现代控制理论第二章
一: 基本概念
1：系统：所谓系统，是由相互制约的各个部分有机结合，且具有一定功能的整体。
2：静态系统：对于任意时刻t，系统的输出惟一地取决于同一时刻的输入，这类系统称为静态系统。
3：动态系统：对于任意时刻t，系统的输出不仅与t时刻的输入有关，而且与t时刻以前的累积有关（这种累积在t0（t0＜t））
4：状态变量:是构成系统状态的变量，是指能完全描述系统行为的最小变量组中的每个变量。
5：系统变量：输入变量、状态变量、输出变量统称为系统变量。6：状态方程：是描述系统状态变量与输入变量之间关系的一阶微分方程组（连续时间系统）或一阶差分方程组（离散时间系统）。
7：输出方程：是描述系统输出变量与系统状态变量和输入变量之间关系的代数方程。
8：状态：动态系统的状态是完全地描述动态系统运动状况的信息，系统在某一时刻的运动状况可以用该时刻系统运动的一组信息表征，定义系统运动信息的集合为状态。例如，由做直线运动的质点所构成的系统，它的状态就是质点的位置和速度。
9：状态向量：设系统的状态变量为x1(t),x2(t),………,x n(t),那么用它们作为分量所构成的向量就称为状态向量，记作
10：状态空间:以状态变量x 1(t),x 2(t),………,x n (t)为坐标轴构成的n 维空间称为状态空间。
11：状态轨迹：状态向量的端点在状态空间中的位置代表了某一特定时刻系统的状态。
二：状态方程形式：系统的状态方程表征了系统由输入引起的内部状态变化的规律。连续时间系统和离散时间系统状态方程的一般形式可分别表示为
和
式中，x(t)-连续时间系统的n 维状态向量；
x(k)-离散时间系统在k 时刻的的n 维状态向量； u(t)-连续时间系统的r 维输入（控制）向量； u(k)-离散时间系统在k 时刻的r 维输入向量； f[.]-n 维向量函数，f[.]=[f 1(.),f 2(.),…,f n (.)]T . 三：输出方程形式：连续时间系统和离散时间系统输出方程的一般形式可分别表示为
y(t)=g[x(t),u(t),t]
()()()12n x t x t .()..x t x t ??????????=??
??????????[]
.
()(),(),x t f x t u t t =[]
(1)(),(),x k f x k u k k +=
和
y(k)=g[x(k),u(k),k]
式中，y(t)-连续时间系统的m 维输出向量；
y(k)-离散时间系统在k 时刻的m 维输出向量；
g[.]-m 维向量函数，g[.]=[g 1(.),g 2(.),…,g m (.)]T .其余定义同上。
四：一般形式及其各自的意义：
式中，矩阵A 便是了系统内部状态变量之间的联系，取决于被控系统的作用机理、结构和各项参数，称之为系统矩阵；输入矩阵B 表示各个输入变量如何控制状态变量，故称为控制矩阵；矩阵C 表示输出变量如何反映状态变量，称之为输出矩阵或观测矩阵；矩阵D 则表示输入队输出的直接作用，称之为直接传递矩阵。 2.3 状态空间表达式的建立
2.3.1 由系统的机理建立状态空间表达式 步骤：（1）选择状态变量
（2）利用电路基本理论原理，建立原始方程
（3）导出状态变量的一阶微分方程组 （4）导出状态方程和输出方程 （5）列写状态空间表达式
例子：如图所示电路，取电压源e 为输入变量，R 1上的电压为输出变
x Ax Bu y Cx Du ???=+?=+??
量，建立该电网络的状态空间表达式，电压和电流为关联参考方向。
e -
解：（1）选取状态变量
网络中只含有电容C 、电感L 两个独立储能元件，选电容端电压u c 、流经电感的电流i L 作为状态变量。 （2）利用电路基本定理列原始方程
回路I ：()0L
c L di R i i L
e dt ++= (1) 回路II ：1c L c du di
u R C L dt dt
+= (2)
将（2）代入（1）整理得：0L
R C i L e c L du di dt dt
++=（） （3）导出状态变量的一阶微分方程组
00L R C
L R e c L du di
i dt dt
+=-+ 1R C c L c du di
L u dt dt -=-
（4）导出状态方程和输出方程
将上式写成向量-矩阵形式的方程
00101001L L c c di L R C i R dt e du u L R C dt ??
??-????????=+??????????--?????
?????????
解之，得向量-矩阵形式的状态方程
110001101001L L c c di L R C i L R C R dt e du u L R C L R C dt --??
??-??????????
=+????????????
---????????????????
=()()()()()()01
0101
0101001010111
L c R R R R R R L R R L R R L i e u R R R C R R C R R C -????
????+++???
???+??????--???
???+++????
输出方程为：
()()()10110
1010111
c R L C du R u R C R i u e dt R R R R R R ??-==-+??
+++?? =0111010101
L c i R R R R e u R R R R R R ????--+?
???
+++???? （5）列写状态空间表达式
将状态方程和输出方程合起来即为状态空间表达式：
令1L x i =，2c x u =，u e =，1
R y u =，则可得状态空间表达式的一般
式，即
()()()()()()01010101011120201010110111201010111R R R R R R L R R L R R L x x u x
R x R R C R R C R R C x R R R R y u x R R R R R R ?-?????????+++?????????=+?????????--??????????+++?????
?????-?=-+????+++??????
2.3.2 由系统微分方程建立状态空间表达式 1、微分方程中输入函数不含导数项的情况
当单输入单输出线性定常连续系统的输入量中不含导数项时，描述该系统微分方程的一般形式为
()(1)11n n n n y a y a y
a y bu --++???++= 选取(1)12,,,n n x y x y
x y -==???= 则有：
12231
1121n n n n n n x
x x x x x x
a x a x a x bu --=??=??
??=?=---???-+??
和
1y x =
写成向量方程形式，即系统的状态空间表达式为
()[]1122
1111
1
1121()()01000()()00100,
()0001()0()()()()1000()(n n n n n n n n n n x t x t x t x t u x t x t a a a a b x t x t x t x t y t x t x -------??????????????????????
????????????????=+???
????????????????
?????
??
?---???-????????= )t ??
????
??
????????
或者
()()()()()x
t Ax t bu t y t cx t =+???
=??
其中，
()121()()()()n n x t x t x t x t x t -????????=????????
，11
1
10
10000100001n n n n A a a a a ----???
??
??????
?
??=??
???????---???-??
，
000b b ??????
??=????????
