现代控制理论习题集

考虑以下系统的传递函数：

试求该系统状态空间表达式的能控标准形和可观测标准形。

1、2 考虑下列单输入单输出系统：

试求该系统状态空间表达式的对角线标准形。1、3 考虑由下式定义的系统：式中试将该系统的状态空间表达式变换为能控标准形。1、4 考虑由下式定义的系统：式中试求其传递函数

Y(s)/U(s)。1、5 考虑下列矩阵：

试求矩阵A的特征值λ1,λ2,λ3 和λ4。再求变换矩阵P，使得第二章状态方程的解2、1 用三种方法计算下列矩阵A的矩阵指数函数。1）；2）2、2 计算下列矩阵的矩阵指数函数。1）；2）；3）；4）5)

；6）；7）2、2 给定线性定常系统式中且初始条件为试求该齐次状态方程的解x(t)。2、4 已知系统方程如下求输入和初值为以下值时的状态响应和输出响应。1）；2）3）；4）2、5 验证下列矩阵是否满足状态转移矩阵的条件，若满足，求相应的状态系数矩阵A。

2、6 对线性定常系统，已知求系统矩阵A。2、7 已知线性时变系统的系统矩阵如下，计算状态转移矩阵。1）；2）2、8 给定系统和其伴随方程，其状态转移矩阵分别用和表示，证明：。

2、9 求解下列系统的状态响应。2、10 已知如下离散时间系

统，，是从单位斜坡函数t采样得到的，求系统的状态响应。2、11 已知如下离散时间系统，试求，使系统能在第二个采样时刻转移到原点。第三章线性系统的能控性与能观性3、1 考虑由下式定义的系统式中试判断该系统是否为状态能控和状态能观测。该系统是输出能控的吗？3、2 下列能控标准形式中是状态能控和状态能观测的吗？3、3 考虑如下系统式中除了明显地选择外，试找出使该系统状态不能观测的一组，和。3、4 给定线性定常系统式中试将该状态空间表达式化为能控标准形和能观测标准形。3、5 给定线性定常系统式中试将该状态方程化为能观测标准形。第四章动态系统的稳定性分析4、1 试确定下列二次型是否为正定的。4、2 试确定下列二次型是否为负定的。4、3 试确定下列非线性系统的原点稳定性。

考虑下列二次型函数是否可以作为一个可能的Lyapunov函数：4、4 试写出下列系统的几个Lyapunov函数并确定该系统原点的稳定性。4、5 试确定下列线性系统平衡状态的稳定性4、6 试确定下列线性系统平衡状态的稳定性。第五章线性系统的综合5、1 给定线性定常系统式中采用状态反馈控制律，要求该系统的闭环极点为s =10。试确定状态反馈增益矩阵K。5、2 试用MATLAB求解习题4、3。5、3 给定线性定常系统试证明无论选择什么样的矩阵K，该系统均不能通过状态反馈控制来稳定。5、4 调节器系统被控对象的传递函数为定义状态变量为利用状态反馈控制律，要求闭环极点为 (i=1,2,3)，其中试确定必需的状态

反馈增益矩阵K。5、5 试用MATLAB求解习题4、6。5、6 给定线性定常系统式中试设计一个全维状态观测器。该观测器的期望特征值为。5、7 考虑习题4、8定义的系统。假设输出y是可以准确量测的。试设计一个最小阶观测器，该观测器矩阵所期望的特征值为，即最小阶观测器所期望的特征方程为。5、8 给定线性定常系统式中假设该系统的结构与图4、5所示的相同。试设计一个全维状态观测器，该观测器的期望特征值为。5、9 给定线性定常系统该观测器增益矩阵的一组期望的特征值为。试设计一个全维观测器。5、10 考虑习题4、11给出的同一系统。假设输出y 可准确量测。试设计一个最小阶观测器。该最小阶观测器的期望特征值为。5、11考虑图4、17所示的I型闭环伺服系统。图中的矩阵

A、B和C为试确定反馈增益常数和,使得闭环极点为。试利用计算机对所设计的系统进行仿真，并求该系统单位阶跃响应的计算机解，绘出y(t)对t的曲线。图4、17 I型闭环伺服系统5、12 考虑4、4节讨论的倒立摆系统。参见图4、2所示的原理图。假设M =2千克，m = 0、5千克，l =1米定义状态变量为输出变量为试推导该系统的状态空间表达式。

若要求闭环极点为试确定状态反馈增益矩阵K。

利用已被求出的状态反馈增益矩阵K，用计算机仿真检验该系统的性能。试写出一个MATLAB程序，以求出该系统对任意初始条件的响应。对一组初始条件米/秒试求x1(t)，x2(t)，x3(t)和

x4(t)对t的响应曲线。5、13 考虑4、4节讨论的倒立摆系统。假设M、m和l 的值与4、4节中的相同。对于该系统，状态变量定义为试求该系统的状态空间表达式。

假设采用状态反馈控制律，试设计一个稳定的控制系统。考虑以下两种情况下的期望闭环极点情况1：；情况2：试确定在这两种情况下的状态反馈增益矩阵K。再求设计出的系统对初始条件的响应，并比较这两种系统的响应。5、14 考虑4、7节讨论的倒立摆系统。设计一个状态反馈增益矩阵K，其中已知和积分增益常数。假设该系统的期望闭环极点为。试利用MATLAB确定增益矩阵K和积分增益常数。再求当单位阶跃输入作用于小车位置时的阶跃响应曲线。第六章最优控制6、1设系统状态方程及边界条件为：

