现代控制理论习题解答前五章.doc

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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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