，[]1000c = 2、微分方程中输入函数含有导数项的情况
()(1)()(1)
1101
1n n n n n n n n y a y a y a y b u bu b u b u ----++???++=++++ 选取一组状态变量
1021101(1)(1)(2)11011n n n n n n n x y u
x x u y
u u x x u y
u u u ββββββββ------=-??=-=--??
??=-=---?
式中，0β，1β，….1n β-为n 个待定系数。 由上式可得
()()()
()()
()()12123211()()(1)0111121100111022211201112231011220()n n n n n n n n n n n
n n n n n n n n n n n n x x u x x u x x u x y u u u a x a x a x b u b a u b a a u b a a a u b a a a u βββββββββββββββββββ--------------?
=+??=+???=+?=---=---?+-+--+---+-----+----
??
??????
?
?
?
若选择
00
1110221120
1112231011220
n n n n n n n n n n b b a b a a b a a a b a a a ββββββββββββββ-------=??=-??=--??
??=----?=----??
则系统的状态方程为
1212321
11121n n n n n n n n x x u x x u x x u x
a x a x a x u ββββ---=+??=+??
??=+?=----+??
系统的输出方程为
10y x u β=+
写成矩阵形式为
()()()()
()()x
t Ax t bu t y t cx t du t =+???
=+?? 其中
1210100001000
1n
n n A a a a a --??????????
??
??=??
???????---???
-??
,121n n b ββββ-??
??
????=????
????
[]1000c = ，0d β=
为了便于记忆，系数0β，1β，….1n β-可写成如下矩阵形式：
01112112311
2
1
100001000101n n n n n n n
n n n b b a b a a a b a a a a ββββ-------??????????????????
????????????=???
?????????????????????
????
??
二．由传递函数建立状态方程 传递函数的一般形式是：101112121()m m m m
n n n n n
S S S G s S a S a S a S a ββββ-----++++=+++++
在实际中m n
≤，上式的通用形式为：
1212112
121()n n n n
n n n n n
b S b S b S b G s d S a S a S a S a ------++++=++++++ d 表示输入直接作用于输出。 1.直接法
()
n
G s S 化为更直接的真分式为：
12(1)12112(1)121()
()()1n n n n n n
n n b S b S b S b S Y s G s U s a S a S a S a S ------------++++==
+++++ 构造函数:12(1)1211
()()
1n n
n n M s U s a S a S a S a S ------=+++++
传递函数的分子分母同时乘以构造函数()M s 化简为：
12(1)121()()()()()n n n n Y s b S M s b S M s b S M s b S M s ------=++++
指定每个积分器的输出为状态变量：
111(1)2111(())(())(())
n n x L s M s x L s M s x L s M s -------===
反写出状态变量图
有状态变量图写出状态空间表达式：
[].1
1.2
2.1211212
11010000010000
011n n n n n n
n n n x x x x u a a a a x x x x y b b b b x x ----??????????????????????????????=+??
????????????????
??????----??????
????????=????????
2.串联法 把()G s 改写为：
2111121()()()
()()()()()
n n n n s z s z b s z G s s p s p s p s p ---+++=
++++
有n 个子系统串联而成构成状态图
状态方程为：
.
1111.
2122
.3112233
.4112223344.112223321111222332111()()()()()()()()()()n n n n n n
n n n n n n
x p x b u x x p x x x z p x p x x x z p x z p x p x x x z p x z p x z p x p x y x z p x z p x z p x z p x -------=-+=-=+--=+-+--=+-+-++--=+-+-++-+-
写成矩阵表达式为：
111122
21233312
23
44412
23
3412
20000100001000100101n n n x p
x b x p x z p p x x u z p z p p x x z p z p z p p x x y z p z ??
??-??????
??????????-?????????
?????--??=+????????---????????????????????????----??????
??????????
=-
[]123334
14n n n x x x p z p z p x x -????????
---??
?????????
?
3.并联法 把()G s 改写为：
1212()lim ()()
i
n
n i i x p c c c
G s s p s p s p c s p G s →-=
++++++=+ 化为个子系统并联，有状态图
反写出状态方程：
[]1112221212
00
01000100
01n n n n n x p x p x x u
p x x x x y c c c x ??
-??????
??????????-????????=+??????
????????
??-??????????????
??
=??????
对含有重实根时：
111111112
1111(1)
11(1)()()
()()()()()
()()()()()1lim [()()](1)!lim ()()
i
q q n q q n q n j q j j s p i i s p Y s M s G s U s s p s p s p c c c c c s p s p s p s p s p d c s p G s j ds c s p G s +++--→-→-==
+++=
++++++
+++++=+-=+
则各个状态量为：
1
12
1
111
11()()()
1()()()1()()()1()()()1()()()q q q
q q n
n x s U S s p x s U S s p x s U S s p x s U S s p x s U S s p -++?
=?+?
?
=?+???
?=?+?
?=?+?
??
?=?+?
进一步化简为：
1212311111
()()
()1
()()
()1
()()()1
()()
()1
()()
()
q q q n n x s x s s p x s x s s p x s U S s p x s U S s p x s U S s p ++=+=
+=+=
+=
+
可以得到：
11122123111111q q q q
q
n n x p x x x p x x x p x x x p x u
x p x u
---?=-+??=-+????
?=-+??=-+??
??=-+?
最终状态方程为：
11121231311111110000010
00000000000000
00000000000000000q q q q q q q n n n x p x x p x x p x p x x p x x x x p x x --+++????
??-??????
?-????????-???
?????????=-???
?-????????????????????-?????????
1112110000111q q q n u
y c c c c c c x
-+???
????????
????
????
????????+????????????
????
????
??????
???=??
一 传递函数（阵） 1. 单输入---单输出系统 已知状态方程:
.
T x Ax Bu
y C du =+=+
x —n 维状态矢量;y 和u —输出和输入；A —n*n 方阵； B---n*1列阵； T C --1*n 行阵；d —标量一般为零
对上面方程进行拉氏变换，并假定初试条件为零，则有：
1()()()()()()
T
X s sI A BU s Y s C X s dU s -=-=+
故U-Y 间的传递函数为：
1()
()()()
X s W s sI A B U s -=
=-（n*1列阵函数） U-Y 间的传递函数：1()
()()()
T Y s W s C sI A B d U s -=
=-+(标量) 2.多输入多输出系统 已知系统的状态空间表达式:
.