试求最优控制，使下列性能指标取最小值。6、2求从到直线之间距离最短的曲线及最优终端时间。6、3系统状态方程及边界条件为：

试求最优控制使下列指标取极值并求最优轨线。

6、4设系统状态方程及初始条件为未给定，试求最有控制及使下列指标取极值，并求出最优轨线。6、5设系统状态方程及初始条件为：

中断状态受如下约束试求最优控制是下列性能指标取极小值，且求出最优轨线。6、6 设一阶离散系统方程为边界条件为：。试求最优控制序列，使下列性能指标取极小值，并求出状

态序列。6、7 设系统状态方程及边界条件为: ; ,试求最优控制是指标取极值，并求出最优轨线及最优性能指标。6、8设系统状态方程及边界条件为: ;,试求最有控制及使取极值。6、9 设系统状态方程为试确定最优控制，使下列性能指标取极小值。6、10 设有下列受控系统状态方程：1、2、3、试分别研究有无最优控制使下列性能指标取极小值？是否存在正定矩阵？分析受控系统状态可控性、稳定性与最优解的关系。

现代控制理论实验指导书3-第3章[1]

实验三利用MATLAB求取状态空间模型的相似变换及其标准型、控制系统的不同状态模型实现实验目的： 1、通过实验掌握线性系统的对角线标准型、约当标准型、模态标准型以及伴随矩阵标准型的表示及相应变换阵的求解； 2、通过编程、上机调试，掌握系统可控性和可观测性的判别方法、系统的可控性和可观测性分解等； 3、加深理解由控制系统传递函数建立能控、能观、约当标准型等不同状态模型的方法。实验原理：一、线性系统状态空间模型的相似变换及其标准型（1）将状态空间模型G经变换矩阵T变换为状态空间模型G1； G1=ss2ss(G,T) （2）将状态空间模型G经变换矩阵T变换为其他形式的状态空间模型G1 [G1,T]=canon(G,type) 其中，当type为'companion'、'modal'、'jordan' 时，分别将状态空间模型G变换为伴随矩阵标准型、模态标准型、约当标准型状态空间模型G1，并得到相应的变换矩阵T；（3）计算矩阵A的特征值及与特征值对应的对角型变换矩阵D； [V,D]=eig(A) （4）计算矩阵A变换为约当标准型J，并得到变换矩阵V； [V,J]=jordan(A) 二、线性系统可控、可观判别方法与分解（1）构造系统的可控性判别矩阵Tc； Tc=ctrb(A,B) （2）构造系统的可观测性判别矩阵To； To=obsv(A,C) （3）求取可控Gram矩阵和可观测Gram矩阵； W=gram(G,type) 其中type为'c'时，为求取可控Gram矩阵，type为'o'时，为求取可观测Gram 矩阵。（4）能控性分解 [Ac,Bc,Cc,Tc,Kc]=ctrbf(A,B,C) 将系统分解为可控子系统和不可控子系统，Tc是变换阵，sum(Kc)是可控状态的数目；（5）能观测性分解

现代控制理论模拟题

《现代控制理论》模拟题（补）一．判断题 1．状态变量的选取具有非惟一性。（ √ ） 2．由一个状态空间模型可以确定惟一一个传递函数。（ √ ） 3．传递函数G (s )的所有极点都是系统矩阵A 的特征值，系统矩阵A 的特征值也一定都是传递函数 G (s )的极点。（ × ） 4．若一个对象的连续时间状态空间模型是能控的，则其离散化状态空间模型也一定是能控的。（ × ） 5．对一个系统，只能选取一组状态变量（ × ） 6．由状态转移矩阵可以决定系统状态方程的状态矩阵，进而决定系统的动态特性。（ √ ） 7．传递函数只能给出系统的输出信息；而状态空间表达式不仅给出输出信息，还能够提供系统内部状态信息。（ √ ） 8．一个系统的平衡状态可能有多个，因此系统的李亚普诺夫稳定性与系统受干扰前所处得平衡位置无关。（ × ） 9．系统的状态观测器存在的充分必要条件是：系统能观测，或者系统虽然不能观测，但是其不能观测的子系统的特征值具有负实部。（ √ ） 10．如果线性离散化后系统不能控，则离散化前的连续系统必不能控。（ × ） 11．一个系统BIBO 稳定，一定是平衡状态0e x =处渐近稳定。（ × ） 12．状态反馈不改变系统的能控性。（ √ ） 13．对系统x Ax =&，其李亚普诺夫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。（ √ ） 14．极点配置实际上是系统镇定问题的一个特殊情况。（ × ） 15．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不能观的。（ × ） 16．若系统状态完全能控，则对非渐近稳定系统通过引入状态反馈实现渐近稳定，称为镇定问题。（ √ ）二．填空题 1．动态系统的状态是一个可以确定该系统行为的信息集合。这些信息对于确定系统未来的行为是充分且必要的。 2．以所选择的一组状态变量为坐标轴而构成的正交线性空间，称之为状态空间。 3．能控性定义: 线性定常系统的状态方程为()()()x t Ax t Bu t =+&,给定系统一个初始状态00()x t x =,如果在10t t >的有限时间区间10[,]t t 内,存在容许控制()u t ,使 1()0x t =,则称系统状态在0t 时刻是能控的;如果系统对任意一个初始状态都能控 , 称系统是状态完全能控的。

