第九章 线性系统的状态空间分析与综合习题
第九章 线性系统的状态空间分析与综合
9-1 已知电枢控制的直流司服电机的微分方程组及传递函数为
b a a a a a E t d di L i R u ++=,t d d K E m b b θ=,a m m i C M =,t d d f t d d J M m
m m m m θθ+=2
2; )]
()([)()(2
m b m a a m m a m a m
a m C K f R s R J f L s J L s C s U s ++++=Θ。 ⑴ 设状态变量m x θ=1,m x θ&=2,m x θ&&=3,输出量m
y θ=,试建立其动态方程; ⑵ 设状态变量a i x =1,m x θ=2,m x θ&=3,输出量m
y θ=,试建立其动态方程; ⑶ 设x T x =,确定两组状态变量间的变换矩阵T 。
解:⑴ 由传递函数得 a m a m m a m b m a m a u C x R J f L x C K f R x J L ++-+-=323)()(&,动态方程为
[]x
y u x x x x x x 001100010001032121321=??????????+????????????????????--=??????????αα&&&,其中)/()()/()()/(21m a a m m a m a m b m a m a a m J L R J f L J L C K f R J L u C u +=+==αα; ⑵ 由微分方程得
3
133
2311x f x C x J x x u x K x R x L m m m a b a a -==---=&&&,即 []x
y u x x x a a a a x x x a 0200010100032133311311321=????
?
?????+??????????????????
??=??????????&&&,其中 m
m m m a b a a J f a J C a L K a L R a ////33311311-==-=-=;
⑶ 由两组状态变量的定义,直接得到????
?
???????????????=??????????3213331
321010001
0x x x a a x x x 。
9-2 设系统的微分方程为
u x x x =++23&&&
其中u 为输入量,x 为输出量。
⑴ 设状态变量x x =1,x x &=2,试列写动态方程;
⑵ 设状态变换211x x x +=,2122x x x --=,试确定变换矩阵T 及变换后的动态方程。
解:⑴ u x x x x ??????+????????????--=??????1032102121&&,[]??
????=2101x x y ; ⑵ ??????=??????2121x x T x x ,??????--=2111T ;??
????--=-11121
T ;AT T A 1-=,B T B 1-=,CT C =; 得,?
?????--=2111T ;u x x x x ??
????-+????????????-=??????1110012121&&,[]??????=2111x x y 。 9-3 设系统的微分方程为
u y y y y 66116=+++&&&&&&
其中u 、y 分别系统为输入、输出量。试列写可控标准型(即A 为友矩阵)及可观标准型(即A 为友矩
阵转置)状态空间表达式,并画出状态变量图。
解:可控标准型和可观标准型状态空间表达式依次为,
[]x y u x x 00610061161
00010=??????????+??????????---=&;[]x
y u x x 100
006610
1101600=????
?
?????+???????
???---=&; 可控标准型和可观标准型的状态变量图依次为,
9-4 已知系统结构图如图所示,其状态变量为1x 、2x 、3x 。试求动态方程,并画出状态变量图。
解:由图中信号关系得,31x x =&,u x x x 232212+--=&,32332x x x -=&,1x y =。动态方程为
u x x ???
?
?
?????+??????????---=020*********&,[]x y 001; 状态变量图为
9-5 已知双输入双-输出系统状态方程和输出方程
2
32132
1321
216
1162u x x x x u u x x u x x +---=-+=+=&&&,3
2122
112x x x y x x y -+=-=, 写出其向量-矩阵形式并画出状态变量图。
解:状态方程 u x x ????
?
?????-+??????????---=1012016116100010&,
x y ??????--=112011; 状态变量图为
9-6 已知系统传递函数为
3
48
6)(22++++=s s s s s G ,
试求出可控标准型(A 为友矩阵)、可观标准型(A 为友矩阵转置)、对角型(A 为对角阵)动态方程。
解:135
.015.113
452)(2++++=++++=s s s s s s G ;可控标准型、可观标准型和对角型依次为
[]u x y u x x +=??????+??????--=25104310&;[]u x y u x x +=??????+??????--=10254130&;[]u
x y u x x +=??
?
???+??????--=115.05.13001&。
9-7 已知系统传递函数为
)
2()1(5
)(2
++=
s s s G , 试求约当型(A 为约当阵)动态方程。
解:2
)1(5)1(525)(+++-++=s s s s G ;
u x x ????
?
?????-+??????????---=555100110002&,[]x y 011=。 9-8 已知矩阵
?