T x Ax Bu
y C Du =+=+ （1-2）
u--输入列矢量； y--输出列矢量； B---n*r 控制矩阵； C —m*n 输出矩阵 D —m*r 直接传递阵 A ，x 同单变量系统； 对1-2 进行拉氏变换，初始条件为零，得：
11()()()
()()()()X s sI A BU s Y s C sI A Bu s DU s --=-=-+
故U-X 间的传递函数为：1()()ux W s sI A B -=-（n*r 的矩阵函数） 而U-Y 间的传递函数为：1()()W s C sI A B D -=-+（m*r 的矩阵函数）
一 系统状态空间表达式非唯一
一定常系统，状态变量不同，相应的状态空间表达式结构形式不同。
状态矢之间实际上是一种矢量的线性变换。
.
T x Ax Bu y C du
=+=+（1-1） 找一个非奇异矩阵T, 使x=Tz 即1z T x -=,代入上式：
.
11z T ATz T Bu --=+；10(0)z T x -=
y CTz Du =+
因为T 为任意的非奇异矩阵，故状态空间表达式为非唯一的。T 为变换矩阵。
二 系统特征值的不变性及系统的不变量 1. 系统特征值
对于系统.
T x Ax Bu
y C du =+=+，系统特征值就是A 的特征值，也即：||0I A λ-= 2. 系统的不变量和特征值的不变性 同一系统，经奇异变换之后，得
.
11z T ATz T Bu y CTz Du
--=+=+ 三 状态表达式变换为约旦标准型
这里将.
y Cx x Ax Bu =+= 变换为
.
11
y z T ATz T Bu CTz
--=+= 根据系统矩阵A 求其特征值，可直接写出系统的约旦标准型矩阵J
1200n λλλ???????????????
? 111
1
101000q n λλλλλ+??
???????????????
?????
（无重根时） （有重根时）
3.求矩阵的T 的几种方法如下： 1.A 阵为任意形式 （1）特征值无重根时
设i λ是A 的n 个互异特征根（1,2， ，n ），求出的特征矢量i P ，则变换矩阵A 的特征矢量构成，即[]12n T P P P = （2）A 阵的特征值有重根时
设A 的特征值有q 个的重根，其余（n-q ）个跟为互异根，引出T 阵：
121q q n T P
P P P P +??=?? 其中，1q n P P + 是对于（n-q ）个单根的特征矢
量，对应q 个重1λ根的向量，应根据下式计算：
1111221
11
0q q q P AP P AP P P AP P λλλ--=-=--=
显然， 1P 仍为1λ对应的特征矢量，其余2q P P 则成为广义特征矢量。
现代控制理论课后习题答案
绪论 为了帮助大家在期末复习中能更全面地掌握书中知识点，并且在以后参加考研考博考试直到工作中，为大家提供一个理论参考依据，我们11级自动化二班的同学们在王整风教授的带领下合力编写了这本《现代控制理论习题集》（刘豹第三版），希望大家好好利用这本辅助工具。 根据老师要求，本次任务分组化，责任到个人。我们班整体分为五大组，每组负责整理一章习题，每个人的任务由组长具体分配，一个人大概分1~2道题，每个人任务虽然不算多，但也给同学们提出了要求：1.写清题号，抄题，画图（用CAD或word画）。2.题解详略得当，老师要求的步骤必须写上。3.遇到一题多解，要尽量写出多种方法。 本习题集贯穿全书，为大家展示了控制理论的基础、性质和控制一个动态系统的四个基本步骤，即建模、系统辨识、信号处理、综合控制输入。我们紧贴原课本，强调运用统一、联系的方法分析处理每一道题，将各章节的知识点都有机地整合在一起，力争做到了对控制理论概念阐述明确，给每道题的解析赋予了较强的物理概念及工程背景。在课后题中出现的本章节重难点部分，我们加上了必要的文字和图例说明，让读者感觉每一题都思路清晰，简单明了，由于我们给习题配以多种解法，更有助于发散大家的思维，做到举一反三！
这本书是由11级自动化二班《现代控制理论》授课老师王整风教授全程监管，魏琳琳同学负责分组和发布任务书，由五个小组组组长李卓钰、程俊辉、林玉松、王亚楠、张宝峰负责自己章节的初步审核，然后汇总到胡玉皓同学那里，并由他做最后的总审核工作，绪论是段培龙同学和付博同学共同编写的。 本书耗时两周，在同学的共同努力下完成，是二班大家庭里又一份智慧和努力的结晶，望大家能够合理使用，如发现错误请及时通知，欢迎大家的批评指正！ 2014年6月2日
现代控制理论第一章答案1
习题解答 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18
2-1 如题图2-1所示为RLC 电路网络,其中()i U t 为输入电压,安培表的指示电流)(t i o 为输出 量。试列写状态空间模型。 题图2-1 解: (1) 根据回路电压和节点电流关系,列出各电压和电流所满足的关系式. ()()() 1 ()()()()() i L C L C R C C d U t L i t U t dt d i t i t i t C U t U t dt R =+=+=+ (2) 在这个电路中,只要给定了储能R 元件电感L 和电容C 上的i L 和U C 的初始值,以及t ≥t 0 时刻后的输入量U i (t ),则电路中各部分的电压、电流在t ≥t 0时刻以后的值就完全确定了。也就是说,i L 和U C 可构成完整的描述系统行为的一组最少个数的变量组,因此可选i L 和为U C 状态变量,即 x 1(t )=i L , x 2(t )=u C (3) 将状态变量代入电压电流的关系式,有 1221211 11 i dx x U dt L L dx x x dt C RC =-+=- 经整理可得如下描述系统动态特性的一阶矩阵微分方程组--状态方程 11i 22110110x x L U L x x C RC ??-??????????=+???? ???? -???????????? (4) 列写描述输出变量与状态变量之间关系的输出方程, 1221110C x y U x x R R R ????===?? ?????? (5) 将上述状态方程和输出方程列写在一起,即为描述系统的状态空间模型的状态空间表达 式 11i 221211011010 x x L U L x x C RC x y x R ??-?????????? =+????????-? ??????????? ??? ?=????? ???
现代控制理论习题解答..