现代控制理论实验报告

实验报告 ( 2016-2017年度第二学期) 名称：《现代控制理论基础》题目：状态空间模型分析院系：控制科学与工程学院班级： ___ 学号： __ 学生姓名： ______ 指导教师： _______ 成绩：日期： 2017年 4月 15日

线控实验报告一、实验目的： l.加强对现代控制理论相关知识的理解； 2.掌握用 matlab 进行系统李雅普诺夫稳定性分析、能控能观性分析；二、实验内容 1 第一题：已知某系统的传递函数为G (s) S23S2 求解下列问题：（1）用 matlab 表示系统传递函数 num=[1]; den=[1 3 2]; sys=tf(num,den); sys1=zpk([],[-1 -2],1); 结果： sys = 1 ------------- s^2 + 3 s + 2 sys1 = 1 ----------- (s+1) (s+2) （2）求该系统状态空间表达式： [A1,B1,C1,D1]=tf2ss(num,den); A = -3-2 10 B = 1 C = 0 1

第二题：已知某系统的状态空间表达式为： 321 A ,B,C 01：10 求解下列问题：（1）求该系统的传递函数矩阵：（2）该系统的能观性和能空性：（3）求该系统的对角标准型：（4）求该系统能控标准型：（5）求该系统能观标准型：（6）求该系统的单位阶跃状态响应以及零输入响应：解题过程：程序： A=[-3 -2;1 0];B=[1 0]';C=[0 1];D=0; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D); co=ctrb(A,B); t1=rank(co); ob=obsv(A,C); t2=rank(ob); [At,Bt,Ct,Dt,T]=canon(A,B,C,D, 'modal' ); [Ac,Bc,Cc,Dc,Tc]=canon(A,B,C,D, 'companion' ); Ao=Ac'; Bo=Cc'; Co=Bc'; 结果：（1） num = 0 01 den = 1 32 （2）能控判别矩阵为： co = 1-3 0 1 能控判别矩阵的秩为： t1 = 2 故系统能控。（3）能观判别矩阵为： ob = 0 1

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）。

现代控制理论实验

华北电力大学实验报告| | 实验名称状态空间模型分析课程名称现代控制理论 | | 专业班级：自动化1201 学生姓名：马铭远学号：2 成绩：指导教师：刘鑫屏实验日期：4月25日

状态空间模型分析一、实验目的 1.加强对现代控制理论相关知识的理解； 2.掌握用 matlab 进行系统李雅普诺夫稳定性分析、能控能观性分析；二、实验仪器与软件 1. MATLAB7.6 环境三、实验内容 1 、模型转换图 1、模型转换示意图及所用命令传递函数一般形式： MATLAB 表示为： G=tf(num,den)，，其中 num,den 分别是上式中分子，分母系数矩阵。零极点形式： MATLAB 表示为：G=zpk(Z,P,K) ，其中 Z，P ，K 分别表示上式中的零点矩阵，极点矩阵和增益。传递函数向状态空间转换：[A,B,C,D] = TF2SS(NUM,DEN)；状态空间转换向传递函数：[NUM,DEN] = SS2TF(A,B,C,D,iu)---iu 表示对系统的第 iu 个输入量求传递函数；对单输入 iu 为 1。

例1：已知系统的传递函数为G（S）= 2 2 3 24 11611 s s s s s ++ +++ ,利用matlab将传递函数和状态空间相互转换。解：1.传递函数转换为状态空间模型： NUM=[1 2 4];DEN=[1 11 6 11]; [A,B,C,D] = tf2ss(NUM,DEN) 2.状态空间模型转换为传递函数： A=[-11 -6 -11;1 0 0;0 1 0];B=[1;0;0];C=[1 2 4];D=[0];iu=1; [NUM,DEN] = ss2tf(A,B,C,D,iu); G=tf(NUM,DEN) 2 、状态方程状态解和输出解单位阶跃输入作用下的状态响应： G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=step(G);plot(t,x). 零输入响应 [y,t,x]=initial(G,x0)其中，x0 为状态初值。

现代控制理论试题

现代控制理论试题 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】

现代控制理论试题一、名词解释（15分） 1、能控性 2、能观性 3、系统的最小实现 4、渐近稳定性二、简答题（15分） 1、连续时间线性时不变系统（线性定常连续系统）做线性变换时不改变系统的那些性质 2、如何判断线性定常系统的能控性如何判断线性定常系统的能观性 3、传递函数矩阵的最小实现A、B、C和D的充要条件是什么 4、对于线性定常系统能够任意配置极点的充要条件是什么 5、线性定常连续系统状态观测器的存在条件是什么三、计算题（70分） 1、RC 无源网络如图1所示，试列写出其状态方程和输出方程。其中，为系统的输入，选两端的电压为状态变量,两端的电压为状态变量,电压为为系统的输出y。 2、计算下列状态空间描述的传递函数g(s) 图1：RC无源网络 3、求出下列连续时间线性是不变系统的时间离散化状态方程：其中，采样周期为T=2. 4、求取下列各连续时间线性时不变系统的状态变量解和 5、确定是下列连续时间线性时不变系统联合完全能控和完全能观测得待定参数a的取值范围： 6、对下列连续时间非线性时不变系统，判断原点平衡状态即是否为大范围渐近稳定： 7、给定一个单输入单输出连续时间线性时不变系统的传递函数为试确定一个状态反馈矩阵K，使闭环极点配置为,和。现代控制理论试题答案一、概念题 1、何为系统的能控性和能观性答：（1）对于线性定常连续系统，若存在一分段连续控制向量u(t)，能在有限时间区间[t0,t1]内将系统从初始状态x(t0)转移到任意终端状态x(t1)，那么就称此状态是能控的。（2）对于线性定常系统，在任意给定的输入u(t)下，能够根据输出量y(t)在有限时间区间[t0,t1]内的测量值，唯一地确定系统在t0时刻的初始状态x(t0 )，就称系统在t0时刻是能观测的。若在任意初始时刻系统都能观测，则称系统是状态完全能观测的，简称能观测的。