?
???
?
???
???=0001
100001000010
A , 试求A 的特征方程、特征值、特征向量,并求出变换矩阵将A 约当化。
解:特征方程0)I det(=-A s ,即014
=-s ;特征值11=λ、12-=λ、j =3λ、j -=4
λ;
特征向量依次对应矩阵1
-T 的列,所求变换矩阵为T ;
????????????------=
-j j j j T 111111*********;????????????------=j j j j T 111
11111111121;??
???
???????--==-j j TAT A 00
0000001000
11。 9-9 已知矩阵
?
?
?
???-=1001A , 试用幂级数法及拉普拉斯变换法求出矩阵指数(即状态转移矩阵)。 解:幂级数法求解,
??????-=k k k
A 100)1(;??
?
???===Φ-∞=∑t t k k k t
A e e t A k e t 00!1)(0; 拉普拉斯变换法求解,
??????-+=??????-+=---)1/(100)1/(11001)I (1
1
s s s s A s ;??
?
???=-=Φ---t t e e A s L s 0
0])I [()(11。 9-10 求下列状态方程的解:
x x ??????????---=30002000
1&。 解:????????
?
?=Φ---t t t
e e e t 320
000
00)(,得到 ?????
?
??????????????=---)0()0()0(00000023132x x x e e e x t t t 。 9-11 已知系统的状态方程为
u x x ??
?
???+??????=111101&, 初始条件为1)0(1=x ,0)0(2=x 。试求系统在单位阶跃输入作用下的响应。 解法1:
?????
?=???? ????????---=Φ--t t t e te e s s L t 01101)(1
1; ??
????-=??????-+??????=???
?????????-+????????????=?---t t t t t t t t t t t t t te e te e te e d e e t e e te e x 212111)(00100τττττ。 解法2:
??
?
???--=??????--+??
????--=
+-=-s s s s s s s s s s x s Bu A s s x 21)1(1
11)1(1
1)1(1
)}0()({)I ()(22
2
2
1
; ?
?
????-==-t t te e s x L x 212)]([1
。 9-12 已知系统的状态转移矩阵
??
?
???+-+---=Φ--------t t t
t t t t
t e e e e e e e e t 222232332223)(,
试求该系统的状态阵A 。
解:?
?
????--=Φ==4321)
(0
t t A &。(注:原题给出的)(t Φ不满足A =Φ)0(&及A t t A t )()()(Φ=Φ=Φ&。) 9-13 已知系统动态方程
u x x ????
?
?????+??????????---=210311032010&,[]x y 100=, 试求传递函数)(s G 。 解:B A s C s G 1
)I ()(--=,
[][]??????
???????????
???++----+-----=?????
???????
??
??????--+-=-210231503620396710021031103201
100)(22231
s s s s s s s s s s s s s s s G ; 6
7372)(32
--++=s s s s s G 。
9-14 试求所示系统的传递函数矩阵。
u x x ??
??
?
?????-+??????????---=1012016116100010&,x y ??????--=112011。 解:????
??????---+-++++++=?????
?????+--=---22
2231
1611666161166116161161001)I (s s s s s s s s s s s s s s s A s ; ?????
?
????-??????????---+-+++??????-+++=1012016116661611611201161161)(22
2
23s s s s s s s s s s s s s G ; ??
????-+-++--+++==442845429461161
)(2
2
223s s s s s s s s s s G 。 9-15 已知差分方程
)(3)1(2)(2)1(3)2(k u k u k y k y k y ++=++++,
试列写可控标准型(A 为友矩阵)离散动态方程,并求出1)(=k u 时的系统响应。给定0)0(=y ,1)1(=y 。
解:系统的脉冲传递函数为
2332)(2
+++=
z z z z G ,1)(-=z z
z U ;)(10)(3210)1(k u k x k x ??
????+??????--=+,[])(23)(k x k y =。 )2(32)1(2)1(65)2)(1)(1(32)}0(3)1()0()(){()(232
++++-=++-+=+++=z z z z z z z z z z z y z y z y z U z G z Y ;
322)1(65)(1
++-+=k k k y 。
9-16 已知连续系统动态方程为
u x x ??
?
???+??????=102010&,[]x y 01=, 设采样周期s T 1=,试求离散化动态方程。 解:设)()(k u t u =,T k t kT )1(+<≤;
??????--=??????--=---)2/(10)]2(/[1/1201)(1
1
s s s s s s A sI ,??