《现代控制理论》第1章习题解答 1.1 线性定常系统和线性时变系统的区别何在？ 答：线性系统的状态空间模型为： x Ax Bu y Cx Du =+=+ 线性定常系统和线性时变系统的区别在于：对于线性定常系统，上述状态空间模型中的系数矩阵A ，B ，C 和D 中的各分量均为常数，而对线性时变系统，其系数矩阵A ，B ，C 和 D 中有时变的元素。线性定常系统在物理上代表结构和参数都不随时间变化的一类系统， 而线性时变系统的参数则随时间的变化而变化。 1.2 现代控制理论中的状态空间模型与经典控制理论中的传递函数有什么区别？ 答: 传递函数模型与状态空间模型的主要区别如下: 1.3 线性系统的状态空间模型有哪几种标准形式？它们分别具有什么特点？ 答: 线性系统的状态空间模型标准形式有能控标准型、能观标准型和对角线标准型。对于n 阶传递函数 121210 1110 ()n n n n n n n b s b s b s b G s d s a s a s a ------++++=+++++， 分别有 ⑴ 能控标准型： []012 101 210100000100000101n n n x x u a a a a y b b b b x du ---????? ???????????? ???=+?? ???????? ? ?????----???? ? =+??
⑵ 能观标准型： []0011221100010 00 100010 1n n n b a b a x a x u b a b y x du ---?-?? ????? ??-????? ?????=-+???? ? ????? ??????-???? ?=+?? ⑶ 对角线标准型： []1212 001001001n n p p x x u p y c c c x du ????? ??????? ???=+?????? ????? ??????=+? 式中的12,, ,n p p p 和12,,,n c c c 可由下式给出， 12121012 1 11012 ()n n n n n n n n n b s b s b s b c c c G s d d s a s a s a s p s p s p ------++++=+=+++ +++++--- 能控标准型的特点：状态矩阵的最后一行由传递函数的分母多项式系数确定，其余部分具有特定结构，输出矩阵依赖于分子多项式系数，输入矩阵中的元素除了最后一个元素是1外，其余全为0。 能观标准型的特点：能控标准型的对偶形式。 对角线标准型的特点：状态矩阵是对角型矩阵。 1.4 对于同一个系统，状态变量的选择是否惟一？ 答：对于同一个系统，状态变量的选择不是惟一的，状态变量的不同选择导致不同的状态空间模型。 1.5 单输入单输出系统的传递函数在什么情况下，其状态空间实现中的直接转移项D 不等 于零，其参数如何确定？ 答: 当传递函数)(s G 的分母与分子的阶次相同时，其状态空间实现中的直接转移项D 不等于零。 转移项D 的确定：化简下述分母与分子阶次相同的传递函数 1110 111)(a s a s a s b s b s b s b s G n n n n n n n ++++++++=---- 可得： d a s a s a s c s c s c s G n n n n n ++++++++=----0 11 10 111)( 由此得到的d 就是状态空间实现中的直接转移项D 。 1.6 在例1. 2.2处理一般传递函数的状态空间实现过程中，采用了如图1.12的串联分解，试 问：若将图1.12中的两个环节前后调换，则对结果有何影响？
现代控制理论1-8三习题库
信息工程学院现代控制理论课程习题清单
正确理解线性系统的数学描述，状态空间的基本概念，熟练掌握状态空间的表达式，线性变换，线性定常系统状态方程的求解方法。 重点容：状态空间表达式的建立，状态转移矩阵和状态方程的求解，线性变换的基本性质，传递函数矩阵的定义。要求熟练掌握通过传递函数、微分方程和结构图建立电路、机电系统的状态空间表达式，并画出状态变量图，以及能控、能观、对角和约当标准型。难点：状态变量选取的非唯一性，多输入多输出状态空间表达式的建立。 预习题 1.现代控制理论中的状态空间模型与经典控制理论中的传递函数有何区别？ 2.状态、状态空间的概念？ 3.状态方程规形式有何特点？ 4.状态变量和状态矢量的定义？ 5.怎样建立状态空间模型？ 6.怎样从状态空间表达式求传递函数？ 复习题 1.怎样写出SISO系统状态空间表达式对应的传递函数阵表达式 2.若已知系统的模拟结构图，如何建立其状态空间表达式？ 3.求下列矩阵的特征矢量 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - - = 2 5 10 2 2 1- 1 A 4.（判断）状态变量的选取具有非惟一性。 5.（判断）系统状态变量的个数不是惟一的，可任意选取。 6.（判断）通过适当选择状态变量，可将线性定常微分方程描述其输入输 出关系的系统，表达为状态空间描述。 7.（判断）传递函数仅适用于线性定常系统；而状态空间表达式可以在定 常系统中应用，也可以在时变系统中应用. 8.如果矩阵A 有重特征值，并且独立特征向量的个数小于n ,则只能化为 模态阵。 9.动态系统的状态是一个可以确定该系统______（结构，行为）的信息集 合。这些信息对于确定系统______（过去，未来）的行为是充分且必要 的。 10.如果系统状态空间表达式中矩阵A, B, C, D中所有元素均为实常数时， 则称这样的系统为______（线性定常，线性时变）系统。如果这些元素 中有些是时间t 的函数，则称系统为______（线性定常，线性时变）系 统。 11.线性变换不改变系统的______特征值，状态变量）。 12.线性变换不改变系统的______（状态空间，传递函数矩阵）。 13.若矩阵A 的n 个特征值互异，则可通过线性变换将其化为______（对 角阵，雅可比阵）。 14.状态变量是确定系统状态的______（最小，最大）一组变量。 15.以所选择的一组状态变量为坐标轴而构成的正交______（线性，非线性） 空间，称之为______（传递函数，状态空间）。
习题解答_现控理论_第6章
6-1 对线性系统 A B C D =+?? =+? x x u y x u 作状态反馈v x u +-=K ,试推导出闭环系统的状态空间模型和传递函数。 解 将反馈律代入状态空间模型，则有 ()()()()A B K A BK B C D K C DK D =+-+=-+=+-+=-+x x x v x v y x x v x v 因此，闭环系统的状态空间模型和传递函数分别为 1()()()()()K A BK B C DK D G s C DK sI A BK B D -=-+?? =-+?=--++x x v y x v 6-2 对线性系统 A B C D =+?? =+? x x u y x u 作输出反馈u =-H y +v ,试推导出闭环系统的状态空间模型和传递函数。 解 将反馈律代入状态空间模型的输出方程，则有 () C D H C DH D =+-+=-+y x y v x y v 即 ()I DH C D +=+y x v 因此，当()I DH +可逆时，闭环系统输出方程为 11()()I DH C I DH D --=+++y x v 将反馈律和上述输出方程代入状态方程，则有 11() [()][()]A B A B H A BH I DH C BH I DH D B --=+=+-+=-++++x x u x y v x v 当闭环系统的状态空间模型和传递函数分别为 1111 11111[()][()]()()()()[()][()]()H A BH I DH C BH I DH D B I DH C I DH D G s I DH C sI A BH I DH C BH I DH D B I DH D ---------?=-++++?=+++?=+-++++++x x v y x v
现代控制理论-第7章
