.5T0.25e0.25
0.5e2T0.50.0050.091
T
At
③ 故系统离散化状态方程为:
x1k110.091x1k0.005xk0.091uk xk100.81922
3.16 已知线性定常离散时间系统状态方程为
1x1k12xk121
81
8x1k10u1kuk; 1x2k0122
x101 x023
设u1k与u2k是同步采样,u1k是来自斜坡函数t的采样,而u2k是由指数函数e采样而来。试求该状态方程的解。
解
① 首先用Z变换法求状态转移矩阵:
t
111
z2z2181
(zIG)
11(z)(z)1z
88288
1111
3553zzzz
888811115335zzzz8888
1
1
81z2
15k13k
()()28281
kZ1(zIG)z
1(5)k1(3)k2828
k1i1
15k13k
()()4848
13k15k()()2828
② 利用x(k)(k)x(0)
(ki1)Hu(i)即可求得。 或用Z变换法,由
-1-1
xkZ1zIGzx0Z1zI-GHuz求得。
第4章“线性系统的能控性与能观性”习题与解答
4.1 判断下列系统的能控性。 1) u x210x21
1x11x10
1010x110x
u101 x201 2) x20
u2x243x11331310x111x
030 x00u1 3) x22u
2x001x2033
解:
111
1) 由于该系统控制矩阵b,系统矩阵A,所以
010
1111Ab
1001
从而系统的能控性矩阵为
UCb
显然有
Ab
11
01
rankUCrankbAb2n
满足能控性的充要条件,所以该系统能控。
2)由于该系统控制矩阵为
10
B01
11
系统矩阵为
100
A001
243
则有,
.
0100111
1117
A2B001
24317115
从而系统的能控性矩阵为
UCB
有
AB
100111
011117
A2B
1117115
rankUC3n
满足能控性的充要条件,所以该系统能控。
3)由于该系统控制矩阵为
11
B00
20
系统矩阵为
031
A030
010
则有,
3101133
0000
AB030
0012020
3103399
0000
A2B030
0012020
于是,系统的能控性矩阵为
UCB
可知
AB
113399
000000
A2B
202020
rankUC2n
不满足能控性的充要条件,所以该系统不完全能控。
4.2判断下列系统的输出能控性。 1)
1310x111x
u1x
2030 x200u
2x001x2033
x1
y1101y110 x2
x2
3
2)
1010x10xx x0u 200123x6116x31
x1
y100 x2
x3
解:
1) 系统输出完全能控的充分必要条件是,矩阵CBCABCAB CA为q。由于
2n1
BD的秩
11
10131 CB 00
1102011
01131
101 0053
CAB 03033
11000120
031101030CA2B 110001
所以
2
11
119
0099
20
CB
而
3153119
CABCA2BD339911
2
rankCBCABCABD2q
等于输出变量的数目,因此系统是输出能控的。
2) 系统输出完全能控的充要条件是,矩阵CBCABCA2B CAn1BD的秩为q。
由于
CB0 CAB0
CA2B0
所以
CB
CABCA2BD
0010
而
rank
CBCABCA2BD1q
等于输出变量的数目,因此系统是输出能控的。 4.3判断下列系统的能观测性。 1)
x
111x1x210x 2y11 x1x
2
2)
x1010x1x0012 x2 x3243x3y1011x1y2
121 x2x
3
3)
x1043x1x2 x 02016x2302520x3
x1
y130 x2
x
3
解
□
1) 系统的观测矩阵C11,系统矩阵A
11
,得 10
11
CA11 21
10
系统能观性矩阵为
C11UO
CA21
可知
C
rankUOrank2n
CA
满足能观性的充要条件,所以该系统是能观测的。
100
0110,于是
A012) 系统的观测矩阵C,系统矩阵
121243
100
440112CA 001231 121243
1004428148
CA2 001202312432
系统能观性矩阵为
110
121C
44 2UOCA231
2CA8148
220
易知
C
3n
rankUOrankCA
2CA
满足能观性的充要条件,所以该系统是能观测的。
430,于是
