现代控制理论

现代控制理论
现代控制理论

非线性动态系统的稳定性

和鲁棒控制理论研究

上世纪50年代,Kallman成功的将状态空间法引入到系统控制理论中,从而标志着现代控制理论研究的开始。现代控制理论的研究对象是系统的数学模型,它根据人们对系统的性能要求,通过对被控对象进行模型分析来设计系统的控制律,从而保证闭环系统具有期望的性能。其中,线性系统理论已经形成一套完整的理论体系。过去人们常用线性系统理论来处理很多工程问题,并在一定范围内取得了比较满意的效果。然而,这种处理方法是以忽略系统中的动态非线性因素为代价的。实际中很多物理系统都具有固有的动态非线性特性,如库仑摩擦、饱和、死区、滞环等,这些非线性动态非线性特性的存在常常使系统的控制性能下降,甚至变得不稳定。这就使得利用线性系统理论处理非线性动态系统面临巨大的困难。此外,在控制系统运行过程中,环境的变化或者元件的老化,以及外界干扰等不确定因素也会造成系统实际参数和标称值之间出现较大差别。因此,基于标称数学模型所设计的控制律一般很难达到期望的性能指标,甚至会使系统不稳定。综上所述,研究不确定条件下非线性动态系统的鲁棒稳定性及鲁棒控制间题具有重要的理论意义和迫切的实际需要。

非线性动态系统是指按确定性规律随时间演化的系统,又称动力学系统,其理论来源于经典力学,一般由微分方程来描述。美国数学家Birkhoff[1]发展了法国数学家Poincare在天体力学和微分方程定性理论方面的研究,奠定了动态系统理论的基础。在实际动态系统中,对象往往受到各种各样的不确定的影响,所以其数学模型一般不可能精确得到。因此,我们只能用近似的标称数学模型来描述被控对象,并据此来设计控制系统,动态系统鲁棒控制由此产生。所谓鲁棒性就是指系统预期非线性动态系统的稳定性和鲁棒控制理论研究的设计品质不因不确定性的存在而遭到破坏的特性,鲁棒控制是非线性动态系统控制理论研究的一个非常重要的分支。现代控制理论的发展促进了对动态系统的研究,使它的应用从经典力学扩大到一般意义下的系统。

非线性动态系统的稳定性问题是控制理论研究的重要课题之一。1868年,JameSclerkMaxwen[2]对一个调节器的微分方程模型进行平衡点的小范围线性化去研究系统的稳定性,得到了系统的稳定性取决于特征值的是不是否为负值的结论,从而揭开了非线性动态系统稳定性研究的序幕。在控制理论中,19世纪末期俄国数学家李亚普诺夫(Lyapunov)[3]提出的稳定性理论,是分析非线性系统稳

H提供了鲁棒定性的重要方法,并且不断有深入研究。进入20世纪70年代,

优化的综合工具,灵敏度最小化间题已经转化为插值间题,对非线性耗散系统的稳定性也已开始了研究。80年代初期,把微分几何和微分代数等数学方法相继引入到非线性动态系统控制的研究中[4],实现了对非线性动态系统控制的大范围分析和综合。而基于微分几何的非线性系统控制理论的出现,也极大地促进了非

线性动态系统系统鲁棒控制理论的研究进程,它与Lyapunov 稳定性理论,小增益理论以及耗散性或无缘性等理论相结合,给出了许多有效的非线性动态系统鲁棒控制设计和分析方法。

尽管非线性动态系统控制理论的研究有了突飞猛进的发展,取得了丰硕的成果,但是,在非线性动态系统控制领域中仍有一些挑战性的间题尚需解决。例如,当被控对象较为复杂时,采用前述方法进行控制率合成时,经常会面临较为繁琐和巨大的计算,缺乏有效或者灵活的计算方法,就几乎不可能完成控制器的设计.另一个挑战问题是被控动态系统的建模不确定性。对大多数传统的控制技术,获取被控对象的精确的数学模型是设计控制率的前提条件。.控制性能的获得很大程度上依赖于对象数学模型的精确与否。然而,在大多数实际工程应用中,系统通常具有较为复杂的非线性、未建模动态及不可测的噪声等。为了解决这些问题,许多学者仍在寻找新的更有效的控制方法。