第六次课小结 一、 Lyapunov 意义下的稳定性问题基本概念 平衡状态的概念 Lyapunov 意义下的稳定性定义（稳定，一致稳定，渐进稳定，一致渐进稳定，大范围渐进稳定等） 纯量函数的正定性，负定性，正半定性，负半定性，不定性 二次型，复二次型（Hermite 型） 二、 Lyapunov 稳定性理论 第一方法 第二方法 三、 线性定常系统的Lyapunov 稳定性分析 应用Lyapunov 方程 Q PA P A H -=+ 来进行判别稳定性 四、 线性定常系统的稳定自由运动的衰减率性能估计 衰减系数，一旦定出min η，则可定出)(x V 随时间t 衰减上界。 计算min η的关系式 五、 离散时间系统的状态运动稳定性及其判据 离散系统的大范围淅近稳定判据，Lyapunov 稳定判据在离散系统中的应用
六、线性多变量系统的综合与设计的基本问题 问题的提法 性能指标的类型 研究的主要内容 七、极点配置问题 问题的提出 可配置条件 极点配置算法
爱克曼公式(Ackermann’s Formula) 考虑由式（）给出的系统，重写为 Bu Ax x +=& 假设该被控系统是状态完全能控的，又设期望闭环极点为n s s s μμμ===,,,21Λ。 利用线性状态反馈控制律 Kx u -= 将系统状态方程改写为 x BK A x )(-=& 定义 BK A A -=~ 则所期望的特征方程为 ) ())((~ 11121=++++=---=-=+-* *--*n n n n n a s a s a s s s s A sI BK A sI ΛΛμμμ 由于凯莱-哈密尔顿定理指出A ~ 应满足其自身的特征 方程，所以
现代控制理论课后习题答案
前言 本书是为了与张嗣瀛院士等编写的教材《现代控制理论》相配套而编写的习题解答。 本书对该教材中的习题给予了详细解答，可帮助同学学习和理解教材的内容。由于习题数量较多，难易程度不同，虽然主要对象是研究型大学自动化专业本科学生，但同时也可以作使用其它教材的专科、本科、以及研究生的学习参考书。 书中第5、6、8章习题由高立群教授组织编选和解答；第4、7 章由井元伟教授组织编选和解答，第1、2章由郑艳副教授组织编选和解答。 由于时间比较仓促，可能存在错误，请读者批评、指正。另外有些题目解法和答案并不唯一，这里一般只给出一种解法和答案。 编者 2005年5月 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1u ，输出为2u ，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1C 两端电压为1c u ，2C 两端的电压为2c u ，则 2 12221c c c du u C R u u dt ++= (1) 1121 21c c c du u du C C dt R dt += (2) 选择状态变量为11c x u =，22c x u =，由式(1)和(2)得：
1121121121212111 c c c du R R C u u u dt R R C R C R C +=--+ 2121222222 111c c c du u u u dt R C R C R C =--+ 状态空间表达式为： 1211 1211212121 212 1222222 21111111R R C x x x u R R C R C R C x x x u R C R C R C y u u x +?=--+?? ? =--+?? ?==-?? && 即: 12121121211112222222211111R R C R C R R C R C x x u x x R C R C R C +???? -???? ????????=+????????????--??????? ? && []11210x y u x ?? =-+???? 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u f =，1M ，2M 的位移量1y ，2y 为输出量， 选择状态变量1x =1y ，2x = 2y ，3x =1 dy dt ，24dy x dt =。 根据牛顿定律对1M 有： 211311 () d x x M x Kx B dt -=--&
现代控制理论第2章l
第2章 线性系统理论 线性系统是实际系统的一类理想化模型，通常用线性的微分方程或差分方程描述。其基本特征是满足叠加原理，可分为线性定常系统和线性时变系统。 现代控制理论中，采用状态变量法描述系统，它既能反映系统内部变化情况，又能考虑初始条件，也为多变量系统的分析、综合提供了强有力的工具。 2.1 基本概念 输入：外部施加到系统上的全部激励。 输出：能从外部测量到的来自系统的信息。 状态变量：确定动力学系统状态的最小的一组变量。 状态向量：若n 个状态变量)(1t x ，)(2t x ，…，)(t x n 是向量)(t x 的各个分量，即 )(t x 为状态向量。 状态空间：以各状态变量作为基底组成的n 维向量空间。在特定的时间，状态向量)(t x 在状态空间中只是一个点。 状态轨迹：状态向量)(t x 在状态空间中随时间t 变化的轨迹。 连续时间系统：)(t x 的定义域为某时间域],[f 0t t 内一切实数。 离散时间系统：)(t x 的自变量时间t 只能取到某实数域内的离散值。 状态方程：描述系统状态变量与输入变量之间动态关系的一阶微分方程
组或一阶差分方程组。一般形式为 或 式中 u ——输入向量； k ——采样时刻。 状态方程表征了系统由输入引起的内部状态的变化。 输出方程：描述输出变量与系统输入变量和状态变量间函数关系的代数方程，具有形式 它是一个代数变换过程。 状态空间表达式：状态方程与输出方程联立，构成对动态系统的完整描述，总称为系统的状态空间表达式，又称动态方程。 线性系统的状态空间表达式具有下列一般形式： 1）连续时间系统 ? ??+=+=)()()()()()()()()()(t t t t t t t t t t u D x C y u B x A x & （2–1） 式中 A (t )——系统矩阵或状态矩阵，n ?n 矩阵； B (t )——控制矩阵或输入矩阵，n ?p 矩阵； C (t )——观测矩阵或输出矩阵，q ?n 矩阵； D (t )——输入输出矩阵，q ?p 矩阵； x ——状态向量，n 维； u ——控制作用，p 维； y ——系统输出，q 维。 2）离散时间系统
王金城现代控制理论第一章知识题目解析
王金城化工出版社第1章习题参考答案： 1-1（a ）选123123,,,,,y y y v v v 为状态变量，根据牛顿定律， 对1M ，有()1 1112121 dv M g K y K y y M dt ---= 对2M ，有()()2 22123232dv M g K y y K y y M dt +---= 对3M ，有()3 3323433dv M g K y y K y M dt +--= 令312112233415263,,,,,dy dy dy x y x y x y x v x v x v dt dt dt ===== ====，整理得 ()()()122214253641 11 23342332 51262322233 ,,,, ,K K K x x x x x x x x x g M M K K K K K x K K x x x g x x x g M M M M M +====-++++= -++=-+ () ()() 122 11 23222 22 3433 3 000100000010000000100000 01100010000K K K M M x x g K K K K M M M K K K M M ? ????? ??????? ? ??+??-????=+??????+?? ??- ? ? ???? ??? ? +- ?? ??? ? 100000010000001000y x ?? ??=?? ???? （b ）选12,12,,y y v v 为状态变量，根据牛顿定律， 对1M ，有()1 1121111 dv M g B v v K y M dt +--= 对2M ，有()2 2221212dv f M g B v B v v M dt +---= 令1211223142,,,dy dy x y x y x v x v dt dt === ===，整理得 11113243134111 ,,K B B x x x x x x x x g M M M ===--++， 112434222 B B B f x x x g M M M +=-++