163) 系统的观测矩阵C130,系统矩阵A020
02520
0
43CA130 0201605645
02520
0
43CA205645 02016054
2520
0
系统能观测性矩阵为
CUCA13
0 05645O
CA2
054
易知
C
rankUOrankCA3n
CA2
满足能观性的充要条件,所以该系统是能观测的。
4.4 试确定当p与q为何值时下列系统不能控,为何值时不能观测。
x
1112x1px2
10x1u 2yq1 x1
x
2解 系统的能控性矩阵为
UbAbpp12
C1
p 其行列式为
detbAbp2p12
根据判定能控性的定理,若系统能控,则系统能控性矩阵的秩为2,亦即detb可知p4或p3。
系统能观测性矩阵为
Ucq
1OcAq112q
其行列式为
Ab0,
c
det12q2q1
cA
根据判定能观性的定理,若系统能观,则系统能观性矩阵的秩为2,亦即det知q
c
0,可cA
11
或q。 □ 34
4.5试证明如下系统
12010x1ax
x24160x2bu 3x12618x3c
不论a,b,c取何值都不能控。
证
系统的特征方程为
20
IA
解得特征值
100
0
412
16
6
18
12318
分别将其带入特征方程得
210
IA4
我们知道
200
1260
210
1
rank420
1260
A化为: 基础解的个数312,所以存在着两个线性无关的向量P1,P2,可将
AP1AP0
00
181 0
因为在约当块中有相同的根,由能控判据2可知无论a,b,c为何值,系统均不能控。□
4.7已知两个系统S1和S2的状态方程和输出方程分别为
S1:
100
1xxu1 1
341y121x1 22x2u2 xy2x2
S2:
若两个系统按如图P4.2所示的方法串联,设串联后的系统为S。
1) 求图示串联系统S的状态方程和输出方程。
2) 分析系统S1,S2和串联后系统S的可控性、可观测性。
图P4.2 串联系统结构图
解
1) 因为uu1,u2y1,yy2,因此
1101x110xx34 x1u 1212
x11y121
x12
x
22x2y121 112x2 x
x12
y2x2
串联组合系统的状态方程为
11010x110xx12340x121u 212x2x20
输出方程为
x11
y001 x12
x2
2) 串联后系统的能控性矩阵
UCb
可见,
014
AbA2b1413
014
detUC0,rankUC23
因此,系统不能控。
串联后系统的能观性矩阵
c001
212
UOcA
2cA744
可见,detUO10,rankUO3因此,系统能观测。 □
4.10将下列状态方程化为能控标准形
x12134 x1
u 解 该状态方程的能控性矩阵为
UAb11
Cb
17
知它是非奇异的。求得逆矩阵有,
71U1
88C1 1
8
8
由P1001
bAbAn1b
1
得
1
P01U1
7
1C01 881
8
1188
同理,由P2P1A得
P1
32
4
4
从而得到P
11PP188P21
3 4431P1
1488
14
1 8
由此可得,
18
1131
A1
01CPAP
883 1264134 32
1110
44
3264
511
bCPb
8
83 1014
4
11
所以,
01105 01
u 此即为该状态方程的能控标准形。 4.11将下列状态方程和输出方程化为能观标准形。
x1111x21u
y11x
解 给定系统的能观性矩阵为
Uc11
OcA02
知它是非奇异的。求得逆矩阵有,
1U1
1O
21
02
由此可得,
11T011
21 21
0212根据求变换矩阵T公式有,
1
TT1
AT02
11
21
T120
11
代入系统的状态表达式。分别得
□
1
02011202
AOT1AT 11111112
2
2024
bOT1b 11
11
1
02
cOcT11 01
112
所以该状态方程的能观标准型为
0241u
12
y01 □
4.15 系统的状态方程:
110x1ax
x200x2bu 3x00x3c
yd
试讨论下列问题:
1) 能否通过选择a,b,c使系统状态完全可控? 2) 能否通过选择d,e,f使系统状态完全可观? 解
1) 可控性矩阵
e
x1
f x2x3
UCb
aab2a2b
AbA2bbb2b
cc2c
显然,第三行乘以
b
即为第二行,故第二行与第三行成比例,因而不论怎样选择a,b,c,c
系统状态均不完全可控。
2) 可观性矩阵
cd
dUOcA22cAd
第一列等于第三列乘以
4.19 已知控制系统如图P4.4所示。