????-=Φt
t e e t 220)1(5.01)(;
??????-=Φ=Φ220)1(5.01)(e e T ,??
????--=???
???-Φ=Γ?)1(5.0)3(25.010)(2
20e e t d t T T ; )()1(5.0)3(25.0)(0)1(5.01)1(2
222k u e e k x e e k x ??
?
???--+??????-=+,[])(01)(k x k y =。 9-17 判断下列系统的状态可控性:
⑴ u x x ??
??
?
?????+??????????----=100041020122
&;
⑵ u x x ??
???
?????+??????????=010********
1&; ⑶ u x x ??
???
?????+??????????=011000010010011&; ⑷ u x x ??
??
?
?????+??????????--=121100040004&;
⑸ u x x ????????????+????????????=11100000000000012111λλλλ&; ⑹ u x x ????
??
??????+????????????=11000000000100012111λλλλ&。 解:
⑴ ????
??????--=101000210U ,n U <=2rank ; 状态不完全可控;
⑵ ??????????=210111210U ,n U <=2rank ;
状态不完全可控;
⑶ ????
??????=1101101010001U ,3rank 1=U ; 状态完全可控;
⑷ ????
??????--=11132821641U ,n U <=2rank ; 状态不完全可控;
⑸ ??????
?????
???=3222231
21131
21121
1111
3210λλλλλλλλλλλU ,n U <=3rank ;
状态不完全可控;
⑹ ??
???
?
???
???=322223
121121
11113210
3100λλλλλλλλλU ,4rank =U ;
状态完全可控;
9-18 已知bc ad =,试计算=??
?
???100
d c b a ?
解:矩阵A 的特征方程为 0)()(2
=+-=s d a s s α, 据凯莱哈密尔定理得知:
0)(2=+-A d a A ,k k A d a A )(1+=+;A d a A 99100)(+=;
??
?
???+=??
????d c b a d a d c b a 99100
)(。
9-19 设系统状态方程为
u b x a x ??
?
???+??????-=1110&, 且状态完全可控。试求a 、b 。 解:??
??
??-=11ab b b U ,01det 2
≠--=b ab U ,只需b b a 1+≠。 9-20 设系统传递函数为
8
147)(23++++=
s s s a
s s G ,
且状态完全可控。试求a 。
解:可控标准型实现的系统,无论a 取何值,系统状态完全可控。在可观标准型实现中
u a x x ??????????+??????????---=017101401800&,[]x y 100=;????
??????---=71014180a a a U , 08147det 2
3≠-+-=a a a U ;只需1≠a 、2≠a 且4≠a 。
注:由)(s G 分子和分母的多项式互质条件,同样得到081472
3≠-+-a a a 。
9-21 判断下列系统的输出可控性:
⑴ u x d c b a x
?
?????
??????+???????
?????----=1100000
00000000
0&,[]x y 0001=。 ⑵ u x x ??
??
?
?????+??????????---=100611
6100010
&,[]x y 001=;
解:输出可控性判别矩阵CU B A AB B C B CA CAB CB S n n o
===--][][11Λ
Λ。
⑴ ??
???
??
??
???----=32
3211000
00000d d d
c c c U ,]0000[=o S ,q S o <=0rank ,系统的输出不可控。
⑵ ????
??????=001010100U ,]100[=o S ,q S o ==1rank ,系统的输出可控; 9-22 判断下列系统的可观测性:
⑴u x x ??????????+??????????-----=102101110221&,[]x y 011=; ⑵x x ?????
??
???=130
020002
&,[]x y 111=; ⑶x x ????????????----=200
012000010001
1&,x y ??????-=01000001;⑷x x ????
??????-=30002001
2&,[]x y 110=。
解:应用可观测性判别矩阵。
⑴ ??
????????---=252131011
V ,3rank =V ;
系统完全可观测;
⑵ ????
??????=1134152111V ,3rank =V ; 系统完全可观测;
⑶ ????
?????
???---=12000011010000012V ,4rank =V ; 系统完全可观测;
⑷ ????
??????-=940320110V ,n V <=2rank ;
系统不完全可观测;
9-23 试确定使下列系统可观测的a 、b :
x b a x ??
?
???=01&,[]x y 11-=。
解:??
?
?
??--=b a V 111,01det ≠+-=a b V ,只需1-≠b a 。
9-24 已知系统各矩阵为
??????????=100240231A ,??
??
?
?????=010010B ,??????=100001C ,
试用传递函数矩阵判断系统的可控性、可观测性。
解:????