(完整word版)现代控制理论习题解答(第二章)
第二章 状态空间表达式的解 3-2-1 试求下列矩阵A 对应的状态转移矩阵φ（t ）。 （1） ???? ??-=2010A （2） ?? ? ???-=0410A （3） ??????--=2110 A （4） ???? ??????-=452100010A （5）?? ??????? ???=000010000100 0010A （6）? ???? ? ??? ???=λλλλ000100010000A 【解】： （1） ???? ? ? ????? ?++=?? ????+-=-=Φ-----)2(10)2(11}201{])[()(11 111s s s s L s s L A sI L t ??? ? ????-=????? ? ??????++-=---t t e e s s s s L 22105.05.01)2(10)2(5.05.01 （2） ?? ? ???-=???? ? ? ??????+++- +=?? ????-=-=Φ-----t t t t s s s s s s L s s L A sI L t 2cos 2sin 22sin 5.02cos 44 441 4}41{])[()(222211 111 （3） ??? ? ? ?????? ?++-+++=?? ????+-=-=Φ-----222211 111)1()1(1)1(1 )1(2 }211{])[()(s s s s s s L s s L A sI L t ??? ? ????--+=Φ------t t t t t t te e te te e te t )( （4） 特征值为：2,1321===λλλ。 由习题3-1-7(3)得将A 阵化成约当标准型的变换阵P 为
现代控制理论基础第二章习题答案
第二章 状态空间表达式的解 3-2-1 试求下列矩阵A 对应的状态转移矩阵φ（t ）。 （1） ???? ??-=2010A （2） ?? ? ???-=0410A （3） ??????--=2110 A （4） ???? ??????-=452100010A （5）?? ??????? ???=000010000100 0010 A （6）? ???? ? ??????=λλλλ000100010000A 【解】： （1） （2） （3） （4） 特征值为：2,1321===λλλ。 由习题3-1-7(3)得将A 阵化成约当标准型的变换阵P 为 ???? ??????=421211101P ，??????????----=-1211321201 P 线性变换后的系统矩阵为： （5） 为结构四重根的约旦标准型。 （6） 虽然特征值相同，但对应着两个约当块。 或}0 100010000{ ])[()(1 111----?? ??? ????? ??------=-=Φλλλλs s s s L A sI L t 3-2-2 已知系统的状态方程和初始条件 （1）用laplace 法求状态转移矩阵； （2）用化标准型法求状态转移矩阵； （3）用化有限项法求状态转移矩阵； （4）求齐次状态方程的解。 【解】：
（1） （2） 特征方程为： 特征值为： 2,1321===λλλ。 由于112==n n ，所以1λ对应的广义特征向量的阶数为1。 求满足0)(11=-P A I λ的解1P ，得： 0110000000312111=????????????????????--P P P ，???? ? ?????=0011P 再根据0)(22=-P A I λ，且保证1P 、2P 线性无关，解得： 对于当23=λ的特征向量，由0)(33=-P A I λ容易求得： 所以变换阵为： []??????????-==11001000132 1 P P P P ，???? ??????=-1100100011P 线性变换后的系统矩阵为： （3） 特征值为： 2,1321===λλλ。 即 (4) 3-2-3 试判断下列矩阵是否满足状态转移矩阵的条件，如果满足，试求对应的矩阵A 。 （1）??? ???????-=Φt t t t t sin cos 0cos sin 0001 )(（2）????????-=Φ--t t e e t 220)1(5.01)( （3）???? ??? ?+--+--=Φ--------t t t t t t t t e e e e e e e e t 22222222)(（4）? ??? ??? ?++-+-+=Φ----t t t t t t t t e e e e e e e e t 33335.05.025.025.05.05.0)( 【解】： （1） ∴不满足状态转移矩阵的条件。 （2） ∴满足状态转移矩阵的条件。 由)()(t A t Φ=Φ &，得A A =Φ=Φ)0()0(&。
《现代控制理论》第3版课后习题答案
《现代控制理论参考答案》 第一章答案 1-1 试求图1-27系统的模拟结构图,并建立其状态空间表达式。 解:系统的模拟结构图如下: 系统的状态方程如下: 令y s =)(θ,则1x y = 所以,系统的状态空间表达式及输出方程表达式为 1-2有电路如图1-28所示。以电压)(t u 为输入量,求以电感中的电流与电容上的电压作为状态变量的状态方程,与以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。 解:由图,令32211,,x u x i x i c ===,输出量22x R y = 有电路原理可知:? ? ? +==+=++3 213 222231111x C x x x x R x L u x x L x R 既得 2 221332 2222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+- =+-=+-- =? ? ? 写成矢量矩阵形式为: 1-4 两输入1u ,2u ,两输出1y ,2y 的系统,其模拟结构图如图1-30所示,试求其状态空间表达式与传递函数阵。 解:系统的状态空间表达式如下所示: 1-5系统的动态特性由下列微分方程描述 列写其相应的状态空间表达式,并画出相应的模拟结构图。 解:令.. 3. 21y x y x y x ===，，,则有 相应的模拟结构图如下: 1-6 (2)已知系统传递函数2 )3)(2() 1(6)(+++= s s s s s W ,试求出系统的约旦标准型的实现,并画出相应的模拟结构图 解:s s s s s s s s s W 31 233310)3(4)3)(2()1(6)(22++++- ++-=+++= 1-7 给定下列状态空间表达式 []??? ? ? ?????=???? ??????+????????????????????----=??????????321321321100210311032010x x x y u x x x x x x ‘ （1） 画出其模拟结构图 （2） 求系统的传递函数
《现代控制理论》第3版课后习题答案
《现代控制理论参考答案》 第一章答案 1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。 1 1K s K K p +s K s K p 1 +s J 11s K n 2 2s J K b - + + - +- ) (s θ)(s U 图1-27系统方块结构图 解：系统的模拟结构图如下： ) (s U ) (s θ-- - + ++图1-30双输入--双输出系统模拟结构图 1 K p K K 1p K K 1++ +p K n K ? ? ?1 1J ? 2 J K b ? ?- 1 x 2 x 3 x 4 x 5x 6x 系统的状态方程如下：