f
def 2d2e2f
e
d
,故不论怎样选择d,e,f,系统均不完全可观。 □ f
图P4.4 系统结构图
1) 写出以x1,x2为状态变量的系统状态方程与输出方程。
2) 试判断系统的能控性和能观性。若不满足系统的能控性和能观性条件,问当K1与K2取何值时,系统能控或能观。
3) 求系统的极点。 解
1) 由图P4.4可知,sX1(s)X2(s),sX2(s)U(s),则有
1x2 x2u x
yK1x1K2x2
将状态方程和输出方程写成矩阵形式,有
101x20x
x00x1u 32yK1
2) 系统能控能观性判断。 能控性矩阵
K2x1x2
UCb
01
,rankUC2 Ab10
无论K1与K2取何值,系统均能控。
能观性矩阵
cK1
UO
cA0
3) 系统的特征方程为
K2
K1
此时无法判断系统的能观性。要使系统能观,UO应满秩,即detUOK120,K10。
s1
detsIAs20
0s
则,系统的极点为s1s20。 □
4.21系统传递函数为
Gs
1) 建立系统能控标准形实现。 2) 建立系统能观测标准形实现。 解
2s8
2s312s222s12
1) 将Gs分子分母同时除以2,可得Gs的首项为一的最小公分母为
ss3a1s2a2sa3s36s211s6
则,
PssGsb1s2b2sb3s4
由于Gs阵的qp,可采用能控性实现为
0A
0
alIp
Ip0al1Ip
0
Ip
a1Ip
100
0016116
plpl
0
0
B00
1Ipplp
Cbl
统的能控性实现。
bl1b1qpl410
1
验证由以上A,B,C构成的状态空间表达式,必有CsIABGs,从而此为该系
2) 将Gs分子分母同时除以2,可得Gs的首项为一的最小公分母为
ss3a1s2a2sa3s36s211s6
则,
PssGsb1s2b2sb3s4
由于Gs阵的pq,可采用能观性实现为
0Iq
A
0
0Iq
alIq
006
al1Iq 1011
016a1Iqqlql
bl
4b
Bl11
0b1qlp
C00Iq
qql
001
1
验证由以上A,B,C构成的状态空间表达式,必有CsIABGs,从而此为该系统的能观性实现。 □
4.22已知传递矩阵为
2s3Gs
s1s2试求该系统的最小实现。
解 Gs的最小公分母是
4s4
s5
hss1s2s5
则有,
Gs
2s3s54s1s20
s1s2s54
2s
2
16s304s12s8
0432
s8s17s10
2
为方便计算,先求其转置的实现:
GTs
2s3s54s1s20
s1s2s54
2s216s301
30422
s8s17s104s12s8
利用传递函数直接分解法可得
1000
0u 001
101781
203016yu
81244
在对其进行转置,得出系统实现为
01103081017x1612u x01824
y001x04u
即为该系统的最小实现。 □
第5章 控制系统的李雅普诺夫稳定性分析习题与解答
5.1 判断下列函数的正定性
1) V(x)2x123x22x322x1x22x1x3 2) V(x)8x122x22x328x1x22x1x32x2x3 3) V(x)x12x322x1x2x2x3 解
211
TT 1) V(x)xAxx130x, 因为顺序主子式
101
20,
21121
50, 13020
13
101
所以A0,V(x)为正定函数。
841
TT 2) V(x)xAxx421x, 因为主子式
111
8,2,10,
84
0,
4281
70,1121
10,
11
8
4
421
1
1164421680 1
1
所以A不定,V(x)为不定函数。
110
TT3) V(x)xAxx10x, 因为顺序主子式
10
10,
11
10, 1
10
1100
01
1
10 4
所以A为不定矩阵,V(x)为不定函数。
5.2 用李雅普诺夫第一方法判定下列系统在平衡状态的稳定性。
x1x1x2x1(x12x22)x2x1x2x2(xx2)
解
21
2
x1x2x1(x12x22)0
解方程组 只有一个实孤立平衡点(0,0)。 22
x1x2x2(x1x2)0
在(0,0)处将系统近似线性化,得x*
11*
x,由于原系统为定常系统,且矩阵
11
11
11的特征根s1i均具有负实部,于是根定理5.3可知系统在原点(0,0)附近
一致渐近稳定。
5.3 试用李雅普诺夫稳定性定理判断下列系统在平衡状态的稳定性。
11
xx
23
解 由于题中未限定利用哪一种方法,且系统为线性定常系统,所以利用李雅普诺夫第
11