现代控制理论实验指导书1-第1章zyx

实验一利用MATLAB 进行线性系统的模型转换及联结实验目的： 1、学习系统状态空间模型的建立方法、了解状态空间模型与传递函数、零极点模型之间相互转换的方法； 2、通过编程、上机调试，掌握系统状态空间模型与传递函数相互转换的方法。 3、通过编程、上机调试，掌握系统模型的联结方法。实验原理：一、连续系统（1）状态空间模型 x Ax Bu y C x D u =+=+ （1.1）其中：n x R ∈是系统的状态向量，m u R ∈是控制输入，p y R ∈是测量输出，A 是n n ?维状态矩阵、B 是n m ?维输入矩阵、C 是p n ?维输出矩阵、D 是直接转移矩阵。在MA TLAB 中，用（A,B,C,D ）矩阵组表示。系统传递函数和状态空间模型之间的关系如式（1.2）所示。 1 ()()G s C sI A B D -=-+ （1.2）（2）传递函数模型 11101 110 ()(),() m m m m n n n n b s b s b s b num s H s m n den s a s a s a s a ----++++= = ≤++++ 在MA TLAB 中，直接用分子/分母的系数表示 1010[,,,][,,,] m m n n num b b b den a a a --== （3）零极点增益模型 1212()()()()()()() m n s z s z s z H s k s p s p s p ---=--- 在MA TLAB 中，用[z, p, k]矢量组表示，即

1212[,,,];[,,,];[]; m n z z z z p p p p k k === 例1.1 求由以下状态空间模型所表示系统的传递函数， []11223312 301000012552551201 0x x x x u x x x y x x ???????? ????????=+????????????????----???????? ?? ??=?????? 编写并执行以下的m-文件： A=[0 1 0;0 0 1;-5 –25 –5]; B=[0;25;-120]; C=[1 0 0]; D=[0]; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D) 得到： num= 0 -0.0000 25.0000 5.0000 den= 1.0000 5.0000 25.0000 5.0000 因此，所求系统的传递函数是 3 2 255()5255 s G s s s s += +++ 例1.2 考虑由以下状态空间模型描述的系统： 1112221122011125401100 1x x u x x u y u y u ??????????=+??????????--?????????? ??????=???????????? 求其传递函数矩阵。解这是一个2输入2输出系统。描述该系统的传递函数是一个22?维矩阵，它包括4个传递函数： 11122122()()()()()()()()Y s U s Y s U s Y s U s Y s U s ?? ? ???

(完整版)现代控制理论考试卷及答案

西北工业大学考试试题（卷）2008 －2009 学年第2 学期

2009年《现代控制理论》试卷A 评分标准及答案第一题（10分，每个小题答对1分，答错0分）（1）对（2）错（3）对（4）错（5）对（6）对（7）对（8）对（9）对（10）错第二题（15分）（1）)(t Φ（7分）：公式正确3分，计算过程及结果正确4分 ? ? ? ???+-+---=-=Φ?? ?? ??????+- +-+- +-+- ++-+=??????-+++=-??? ???+-=------------t t t t t t t t e e e e e e e e A sI L t s s s s s s s s s s s s A sI s s A sI 22221 11 2222}){()(22112 21221112112 213)2)(1(1 )(321 （2）状态方程有两种解法（8分）：公式正确4分，计算过程及结果正确4分 ??????-+-+-=????? ???????+-+++-+++-++??????+--=??????????? ???????++-++++-=-+-=??????---+-=????? ?+--+??? ???+--=??????-Φ+Φ=------------------------------??t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t e e te e e te s s s s s s L e e e e t x t x s s s s s L x A sI L t x s BU A sI x A sI s X e e t e e t d e e e e e e e e e t x t x d t Bu x t t x 222 21 22212 21111122)(02222210 2344}2414)1(42212)1(4 {2)()(} )2()1(4) 2()1()3(2{)}0(){()() ()()0()()(2)34()14(22222)()()()()0()()(或者 ττ τττττττ 第三题（15分，答案不唯一，这里仅给出可控标准型的结果）（1）系统动态方程（3分） []x y u x x 0010 1003201 00010=???? ??????+??????????--=&