u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x p p p p n p b 1611166 13153 46 1 51 41 31 33 222 11+ - - =+-==+ + - - == =? ? ? ? ? ? 令y s =)(θ，则1x y = 所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为 []????????? ???????????=??????? ? ?????????? ????+?? ???????? ?????????????????????? ? ??? ? ???????? ?---- -=??????????????????????????????6543211654321111111126543 2100 0001 000000 00 0000 0001 00100000 000 000 10 x x x x x x y u K K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p p p n p b 1-2有电路如图1-28所示。以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。 R1 L1 R2 L2 C U ---------Uc --------- i1 i2图1-28 电路图
现代控制理论基础_周军_第二章状态空间分析法
2.1 状态空间描述的基本概念 系统一般可用常微分方程在时域内描述，对复杂系统要求解高阶微分方程，这是相当困难的。经典控制理论中采用拉氏变换法在复频域内描述系统，得到联系输入－输出关系的传递函数，基于传递函数设计单输入－单输出系统极为有效，可从传递函数的零点、极点分布得出系统定性特性，并已建立起一整套图解分析设计法，至今仍得到广泛成功地应用。但传递函数对系统是一种外部描述，它不能描述处于系统内部的运动变量；且忽略了初始条件。因此传递函数不能包含系统的所有信息。由于六十年代以来，控制工程向复杂化、高性能方向发展，所需利用的信息不局限于输入量、输出量、误差等，还需要利用系统内部的状态变化规律，加之利用数字计算机技术进行分析设计及实时控制，因而可能处理复杂的时变、非线性、多输入－多输出系统的问题，但传递函数法在这新领域的应用受到很大限制。于是需要用新的对系统内部进行描述的新方法－状态空间分析法。 第一节基本概念 状态变量指描述系统运动的一组独立（数目最少的）变量。一个用阶微分方程描述含有个独立变量的系统，当求得个独立变量随时间变化的规律时，系统状态可完全确定。若变量数目多于，必有变量不独立；若少于， 又不足以描述系统状态。因此，当系统能用最少的个变量 完全确定系统状态时，则称这个变量为系统的状态变量。 选取状态变量应满足以下条件：给定时刻的初始值， 以及的输入值，可唯一确定系统将来的状态。而时 刻的状态表示时刻以前的系统运动的历史总结，故状态变量是对系统过去、现在和将来行为的描述。 状态变量的选取具有非唯一性，即可用某一组、也可用另一组数目最少的变量。状态变量不一定要象系统输出量那样，在物理上是可测量或可观察的量，但在实用上毕竟还是选择容易测量的一些量，以便满足实现状态反馈、改善系统性能的需要。
第七章---现场控制盘
第七章现场控制盘 在海上平台，一个大的处理系统，经常包含有多个子系统，如注水系统、分子筛干燥再 生系统、热油炉供热系统、丙烷制冷系统、三甘醇脱水及再生系统等。这些子系统规模较小，控制简单且相对独立，这些子系统的控制因此也常常采用现场控制PLC来实现子系统的控制，子控制系统PLC经过通讯方式与主控制系统相连，把它的数据信息传递给主控制系统，主控制系统又可将ESD信号通过硬线送到就地控制盘，实施对就地盘的关断，从而实现整个控制系统的集中管理与监视。也实现了平台控制系统的控制分散和危险分散的概念。 一、现场控制盘所用的控制系统 许多子系统都采用了性能好、可靠性高的A-B公司P LC的S LC500系列控制器，下面主要 介绍由SLC500系列控制器组成的现场控制系统。 1. 结构 SLC500系列控制器是为小规模应用而设计的可编程控制器，该系列有两种硬件结构：一种是用于固定式控制器，电源、CPU,I/O卡等都连为一体，不能随意配置；另一种用于模块式控制器，由于该系列可提供各种各样I/O模块，可以随意地、很经济地配置其控制系统。 一个SLC500系列的现场控制系统包括S LC硬件、显示终端、寻址、软件等。模块式现场 控制系统的结构如图4－1所示。 图7－1 模块式现场控制系统结构图 2. 硬件 SLC硬件包括安装框架、处理器模块、I／O模块、电源块等。 SLC安装框架均需要电源向处理器CPU及每个I／O槽供电。 处理器模块是现场控制系统的核心部分，它负责整个控制系统的数据处理、通讯、工作方式等。在处理器模块上有一个钥匙开关，使用钥匙开关可以改变处理器的操作方式。在处理器上有三种操作模式：运行（RUN）、编程（PROG）、远程（REM）。如表7-1 162
现代控制理论第版课后习题答案
现代控制理论第版课后习 题答案 Prepared on 22 November 2020
《现代控制理论参考答案》 第一章答案 1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。 解：系统的模拟结构图如下： 系统的状态方程如下： 令y s =)(θ，则1x y = 所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为 1-2有电路如图1-28所示。以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。 解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y = 有电路原理可知：? ? ? +==+=++3 213 222231111x C x x x x R x L u x x L x R 既得 2 221332 2222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+- =+-=+-- =? ? ? 写成矢量矩阵形式为： 1-4 两输入1u ，2u ，两输出1y ，2y 的系统，其模拟结构图如图1-30所示，试求其状态空间表达式和传递函数阵。 解：系统的状态空间表达式如下所示： 1-5系统的动态特性由下列微分方程描述 列写其相应的状态空间表达式，并画出相应的模拟结构图。 解：令.. 3. 21y x y x y x ===，，，则有
相应的模拟结构图如下： 1-6 （2）已知系统传递函数2 )3)(2() 1(6)(+++=s s s s s W ,试求出系统的约旦标准型的实现， 并画出相应的模拟结构图 解：s s s s s s s s s W 31 233310)3(4)3)(2()1(6)(22++++- + +-=+++= 1-7 给定下列状态空间表达式 []??? ? ? ?????=???? ??????+????????????????????----=??????????321321321100210311032010x x x y u x x x x x x ‘ （1） 画出其模拟结构图 （2） 求系统的传递函数 解： （2）???? ??????+-+-=-=31103 201 )()(s s s A sI s W 1-8 求下列矩阵的特征矢量 （3）???? ??????---=6712203 010 A 解：A 的特征方程 0611667122301 23=+++=?? ?? ??????+---=-λλλλλλλA I 解之得：3,2,1321-=-=-=λλλ
习题解答_现控理论_第2章