???
???-----=??????????------=---400210234
)4)(1(1100240231)I (1
1
s s s s s s s s A s , 传递函数矩阵为 ??????----=04
42)4)(1(1
)(s s s s s G ; ????
??????=010*********U ,n U ==3rank ;??
???
????
???=100
231
100001
V ,n V ==3rank ; 该实现是完全可控且完全可观测的。 9-25 将下列状态方程化为可控标准型
u x x ??
????+??????-=114321&。 解: x T x =;1
-=TAT A ,TB B =;
65)I det(2+-=-s s A s ,??????-=Λ0115,??????-=7111U ;??
????-=Λ=-12161U T ,???
???-=621181T ; u x x ??
????+??????-=1051010&。 注:若不要求计算变换矩阵,可根据特征多项式直接列写可控标准型。 9-26 已知系统传递函数为
2
31
)(2+++=
s s s s G ,
试写出系统可控不可观测、可观测不可控、不可控不可观测的动态方程。
解:系统传递函数的分子和分母多项式中有公因式)1(+s ,任何2维动态方程不可能是既完全可控又完全可观测的。
可控不可观测动态方程 u x x ???
???+??????--=103210&, []x y 11=; 可观测不可控动态方程 u x x ??????+??????--=113120&, []x y 10=; 不可控不可观测动态方程 u x x ??
????+??????--=011002&, []x y 01=。
9-27 已知系统各矩阵为
??
?????
??
???---=4023032600200001
A ,?????
?
??????=2301b ,[]1134--=c , 试求可控子系统、不可控子系统的态方程。 解:1-=TAT A ,TB B =,1
-=CT
C ;
?????????
???=19147112333300001111U ,2rank =U ;选取????????????=-001121033010000111T ,?
?
???
?
??????---=09027
0090100210011
91T ; u x x ?????
?
??????+????????????---=00013200020009/25109/240&,[]x y 13101-=; 可控子系统动态方程: u x x c c ??
????+??????-=015140&,[]c c x y 101=; 不可控子系统动态方程: c c x x ?
?
?
?
??-=3202&,[]c c x y 13-=。 9-28 系统各矩阵同习题9-27,试求可观测子系统、不可观测子系统的态方程。
解:1
-=TAT A ,TB B =,1-=CT C ;
?????????
???--------=6427118191693413431071134V 初等变换成?????
???????---0000000120129113
4,n V <=3rank , 选取变换矩阵,?????????
???------=10001693413431071134T ,????
????????------=-120002419971081252324017121211T ; u x x
?????
?
??????+????????????--=246101212/712/25108191201000010&,[]x y 0001=; 不可观测子系统动态方程: u x x o o 22+=&。
可观测子系统动态方程:
u x x o o ?????
?????+??????????-=4610181912100010&,[]o o x y 001=; 9-29 设被控系统状态方程为
u x x ????
?
?????+??????????--=10001010110010&, 可否用状态反馈任意配置闭环极点?求状态反馈矩阵,使闭环极点位于}31,10{j ±--,并画出状
态变量图。
解:????
??????=99010010901001000
U ,3rank =U ,系统完全可控,可用状态反馈任意配置闭环极点。
期望的特征多项式为 402412)42)(10()(2
32+++=+++=s s s s s s s K α;
待定参数特征多项式为 1322
3310)91010()910()(k s k k s k s s +-++-+=α; 解得, []1.22.14=K 。状态变量图如下:
9-30 设被控系统动态方程为
u x x ??
????+??????=100010&,[]x y 01=, 试设计全维状态观测器,使其闭环极点位于}2,{r r --,)0(>r ,并画出状态变量图。
解:期望的观测器特征多项式为 2
223)2)(()(r rs s r s r s s L ++=++=α;
待定系数的特征多项式为 212
)I det()(l s l s LC A s s ++=+-=α;
??
????=223r r L ;
u y r r z r r z ??
?
???+?
?????+??????--=1023021322&,z x =?。 状态变量图如右图所示。
9-31 设被控系统动态方程为
u x x ??
??
??????--+??????????-=102102
310101500&,[]x y 100=, 试检查被控系统的可控性、可观测性;求输出至输入的反馈矩阵,使闭环极点位于3.122.0j ±-,
57.0-,并画出状态变量图。
解:??
??