现代控制理论复习题库

一、选择题 1.下面关于建模和模型说法错误的是( C )。 A．无论是何种系统，其模型均可用来提示规律或因果关系。 B．建模实际上是通过数据、图表、数学表达式、程序、逻辑关系或各种方式的组合表示状态变量、输入变量、输出变量、参数之间的关系。 C．为设计控制器为目的建立模型只需要简练就可以了。 D．工程系统模型建模有两种途径，一是机理建模，二是系统辨识。 &&&&的类型是( B ) 。 2.系统()3()10() y t y t u t ++= A．集中参数、线性、动态系统。B．集中参数、非线性、动态系统。 C．非集中参数、线性、动态系统。D．集中参数、非线性、静态系统。 3.下面关于控制与控制系统说法错误的是( B )。 A．反馈闭环控制可以在一定程度上克服不确定性。 B．反馈闭环控制不可能克服系统参数摄动。 C．反馈闭环控制可在一定程度上克服外界扰动的影响。 D．控制系统在达到控制目的的同时，强调稳、快、准、鲁棒、资源少省。 x Pz说法错误的是( D )。 4.下面关于线性非奇异变换= A．非奇异变换阵P是同一个线性空间两组不同基之间的过渡矩阵。 B．对于线性定常系统，线性非奇异变换不改变系统的特征值。 C．对于线性定常系统，线性非奇异变换不改变系统的传递函数。 D．对于线性定常系统，线性非奇异变换不改变系统的状态空间描述。 5.下面关于稳定线性系统的响应说法正确的是( A )。 A．线性系统的响应包含两部分，一部是零状态响应，一部分是零输入响应。 B．线性系统的零状态响应是稳态响应的一部分。 C．线性系统暂态响应是零输入响应的一部分。 D．离零点最近的极点在输出响应中所表征的运动模态权值越大。 6.下面关于连续线性时不变系统的能控性与能观性说法正确的是( A ) 。 A．能控且能观的状态空间描述一定对应着某些传递函数阵的最小实现。 B．能控性是指存在受限控制使系统由任意初态转移到零状态的能力。 C．能观性表征的是状态反映输出的能力。 D．对控制输入的确定性扰动影响线性系统的能控性，不影响能观性。 7.下面关于系统Lyapunov稳定性说法正确的是( C ) 。

现代控制理论实验指导书1

实验一、线性系统的数学模型转换一、实验目的 1、学习系统状态空间模型的建立方法； 2、通过编程、上机调试，掌握系统状态空间模型之间转换的方法。二、实验主要仪器与设备 1、PC 计算机1台； 2、MATLAB6.X 或MATLAB7.X 软件1套。三、实验原理 1、假设系统是单输入单输出系统（简称SISO ），其输入、输出分别用u(t)、y(t)来表示，则线性系统的传递函数模型： 1110 111a s a s a s b s b s b s b )s (U )s (Y )s (G n n n m m m m ++++++++== ---- 在MATLAB 语言中，可以利用传递函数分子、分母多项式的系数向量进行描述，分子num 、分母den 多项式的系数向量分别为： num=[b m ,b m-1,…,b 0]，den=[1,a n-1,…,a 0] 这里分子、分母多项式系数按s 的降幂排列。 2、假设系统是单输入单输出系统（简称SISO ），其零极点模型为： ) p s ()p s )(p s () z s ()z s )(z s (K )s (G n m ------= 2121 其中z i (i=1,2,…,m)和p i (i=1,2,…,n)分别为系统的零点和极点，K 为系统增益。[z]、[p]、[k]分别为系统的零极点和增益向量。 3、设系统的状态空间模型为： Du Cx y Bu Ax x +=+= 在MATLAB 中，系统状态空间用（A ，B ，C ，D ）矩阵组表示，MATLAB 提供了建立状态空间模型的函数ss()，其常见的调用格式为：sys=ss(A ，B ，C ，D ）。

现代控制理论实验报告

实验一系统能控性与能观性分析一、实验目的 1.理解系统的能控和可观性。二、实验设备 1.THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台；三、实验内容二阶系统能控性和能观性的分析四、实验原理系统的能控性是指输入信号u对各状态变量x的控制能力，如果对于系统任意的初始状态，可以找到一个容许的输入量，在有限的时间内把系统所有的状态引向状态空间的坐标原点，则称系统是能控的。对于图21-1所示的电路系统，设iL和uc分别为系统的两个状态变量，如果电桥中则输入电压ur能控制iL和uc状态变量的变化，此时，状态是能控的。反之，当时，电桥中的A点和B点的电位始终相等，因而uc不受输入ur的控制，ur只能改变iL的大小，故系统不能控。系统的能观性是指由系统的输出量确定所有初始状态的能力，如果在有限的时间内根据系统的输出能唯一地确定系统的初始状态，则称系统能观。为了说明图21-1所示电路的能观性，分别列出电桥不平衡和平衡时的状态空间表达式：平衡时：

由式（2）可知，状态变量iL和uc没有耦合关系，外施信号u只能控制iL的变化，不会改变uc的大小，所以uc不能控。基于输出是uc，而uc与iL无关连，即输出uc中不含有iL的信息，因此对uc的检测不能确定iL。反之式（1）中iL与uc有耦合关系，即ur的改变将同时控制iL和uc的大小。由于iL与uc的耦合关系，因而输出uc的检测，能得到iL的信息，即根据uc的观测能确定iL（ω）五、实验步骤 1．用2号导线将该单元中的一端接到阶跃信号发生器中输出2上，另一端接到地上。将阶跃信号发生器选择负输出。 2．将短路帽接到2K处，调节RP2，将Uab和Ucd的数据填在下面的表格中。然后将阶跃信号发生器选择正输出使调节RP1，记录Uab和Ucd。此时为非能控系统，Uab和Ucd没有关系（Ucd始终为0）。 3．将短路帽分别接到1K、3K处，重复上面的实验。六、实验结果表20－1Uab与Ucd的关系

