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2012年现代控制理论考试试卷
一、(10分,每小题1分)试判断以下结论的正确性,若结论是正确的,
( √ )1. 由一个状态空间模型可以确定惟一一个传递函数。
( √ )2. 若系统的传递函数不存在零极点对消,则其任意的一个实现均为最小实现。
( × )3. 对一个给定的状态空间模型,若它是状态能控的,则也一定是输出能控的。
( √ )4. 对线性定常系统,其Lyapunov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。
( √ )5.一个不稳定的系统,若其状态完全能控,则一定可以通过状态反馈使其稳定。
( × )6. 对一个系统,只能选取一组状态变量;
( √ )7. 系统的状态能控性和能观性是系统的结构特性,与系统的输入和输出无关;
( × )8. 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且不能观的;
( × )9. 若一个系统的某个平衡点是李雅普诺夫意义下稳定的,则该系统在任意平衡状态处都是稳定的;
( × )10. 状态反馈不改变系统的能控性和能观性。
二、已知下图电路,以电源电压u(t)为输入量,求以电感中的电流和电容中的电压作为状态变量的状态方程,和以电阻R2上的电压为输出量的输出方程。(10分)
解:(1)由电路原理得:
二.(10分)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,并绘制状态变量图。
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:
=+
三、(每小题10分共40分)基础题
(1)试求的一个对角规范型的最小实现。(10分)
…………4分
不妨令
,…………2分
于是有
又,所以,即有
…………2分
最终的对角规范型实现为
则系统的一个最小实现为:
…………2分
(2)已知系统,写出其对偶系统,判断该系统的能控性及其对偶系统的能观性。(10分)
解答:
…………………………2分
……………………………………2分
(3)设系统为
试求系统输入为单位阶跃信号时的状态响应(10分)。
解
……………………………..…….……..3分
……….….……….……..3分
….……..2分
.……….…………………..…..1分
………………..1分
(4)已知系统 试将其化为能控标准型。(10分)
解:, .……..2分
.…….1分
.……..1分
.……..2分
能控标准型为 .……..4分
四、设系统为
试对系统进行能控性及能观测性分解,并求系统的传递函数。(10分)
解:
能控性分解:
能观测性分解:
传递函数为
五、试用李雅普诺夫第二法,判断系统的稳定性。(10分)
方法一:
解:
原点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。
方法二:
解:或设
则由得
可知P是正定的。因此系统在原点处是大范围渐近稳定的
(20分)线性定常系统的传函为
(1)实现状态反馈,将系统闭环的希望极点配置为,求反馈阵。(5分)
(2)试设计极点为全维状态观测器(5分)。
(3)绘制带观测器的状态反馈闭环系统的状态变量图(4分)
(4)分析闭环前后系统的能控性和能观性(4分)
注明:由于实现是不唯一的,本题的答案不唯一!其中一种答案为:
解:(1)
系统的能控标准型实现为:……1分
系统完全可控,则可以任意配置极点……1分
令状态反馈增益阵为……1分
则有,则状态反馈闭环特征多项式为
又期望的闭环极点给出的特征多项式为:
由可得到……3分
(2)观测器的设计:
由传递函数可知,原系统不存在零极点相消,系统状态完全能观,可以任意配置观测器的极点。……1分
令……1分
由观测器可得其期望的特征多项式为:
……4分
(3)绘制闭环系统的模拟结构图
第一种绘制方法:
……4分
(注:观测器输出端的加号
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