2-1 如题图2-1所示为RLC 电路网络,其中()i U t 为输入电压,安培表的指示电流)(t i o 为输出 量。试列写状态空间模型。 题图2-1 解: (1) 根据回路电压和节点电流关系,列出各电压和电流所满足的关系式. ()()() 1()()()()() i L C L C R C C d U t L i t U t dt d i t i t i t C U t U t dt R =+=+=+ (2) 在这个电路中,只要给定了储能R 元件电感L 和电容C 上的i L 和U C 的初始值,以及t ≥t 0 时刻后的输入量U i (t ),则电路中各部分的电压、电流在t ≥t 0时刻以后的值就完全确定了。也就是说,i L 和U C 可构成完整的描述系统行为的一组最少个数的变量组,因此可选i L 和为U C 状态变量,即 x 1(t )=i L , x 2(t )=u C (3) 将状态变量代入电压电流的关系式,有 12212 1111i dx x U dt L L dx x x dt C RC =-+ =- 经整理可得如下描述系统动态特性的一阶矩阵微分方程组--状态方程 11i 22110 110x x L U L x x C RC ?? - ?? ????????=+???????? -???????? ???? (4) 列写描述输出变量与状态变量之间关系的输出方程, 12211 10C x y U x x R R R ?? ??= = =???????? (5) 将上述状态方程和输出方程列写在一起,即为描述系统的状态空间模型的状态空间表达 式
《现代控制理论》课后习题全部答案(最打印版)
第一章习题答案 1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。 图1-27系统方块结构图 解：系统的模拟结构图如下： 图1-30双输入--双输出系统模拟结构图 系统的状态方程如下： u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x p p p p n p b 161116613153 46 1 5141313322211 +-- =+-==++--== =??? ?? ? 阿 令y s =)(θ，则1x y = 所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为
[]????? ? ??? ? ??????????=??????? ???????????????+?????? ?????????????????????????? ????????????? ?-----=????????????????????????????? ?654321165432111111112654321000001000000 0000000100 10000000000010x x x x x x y u K K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p p p n p b 1-2有电路如图1-28所示。以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。 L1L2 U 图1-28 电路图 解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y = 有电路原理可知：? ? ? +==+=++3 213 222231111x C x x x x R x L u x x L x R 既得 2 221332 2222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+- =+-=+-- =? ? ? 写成矢量矩阵形式为：
赵明旺版习题解答_现控理论_第2章
习题解答 2-1 如题图2-1所示为RLC 电路网络,其中()i U t 为输入电压,安培表的指示电流)(t i o 为输出量。试列写状态空间模型。 题图2-1 解:?(1) 根据回路电压和节点电流关系,列出各电压和电流所满足的关系式. ()()()1 ()()()()() i L C L C R C C d U t L i t U t dt d i t i t i t C U t U t dt R =+=+=+ (2) 在这个电路中,只要给定了储能R 元件电感L 和电容C 上的i L 和U C 的初始值,以及t?t 0时 刻后的输入量U i (t ),则电路中各部分的电压、电流在t?t 0时刻以后的值就完全确定了。也就是说,i L 和U C 可构成完整的描述系统行为的一组最少个数的变量组,因此可选i L 和为U C 状态变量,即 x 1(t )=i L , x 2(t )=u C (3) 将状态变量代入电压电流的关系式,有 1221211 11 i dx x U dt L L dx x x dt C RC =-+=- 经整理可得如下描述系统动态特性的一阶矩阵微分方程组--状态方程 11i 22110110x x L U L x x C RC ?? -??????????=+????????-? ????? ?????? && (4) 列写描述输出变量与状态变量之间关系的输出方程, 1221110C x y U x x R R R ?? ? ?= ==????? ???
(5) 将上述状态方程和输出方程列写在一起,即为描述系统的状态空间模型的状态空间表达 式 1 1 i 221211011010 x x L U L x x C RC x y x R ??-?? ????????=+???????? -? ???????????????=????? ??? &&
现代控制理论第二章
一: 基本概念 1：系统：所谓系统，是由相互制约的各个部分有机结合，且具有一定功能的整体。 2：静态系统：对于任意时刻t，系统的输出惟一地取决于同一时刻的输入，这类系统称为静态系统。 3：动态系统：对于任意时刻t，系统的输出不仅与t时刻的输入有关，而且与t时刻以前的累积有关（这种累积在t0（t0＜t）） 4：状态变量:是构成系统状态的变量，是指能完全描述系统行为的最小变量组中的每个变量。 5：系统变量：输入变量、状态变量、输出变量统称为系统变量。6：状态方程：是描述系统状态变量与输入变量之间关系的一阶微分方程组（连续时间系统）或一阶差分方程组（离散时间系统）。 7：输出方程：是描述系统输出变量与系统状态变量和输入变量之间关系的代数方程。 8：状态：动态系统的状态是完全地描述动态系统运动状况的信息，系统在某一时刻的运动状况可以用该时刻系统运动的一组信息表征，定义系统运动信息的集合为状态。例如，由做直线运动的质点所构成的系统，它的状态就是质点的位置和速度。 9：状态向量：设系统的状态变量为x1(t),x2(t),………,x n(t),那么用它们作为分量所构成的向量就称为状态向量，记作
10：状态空间:以状态变量x 1(t),x 2(t),………,x n (t)为坐标轴构成的n 维空间称为状态空间。 11：状态轨迹：状态向量的端点在状态空间中的位置代表了某一特定时刻系统的状态。 二：状态方程形式：系统的状态方程表征了系统由输入引起的内部状态变化的规律。连续时间系统和离散时间系统状态方程的一般形式可分别表示为 和 式中，x(t)-连续时间系统的n 维状态向量； x(k)-离散时间系统在k 时刻的的n 维状态向量； u(t)-连续时间系统的r 维输入（控制）向量； u(k)-离散时间系统在k 时刻的r 维输入向量； f[.]-n 维向量函数，f[.]=[f 1(.),f 2(.),…,f n (.)]T . 三：输出方程形式：连续时间系统和离散时间系统输出方程的一般形式可分别表示为 y(t)=g[x(t),u(t),t] ()()()12n x t x t .()..x t x t ??????????=?? ??????????[] . ()(),(),x t f x t u t t =[] (1)(),(),x k f x k u k k +=