现代控制理论试题

现代控制理论试题一、名词解释（15分） 1、能控性 2、能观性 3、系统的最小实现 4、渐近稳定性二、简答题（15分） 1、连续时间线性时不变系统（线性定常连续系统）做线性变换时不改变系统的那些性质？ 2、如何判断线性定常系统的能控性？如何判断线性定常系统的能观性？ 3、传递函数矩阵错误！未找到引用源。的最小实现A、B、C和D的充要条件是什么？ 4、对于线性定常系统能够任意配置极点的充要条件是什么？ 5、线性定常连续系统状态观测器的存在条件是什么？三、计算题（70分） 1、RC无源网络如图1所示，试列写出其状态方程和输出方程。其中，错误！未找到引用源。为系统的输入，选错误！未找到引用源。两端的电压为状态变量错误！未找到引用源。,错误！未找到引用源。两端的电压为状态变量错误！未找到引用源。,电压错误！未找到引用源。为为系统的输出y。图1：RC无源网络 2、计算下列状态空间描述的传递函数g(s) 3、求出下列连续时间线性是不变系统的时间离散化状态方程：其中，采样周期为T=2. 4、求取下列各连续时间线性时不变系统的状态变量解错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。

5、确定是下列连续时间线性时不变系统联合完全能控和完全能观测得待定参数a的取值范围： 6、对下列连续时间非线性时不变系统，判断原点平衡状态即错误！未找到引用源。是否为大范围渐近稳定： 7、给定一个单输入单输出连续时间线性时不变系统的传递函数为试确定一个状态反馈矩阵K，使闭环极点配置为错误！未找到引用源。,错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。。

现代控制理论试题答案一、概念题 1、何为系统的能控性和能观性？答：（1）对于线性定常连续系统，若存在一分段连续控制向量u(t)，能在有限时间区间[t0,t1]内将系统从初始状态x(t0)转移到任意终端状态x(t1)，那么就称此状态是能控的。（2）对于线性定常系统，在任意给定的输入u(t)下，能够根据输出量y(t)在有限时间区间[t0,t1]内的测量值，唯一地确定系统在t0时刻的初始状态x(t0 )，就称系统在t0时刻是能观测的。若在任意初始时刻系统都能观测，则称系统是状态完全能观测的，简称能观测的。 2、何为系统的最小实现？答：由传递函数矩阵或相应的脉冲响应来建立系统的状态空间表达式的工作，称为实现问题。在所有可能的实现中，维数最小的实现称为最小实现。 3、何为系统的渐近稳定性？答：若错误！未找到引用源。在时刻错误！未找到引用源。为李雅普若夫意义下的稳定，且存在不依赖于错误！未找到引用源。的实数错误！未找到引用源。和任意给定的初始状态错误！未找到引用源。，使得错误！未找到引用源。时，有错误！未找到引用源。，则称错误！未找到引用源。为李雅普若夫意义下的渐近稳定二、简答题 1、连续时间线性时不变系统（线性定常连续系统）做线性变换时不改变系统的那些性质？答：系统做线性变换后，不改变系统的能控性、能观性，系统特征值不变、传递函数不变 2、如何判断线性定常系统的能控性？如何判断线性定常系统的能观性？答：方法1：对n维线性定常连续系统，则系统的状态完全能控性的充分必要条件为：错误！未找到引用源。。方法2：如果线性定常系统的系统矩阵A具有互不相同的特征值，则系统能控的充要条件是，系统经线性非奇异变换后A阵变换成对角标准形，且错误！未找到引用源。不包含元素全为0的行线性定常连续系统状态完全能观测的充分必要条件是能观性矩阵错误！未找到引用源。满秩。即：错误！未找到引用源。 3、传递函数矩阵错误！未找到引用源。的最小实现A、B、C和D的充要条件是什么？

2010《现代控制理论基础》考试题B卷及答案

一．（本题满分10分）请写出如图所示电路当开关闭合后系统的状态方程和输出方程。其中状态变量的设置如图所示，系统的输出变量为流经电感2L 的电流强度。【解答】根据基尔霍夫定律得： 11132223321L x Rx x u L x Rx x Cx x x ++=?? +=??+=?&&& 改写为1 13111 22 322 31 211111R x x x u L L L R x x x L L x x x C C ? =--+?? ?=-+???=-?? &&&，输出方程为2y x = 写成矩阵形式为

[]1 1 111222 2 331231011000110010R L L x x L R x x u L L x x C C x y x x ??? --???????????????? ???????=-+???? ??????? ???????????????? ???-??????? ? ??? ?? ?=??? ?????? &&& 二．（本题满分10分）单输入单输出离散时间系统的差分方程为 (2)5(1)3()(1)2()y k y k y k r k r k ++++=++ 回答下列问题：（1）求系统的脉冲传递函数；（2）分析系统的稳定性；（3）取状态变量为1()()x k y k =，21()(1)()x k x k r k =+-，求系统的状态空间表达式；（4）分析系统的状态能观性。【解答】（1）在零初始条件下进行z 变换有： ()()253()2()z z Y z z R z ++=+ 系统的脉冲传递函数： 2()2 ()53 Y z z R z z z +=++ （2）系统的特征方程为 2()530D z z z =++= 特征根为1 4.3z =-，20.7z =-，11z >，所以离散系统不稳定。（3）由1()()x k y k =，21()(1)()x k x k r k =+-，可以得到 21(1)(2)(1)(2)(1)x k x k r k y k r k +=+-+=+-+ 由已知得 (2)(1)2()5(1)3()y k r k r k y k y k +-+=-+-112()5(1)3()r k x k x k =-+- []212()5()()3()r k x k r k x k =-+-123()5()3()x k x k r k =--- 于是有： 212(1)3()5()3()x k x k x k r k +=--- 又因为 12(1)()()x k x k r k +=+ 所以状态空间表达式为

