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控制系统的状态空间描述
3-1-1 求图示网络的状态空间表达式,选取和为状态变量。
(1)
题3-1-1图1
(2)
题3-1-1图2
【解】:
(1)
设状态变量:、
而
、
根据基尔霍夫定律得:
整理得
(2)
设状态变量:、
而
根据基尔霍夫定律得:
整理得
3-1-2 如图所示电枢电压控制的它励直流电动机,输入为电枢电压输出为电动机角速度ω,电动机轴上阻尼系数为f,转动惯量J,试列写状态方程和输出方程。
题3-1-2图
【解】:
设状态变量为:
其中为流过电感上的电流,电动机轴上的角速度。
电动机电枢回路的电压方程为:
为电动机反电势。
电动机力矩平衡方程为
由电磁力矩和反电势的关系,有
,
式中为电动机反电势系数,为电动机的转矩系数。
为电动机轴上粘性摩擦系数,电动机轴上等效转动惯量。
整理得
(注:解是非唯一的)
3-1-3 试求图示系统的模拟结构图,并建立状态空间表达式。
(1)
题3-1-3图1
(2)
题3-1-3图2
【解】:
(1)
如题3-1-3图3设状态变量
题3-1-3图3
写成矩阵的形式得:
(2)
如图题3-1-3图4设状态变量
题3-1-3图4
写成矩阵的形式得:
(注:此题解并非唯一的)
3-1-4 已知系统的微分方程,试将其转变成状态空间表达式。
(1)
(2)
(3)
(4)
【解】:
在零初始条件下,方程两边拉氏变换,得到传递函数,再根据传递函数求状态空间表达式。
此题多解,一般写成能控标准型、能观标准型或对角标准型,以下解法供参考。
(1)传递函数为:
状态空间表达式为:
(2)传递函数为:
状态空间表达式为:
(3)传递函数为:
状态空间表达式为:
(4)传递函数为:
状态空间表达式为:
3-1-5 已知系统的传递函数,试建立其状态空间表达式,并画出结构图。
(1)(2)
(3)(4)
【解】:
此题多解,一般可以写成能控标准型、能观标准型或对角标准型,以下解法供参考。
(1)
结构图如图题3-1-5图1所示
题3-1-5图1
(2)
结构图如图题3-1-5图2(a)所示
题3-1-5图2(a)
或有
结构图如图题3-1-5图2(b)所示
题3-1-5图2(b)
(3)
结构图如图题3-1-5图3所示
题3-1-5图3
(4)
结构图如图题3-1-5图4所示
题3-1-5图4
3-1-6 将下列状态方程化成对角标准型。
(1)
(2)
(3)
【解】:
(1)
特征方程为:
。
特征值为:
系统矩阵为友矩阵,且特征值互异,因此可以化为对角标准型,其变换矩阵为范德蒙矩阵。
变换阵:
线性变换后的状态方程为:
(2)
特征方程为:
特征值为:
。
设变换阵:P=
由得
当时,取
当时,取
当时,取
变换阵:
,
线性变换后的状态方程为:
(3)
特征方程为:
。
特征值为:
。
系统矩阵为友矩阵,且特征值互异,因此可以化为对角标准型,其变换矩阵为:
线性变换后的状态空间表达式为:
3-1-7 将下列状态方程化成约旦标准型。
(1)
(2)
(3)
【解】:
(1)
特征方程为:
特征值为:
。
设变换阵:
由得:
当时,取
当时,取
,
线性变换后的状态空间表达式为:
(2)
特征方程为:
特征值为:。
设变换阵:
当时,由得:,取
当时,由得:,取
当时,由得:,取
变换阵:
,
线性变换后的状态空间表达式为:
(3)
特征方程为:
。
特征值为:
。
系统矩阵为友矩阵,且特征值有重根,因此可以化为约当标准型,其变换矩阵为:
,,
变换阵:
,
线性变换后的状态空间表达式为:
3-1-8 已知状态空间表达式,
(1)试用进行线性变换,变换矩阵求变换后的状态空间表达式。
(2)试证明变换前后系统的特征值的不变性和传递函数矩阵的不变性。
【解】:
(1)
(2)证明:
变换后的系统矩阵为,输入矩阵为
特征值的不变性:
传递函数矩阵的不变性:
验证:
变换前的特征方程为:
变换后的特征方程为:
所以变换前后系统的特征值是不变的。
3-1-9 已知两个子系统的传递函数矩阵分别为
,,试求两子系统串联后和并联后的传递函数矩阵。
【解】:
串联
在前,在后时
在前,在后时
并联
3-1-10 已知离散系统的差分方程为
,求系统的状态空间表达式,并画出系统结构图。
【解】:
根据差分方程,在零初始条件下,方程两边Z变换,得到系统的脉冲传递函数为
其结构图如图题3-1-10图所示:
题3-1-10图
3-1-11 已知离散系统的状态空间表达式为,,求系统的脉冲传递函数。
【解】:
也可以直接写出。
3-1-12 已知系统的脉冲传递函数,试求系统的状态空间表达式。
(1)
(2)
【解】:
此题多解,一般可以写成能控标准型、能观标准型
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