一方法比较合适。经计算知矩阵的特征根为20。由于第一方法关于线
23
性系统稳定性的结果是的全局性的,所以系统在原点是大范围渐近稳定的。
5.4 设线性离散时间系统为
100
x(k) m>0
x(k1)001
0m20
试求在平衡状态系统渐近稳定的m值范围。
解 方法1
令QI,建立离散系统李雅普诺夫方程GTPGPQ,得
000p11 10p12
p01013
p12
p22p23
p13010p11
p23001p12
p3300p13
p12
p22p23
p13100
010
p23
p33001
00
0Pmp13(pmp33)m
1113
222mp0p12232
比较系数,解此矩阵方程得
0
p11
mp23Pp1212
2p13p22
0
0
12
2
4m
p12p22p23
p13100
010
p23
p33001
012
8m
P0
4m200
若要P0,应有
128m2
0 0; 22
4m4m
解上述不等式组,知0m2时,原系统在原点是大范围渐近稳定。
方法2 由
s
sIA0
知系统特征根分别为s1
0;s2
原点是大范围渐近稳定。
5.5 试用李雅普诺夫方法求系统
1s
01= ss2s
0m2
m
2
s3
0m2时,原系统在a11a12xx
a21a22
在平衡状态x0为大范围渐近稳定的条件。
解 由于对于线性系统,李雅普诺夫第一方法中结论是全局性的,是充分必要的。这里利用第一方法求解比较简单。首先求出系统矩阵的特征方程
sIA
sa11a21a12
s2(a11a22)sa11a22a12a210
sa22
由一元二次方程根与系数的关系可知两个特征值同时具有负实部的充要条件为
a11a220,a11a22a12a21。
5.9下面的非线性微分方程式称为关于两种生物个体群的沃尔特纳(Volterra)方程式
dx1
ax1x1x2dt
dx2
x2x1x2dt
式中,x1、x2分别是生物个体数,、、、是不为零的实数。关于这个系统,(1) 试求平衡点;(2) 在平衡点的附近线性化,试讨论平衡点的稳定性。 解
(1) 由
dxdx1
0,20,得 dtdt
x1x1x2x1(x2)0
x2x1x2x2(x1)0
同时满足这二式的x1、x2有两组:x10、x20和x1/、x2/。即,系统的平衡点为:
平衡点(a) x10、x20
平衡点(b) x1/、x2/ (2) 分两种情况讨论平衡点的稳定性。 ① 在平衡点(a)线性化的微分方程为
**x10x1**
0xx22
其特征方程式是
(s)(s)0
0、0时,平衡点(a)稳定,除此以外不稳定。
② 在平衡点(b),令x1/x1,x2/x2,得
*
x1(x2
x x
2*
x2(x1x/)x2(x2x/)x1x1
12
2
)x1(x1x/)x2/
1
因此,在平衡点(b)线性化的微分方程式是
*
x10*
x2/
*
/x1
* 0x2
其特征方程式为
s20
0时,特征根是,为正、负实数,平衡点(b)不稳定。0时,特征根是
j,为共轭纯虚数,平衡点(b)的稳定性在这样的线性化范围内不能决定。
5.11 利用李雅普诺夫第二方法判断下列系统是否为大范围渐近稳定:
11xx
23
解 令矩阵
p11P
p12
则由APPAI得
T
p12
p22
p1211102301 p22
12p11
13p12
解上述矩阵方程,有
p12p11
p22p12
p112p4p11112
p114p122p220 p22 2p6p1
2212
p12
即得
pP11
p12
因为
p12p22
p117
P0 det11
4p12
轨迹的导数分别为
p12det
p22
170 64
可知P是正定的。因此系统在原点处是大范围渐近稳定的。系统的李雅普诺夫函数及其沿
1
V(x)xTPx(14x1210x1x23x22)0
8 V(x)xTQxxTx(x12x22)0
又因为V(x),所以系统在原点处大范围渐近稳定。
x
5.12 给定连续时间的定常系统
x1x2
x2x1(1x2)x2
解
2
试用李雅普诺夫第二方法判断其在平衡状态的稳定性。
易知(0, 0)为其唯一的平衡状态。现取V(x)x1x2,则有:
2
2
2
(i) V(x)x12x20
V(x)(ii) V(x)
x1V(x)x1
xx22
x2
2x12x22
x1(1x2)x22
2x2(1x2)2
容易看出,除了两种情况:
(a)x1任意,x20 (b)x1任意,x21
时V(x)0以外,均有V(x)0。所以,V(x)为负半定。
(iii)检查V((t;x0,0))是否恒等于零。