现代控制理论实验报告

现代控制理论实验报告组员：院系：信息工程学院专业：指导老师：年月日

实验1 系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换 [实验要求] 应用MATLAB 对系统仿照[例]编程，求系统的A 、B 、C 、阵；然后再仿照[例]进行验证。并写出实验报告。 [实验目的] 1、学习多变量系统状态空间表达式的建立方法、了解系统状态空间表达式与传递函数相互转换的方法； 2、通过编程、上机调试，掌握多变量系统状态空间表达式与传递函数相互转换方法。 [实验内容] 1 设系统的模型如式示。 p m n R y R u R x D Cx y Bu Ax x ∈∈∈?? ?+=+=& 其中A 为n ×n 维系数矩阵、B 为n ×m 维输入矩阵 C 为p ×n 维输出矩阵，D 为传递阵，一般情况下为0，只有n 和m 维数相同时，D=1。系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式示。 D B A SI C s den s num s G +-== -1)() () (()( 式中，)(s num 表示传递函数阵的分子阵，其维数是p ×m ；)(s den 表示传递函数阵的按s 降幂排列的分母。 2 实验步骤 ① 根据所给系统的传递函数或（A 、B 、C 阵），依据系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式，采用MATLA 的编程。注意：ss2tf 和tf2ss 是互为逆转换的指令； ② 在MATLA 界面下调试程序，并检查是否运行正确。 ③ [] 已知SISO 系统的状态空间表达式为，求系统的传递函数。

, 2010050010000100001 0432143 21u x x x x x x x x ? ? ??? ? ??????-+????????????????????????-=????????????&&&&[]??? ? ? ???????=43210001x x x x y 程序: A=[0 1 0 0;0 0 -1 0;0 0 0 1;0 0 5 0]; B=[0;1;0;-2]; C=[1 0 0 0]; D=0; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D,1) 程序运行结果: num = 0 den = 0 0 0 从程序运行结果得到:系统的传递函数为: 2 4253 )(s s s S G --= ④ [] 从系统的传递函数式求状态空间表达式。程序: num =[0 0 1 0 -3]; den =[1 0 -5 0 0]; [A,B,C,D]=tf2ss(num,den) 程序运行结果: A = 0 5 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0

现代控制理论复习题

概念：设动态系统为)()()(,)()()(t Du t Cx t y t Bu t Ax t x +=+=&，（1）若At e t =Φ) (，则)(t Φ称为（状态转移矩阵）（2）若D B A sI C s G +-=-1 )()(，则)(s G 称为（传递函数矩阵）（3）若],,,,[],[1 2B A B A AB B B A n c -=ΓΛ，则],[B A c Γ称为（能控性矩阵）（4）若T n o CA CA CA C A C ],,,,[],[12-=ΓΛ，则],[A C o Γ称为（能观性矩阵）（5）若],,,,,[],,[1 2D B CA B CA CAB CB B A C n oc -=ΓΛ，则],,[B A C oc Γ称为（输出能控性矩阵）（6）李雅普诺夫方程 Q PA P A T -=+，其中Q 为正定对称阵，当使方程成立的P 为（正定对称阵）时，系统为渐近稳定。（7）设系统0)0(,0,)(=≥=f t x f x &，如果存在一个具有一阶导数的标量函数 )(x V ，0)0(=V ，并且对于状态空间X 中的且非零点x 满足如下条件：)(x V 为（正定）；)(x V &为（负定）；当∞→x 时，∞→)(x V 。则系统的原点平衡状态是（大范围渐近稳定的）。（8）状态反馈不改变系统的（可控性）。输出至状态微分反馈不改变系统的（可观测性）。输出至参考输入反馈，不改变系统的（可控性和可观测性）。状态反馈和输出反馈都能影响系统的（稳定性和动态性能）。（9）状态反馈控制的极点任意配置条件是系统状态（完全可控）。状态观测的极点任意配置条件是系统状态（完全可观）。（10）系统线性变换Px x =时，变换矩阵P 必须是（非奇异的，或满秩）的。二：已知系统传递函数 ) 2()1(5 )(2 ++= s s s G ，试求约当型动态方程。解：25 15) 1(5)2()1(5)(2 2+++-+=++= s s s s s s G

《现代控制理论》模拟题

《现代控制理论》模拟题一、判断题 1 要使得观测器估计的状态尽可能快地逼近系统的实际状态，观测器的极点应该比系统极点快10倍以上。√ 2 状态反馈系统的瞬态性能主要是由极点决定的。√ 3 平衡状态渐近稳定包含了BIBO稳定。√ 4 对于初始松弛系统，任何有界输入，其输出也是有界的，称为BIBO系统。√ 5 若线性系统是李亚普诺夫意义下稳定的，则它是大范围渐近稳定的。√ 6 若传递函数存在零极对消，则对应状态空间模型描述的系统是不能控的。╳ 7 工程中较为复杂的系统，通常是由若干个子系统按某种方式连接而成的。这样的系统称为组合系统。√ 8 状态空间表达式既可以描述初始松弛（即：初始条件为零）系统，也可以描述非初始松弛系统。√ 9 具有对角型状态矩阵的状态空间模型描述的系统可以看成是由多个一阶环节串联组成的系统。╳ 10 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。√ 11 若系统状态完全能控，则对非渐近稳定系统通过引入状态反馈实现渐近稳定，称为镇定问题。√ 12 状态反馈不改变系统的能控性。√ 13 一个系统BIBO稳定，一定是平衡状态处渐近稳定。╳ 14 若一个系统是李亚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。╳ 15 如果线性离散化后系统不能控，则离散化前的连续系统必不能控。╳ 16 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不能观的。╳ 17 传递函数只能给出系统的输出信息；而状态空间表达式不仅给出输出信息，还能够提供系统内部状态信息。√ 18 由状态转移矩阵可以决定系统状态方程的状态矩阵，进而决定系统的动态特性。√ 19 传递函数是系统初始松弛（即：初始条件为零）条件下，输出时间变量与输入时间变量之比。╳ 20 对一个系统，只能选取一组状态变量╳ 21 极点配置实际上是系统镇定问题的一个特殊情况。╳ 22 李亚普诺夫第二法也可以研究非线性时变系统的稳定性问题。√ 23 对系统X=AX，其李亚普诺夫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。√ 24 系统的状态观测器存在的充分必要条件是：系统能观测，或者系统虽然不能观测，但是其不能观测的子系统的特征值具有负实部。√ 25 一个系统的平衡状态可能有多个，因此系统的李亚普诺夫稳定性与系统受干扰前所处得