??????----=511012215002
1U ,3rank 1=U ,可控性判别矩阵满秩;动态方程是可观测标准型;
被控系统是完全可控且完全可观测的; 期望的特征多项式为
9909.09892.101.1)7384.144.0)(57.0()(232+++=+++=s s s s s s s K α;
选取状态反馈矩阵 ???
???=32
1000k k k K ;则待定参数特征多项式为
)5105()1255()32()(123212233
--+---++-+=k k s k k k s k k s s α
解得 ?
?
????---=6068.23084.07533.0000
K ; 构造全维状态观测器,其极点选为}5,3,2{---;则,
303110)5)(3)(2()(23+++=+++=s s s s s s s L α, )5()1()3()(12233l s l s l s s +-++-+++=α;
即??
??
??????=73235L ;y u z z ?????
?????+??????????--+??????????---=73235102102101031013000&,z x =?;
9-32 已知系统的传递函数为
)
3)(2)(1()
2)(1()(+-++-=
s s s s s s G ,
能否利用状态反馈将传递函数变成
)
3)(2(1
)(++-=
s s s s G k 。
若有可能,求出一个满足要求的状态反馈阵K ,并画出状态变量图。(提示:状态反馈不改变原传递函数零点。)
解:系统能控规范形是完全可控的,完全可控系统可利用状态反馈任意配置闭环极点。将闭环极点配
置在}3,2,1{---上,即可满足要求。取 ][321k k k K =;原系统和状态反馈系统的状态实现分别为:
[]x y u x x 112100256100010-=??????????+??????????-=&; []x
y r x x 112,10071612100010-=??????????+??????????---=&;
即,1261-=-k ;1652-=-k ;721-=--k ;
解得:[]52118=K 。
9-33 已知系统动态方程各矩阵为
??????????-=020113021A ,??
??
?
?????=100b ,[]111-=c ,
试检查可观测性,设计)(q n -维观测器,并使所有极点配置在4-。 解:3=n ,1=q ;
??
???
?????---=171112111V ,n V ==3rank ,该系统完全能观;选取变换矩阵
??????????-=100010111P , ??????????-==-1000101111Q P ;则 ??????????--=020413312A ;??
??
?
?????=101b ;??????=21l l L ;
u b L b y A L A L A L A z A L A z )()]()[()(12112112221222-+-+-+-=&,z Q y L Q Q x
221)(?++=; 1682++=s s L α,)86()13()det()(212121222-++-++=+-=l l s l l s A L A sI s α;解得,
?
?
?
???=??????=7647.17059.317/3017/63L ;)(q n -维观测器方程如下: y u z z ??????+??????--+??????---=5294.34118.47647.07059.32941.52353.01176.77059.2&,z y x ????
?
?????+??????????=1001117647.17059.34706.4?。
9-34 试用李亚普诺夫第二法判断下列系统平衡态的稳定性:
211x x x +-=&,21232x x x -=&。 解: 李亚普诺夫方程Q PA P A -=+T
,
其中系统矩阵为 ??????--=3211
A ;取??????=22121211p p p p P ,??????=221100q q Q ,060422
11>=>=q q ; 解得 089920>??
?
???=P ,系统的平衡态是渐近稳定的;
(或采用李亚普诺夫方程I T -=+PA P A ,解得 050.175.175.100.4>?
?
?
???=P 。) 9-35 已知系统的状态方程为
u x x ????
?
?????+??????????---=01200115.0001035.02&, 当I =Q 时,=P ?若选Q 为半正定矩阵,=Q ?对应=P ?判断系统稳定性。 解:系统稳定性与所选取的矩阵Q 无关。
当I =Q 时,由李亚普诺夫方程Q PA P A -=+T
得到
??
?
??
=+-+--=--=-+--=+-=++-=0
5.025.031260231
205.05.01433231312331323131123221213121111p p p p p p p p p p p p p p p p , 解得 ????
??????-----=535135141013107281P ,由011
可取]001[diag =Q ,(必须011>q ),经检验知},{Q A 完全可观测; 解得?????
???
??-----=459
15
9151115117
281P ,P 非正定,系统不稳定。 9-36 设线性定常离散系统状态方程为
)(002/100010)1(k x a k x ??
??
?
?????=+,0>a ,
试求使系统稳定的a 值范围。
解1:离散系统渐近稳定的充要条件是所有特征值均在单位圆内。
由05.0)I det(3
=-=-a z A z ,得2|| 解2:选取I P =;由Q P P -=-ΦΦT ,计算得4/1211a q -=,其余0=ij q ,因},{Q Φ完全可观测,