考察情况(a):状态轨线 (t;x0,0)x1(t),0,则由于x2(t)0,可导出x2(t)0,将此代入系统的方程可得:
T
x1(t)x2(t)0
0x2(t)(1x2(t))x2(t)x1(t)x1(t)
2
T
这表明,除了点(x10, x20)外,(t;x0,0)x1(t),0不是系统的受扰运动解。 考察情况(b): (t;x0,0)x1(t),1,则由x2(t)1可导出x2(t)0,将此代入系统的方程可得:
T
x1(t)x2(t)1
0x2(t)(1x2(t))2x2(t)x1(t)
x1(t)
T
显然这是一个矛盾的结果,表明(t;x0,0)x1(t),1也不是系统的受扰运动解。综上分析可知, V((t;x0,0))0。
(iv)当x
5.13 试用克拉索夫斯基定理判断下列系统是否是大范围渐近稳定的。
时,显然有V(x)x。
2
于是,可以断言,此系统的原点平衡状态是大范围渐近稳定的。
x13x1x2x2x1x2x
3
2
解 显然x0是系统的一个平衡点。
13
F(x)2
113x
2ˆ(x)FT(x)F(x)6F226x2
2
由60和
62
226x
22
2
根据克拉索夫斯基可知系统1236x240知F(x)0。
在原点渐近稳定。又因为
32
fT(x)f(x)3x1x2)2(x1x2x2)] xx所以原系统在原点处是大范围渐近稳定的,同时可说明原系统只有惟一一个平衡点x0。
5.15 试用克拉索夫斯基定理确定使下列系统
x1ax1x2x2x1x2bx2
的原点为大范围渐近稳定的参数a和b的取值范围。 解 构造雅克比矩阵 F(x)
5
1a
,令 4
115bx2
22aTˆ F(x)F(x)F(x)4
2210bx2
若要求系统在原点渐近稳定,则当x0,应有F(x)0, 又x0时, F(x)0的充要条件为2a0, 4a20abx40。于是a应满足a1。又因为系统大范围渐近稳定,所以当x时,应有F(x)0。注意 x, a1时, F(x)0的充要条件为b0;xa1时,F(x)0的充要条件为b0。综上,a,b的取值范围为:a1,b0,或a1,b0。
4
第6章 “状态反馈和状态观测器”习题与解答
6.1 判断下列系统能否用状态反馈任意地配置特征值。 121
x 1) x0u 31
10010
2) x021x01u
00200
解 1) ucb配置特征值。 2) ucb
11
Ab,秩uc2,系统完全能控,所以可以用状态反馈任意
03
101010
010204,
A2b系统不完全能控,秩uc2,
000000
Ab
所以不能通过状态反馈任意配置特征值。
6.2 已知系统为
x1x2x2x3
x3x1x2x33u
试确定线性状态反馈控制律,使闭环极点都是3,并画出闭环系统的结构图。 解 根据题意,理想特征多项式为
*(s)(s33)s39s22s7 27
0100
x+0u
x=001
1113
令uk1k2k3x,并带入原系统的状态方程,可得
1013k2
1x 13k30
0
x0
13k1
其特征多项式为(s)s3(13k3)s2(13k2)s(13k1),通过比较系数得 13k39, 13k227, 13k327, 即,k1
2626826,k2,k1,u3333
26
3
8x。 3
闭环系统的结构图:
6.3 给定系统的传递函数为
G(s)
1
s(s4)(s8)
试确定线性状态反馈律,使闭环极点为2, 4, 7。 解 根据题意,理想特征多项式为
*(s)(s2)s(4s)7(
g(s)
3
)s
2
s13由传递函数s5056
11
3
s(s4)(s8)s12s232s
可写出原系统的能控标准形
010
x=0010x+0u
032121令uk1k2k3x,并带入原系统的状态方程,可得
010
x0
1k1
32k2
12kx 3
其特征多项式为
(s)s3(12k3)s2(32k2)s3k1
通过比较系数得
k156, 32k250, 12k313,
即 k156,k218,k31。
6.4 给定单输入线性定常系统为:
000x1601x0u
0112
0
试求出状态反馈ukx使得闭环系统的特征值为***
12, 21j, 31j解 易知系统为完全能控,故满足可配置条件。系统的特征多项式为
s
00det(sIA)det1s60s218s272s
01s12
进而计算理想特征多项式
*
3
(s)(s*i)(s2)(s1j)(s1j)s34s26s4
i1
于是,可求得
*00,*11,*
224,66,14
再来计算变换阵
11PbAbA2b2
21010072181
016181010
0001100
72181
121000
1
并求出其逆
。