《现代控制理论》.

《现代控制理论》实验指导书俞立徐建明编浙江工业大学信息工程学院 2007年4月

实验1 利用MATLAB 进行传递函数和状态空间模型间的转换 1.1 实验设备 PC 计算机1台（要求P4-1.8G 以上），MATLAB6.X 或MATLAB7.X 软件1套。 1.2 实验目的 1、学习系统状态空间模型的建立方法、了解状态空间模型与传递函数相互转换的方法； 2、通过编程、上机调试，掌握系统状态空间模型与传递函数相互转换的方法。 1.3 实验原理说明设系统的状态空间模型是 x Ax Bu y Cx Du =+?? =+?& (1.1) p y R ∈其中：n x R ∈是系统的状态向量，是控制输入，m u R ∈是测量输出，A 是维状态矩阵、是维输入矩阵、是n n ×m n ×n p ×B D C 维输出矩阵、是直接转移矩阵。系统传递函数和状态空间模型之间的关系如式（1.2）所示。 1()()G s C sI A B D ?=?+ (1.2) 表示状态空间模型和传递函数的MATLAB 函数。函数ss （state space 的首字母）给出了状态空间模型，其一般形式是 SYS = ss(A,B,C,D) 函数tf （transfer function 的首字母）给出了传递函数，其一般形式是 G=tf(num,den) 其中的num 表示传递函数中分子多项式的系数向量（单输入单输出系统），den 表示传递函数中分母多项式的系数向量。函数tf2ss 给出了传递函数的一个状态空间实现，其一般形式是 [A,B,C,D]=tf2ss(num,den) 函数ss2tf 给出了状态空间模型所描述系统的传递函数，其一般形式是 [num,den]=ss2tf(A,B,C,D,iu) 其中对多输入系统，必须确定iu 的值。例如，若系统有三个输入和，则iu 必须是1、2或3，其中1表示，2表示，3表示。该函数的结果是第iu 个输入到所有输出的传递函数。 21,u u 3u 1u 2u 3u 1.4 实验步骤 1、根据所给系统的传递函数或（A 、B 、C 、D ），依据系统的传递函数阵和状态空间模型之间的关系（1.2），采用MATLAB 的相关函数编写m-文件。 2、在MATLAB 界面下调试程序。例1.1 求由以下状态空间模型所表示系统的传递函数， ?? ? ? ? ?????=?????? ?????+???????????????????????=??????????321321321]001[1202505255100010x x x y u x x x x x x &&&

现代控制理论试题(详细答案)

现代控制理论试题B 卷及答案一、1 系统[]210,01021x x u y x ? ??? =+=????-???? 能控的状态变量个数是cvcvx ，能观测的状态变量个数是。 2试从高阶微分方程385y y y u ++= 求得系统的状态方程和输出方程（4分/个）解 1．能控的状态变量个数是2，能观测的状态变量个数是1。状态变量个数是2。…..（4分） 2．选取状态变量1x y =，2x y = ，3x y = ，可得 …..….…….（1分） 12233131 835x x x x x x x u y x ===--+= …..….…….（1分）写成 010*********x x u ???? ????=+????????--???? …..….…….（1分） []100y x = …..….…….（1分）二、1给出线性定常系统(1)()(),()()x k Ax k Bu k y k Cx k +=+=能控的定义。（3分） 2已知系统[]210 020,011003x x y x ?? ??==?? ??-?? ，判定该系统是否完全能观？(5分)

解 1．答：若存在控制向量序列(),(1),,(1)u k u k u k N ++- ，时系统从第 k 步的状态()x k 开始，在第N 步达到零状态，即()0x N =，其中N 是大于 0的有限数，那么就称此系统在第k 步上是能控的。若对每一个k ，系统的所有状态都是能控的，就称系统是状态完全能控的，简称能控。…..….…….（3分） 2. [][]320300020012 110-=?? ?? ? ?????-=CA ………..……….（1分） [][]940300020012 3202=?? ?? ? ?????--=CA ……..……….（1分） ???? ? ?????-=??????????=940320110 2CA CA C U O ………………..……….（1分） rank 2O U n =<，所以该系统不完全能观……..….……. （2分）三、已知系统1、2的传递函数分别为 2122211 (),()3232 s s g s g s s s s s -+==++-+ 求两系统串联后系统的最小实现。（8分）解 112(1)(1)11 ()()()(1)(2)(1)(2)4 s s s s g s g s g s s s s s s -+++== ?=++--- …..….……. （5分）最小实现为