1. 现有的非线性动态系统控制理论研究方法

1.1反馈线性化方法

反馈线性化方法是一种重要的非线性动态系统控制理论方法[5]。其基本思想是:通过状态反馈或者状态变换,将强非线性动态系统变换成线性系统或者具有线性系统的部分特性。1953年,Cosgriff [6]提出了基于反馈控制的非线性系统控制理论,随后,大量研究人员开始了各类非线性系统的反馈控制研究。Baumann 和Rugh [7]研究了一类基于状态观测器的单输入多输出非线性系统的反馈控制,Ushio [8]考虑了离散系统的时滞状态反馈控制,并得到了一维和二维离散系统镇定控制器设计的充分必要条件。Dawson 和Dixon 等人则研究了刚性机器人的全局自适应输出反馈控制。由于反馈线性化方法是线性控制理论中一种较为成熟的方法,因此,当了解系统线性性能特征的时候,该方法是较为有效的。然而,当不完全了解非线性系统动力学时,将导致补偿不彻底、解藕不完全的情况,为此,通常采用高增益的方法来保证系统的鲁棒性,而高增益可能会带来过大的控制作用导致执行器饱和。

1.2 ∞H 控制方法

∞H 控制的基本思想是:通过状态反馈和输出反馈,得到使闭环系统的抑制度最小化的控制器,并且保证在扰动为零时闭环系统稳定。1981年,zames [9]首次提出了∞H 控制思想,通过设计控制器实现了外界干扰到系统期望输出传递函数的∞H 范数最小化。随后,Francis 和Zames 利用函数插值理论给出了∞H 控制的最初解法。Doyle 和Glove 等人证明了∞H 设计间题可以通过两个Riccati 方程来

解决,标志着∞H 的控制理论的成熟。近年来,国内外学者给出了大量的有关复杂非线性动态系统的鲁棒镇定和∞H 控制问题的研究成果。由于∞H 控制在方法上的可行性和工程上的合理性,也使其成为现代鲁棒控制的核心工具之一。Yang 和wang 等人[10]考虑一类非线性动态系统的分散∞H 控制器设计间题,通过求解Hamilton--Jacobi 不等式,得到了系统∞H 性能的充分条件,Lin 和Byrnes 网基于耗散不等式以及微分对策理论,给出了一类离散动态系统的∞H 控制策略。Acho 和Orlov 则研究了一类刚性机器人系统的全局∞H 跟踪控制器设计问题,取得了较好的效果。Mlyasato 对一类不确定非完整移动机器人系统的跟踪控制问题进行了研究,基于逆最优化技术,给出了一种自适应∞H 鲁棒控制器设计方法。

随着线性∞H 控制的发展成熟,非线性干扰抑制问题逐步得到人们的关注,非线性∞H 控制的基本思想是对所有L 2空间的输入信号,保证系统的输出信号具有有限的L 2范数。Schaf [11]证明了非线性系统L 2增益控制间题可以归结为Hamilton 一Jaeobi 方程的可解性,Isidori 则将非线性动态系统基于输出反馈的干扰抑制问题转换为Hamilton-Jacobi 一Isidori(HJI)不等式的可解性间题。然而由于求解非线性偏微分方程非常困难,所以往往针对某一类非线性系统或结合线性系统的某些优良特性将间题化简后求解。

1.3滑模变结构控制方法

滑模变结构控制方法是一种针对不确定系统的有效的非线性反馈控制方法,其主要控制思想是:利用高速的开关控制律,驱动非线性动态系统状态轨迹渐近地非线性动态系统的稳定性和鲁棒控制理论研究到一达一个预先设计的状态空间曲面上,该表面称作滑动面,并通过非线性控制策略使得非线性系统的状态轨迹渐近地到达该曲面上。在系统处于滑模面时,理论上系统状态可以指数收敛到零,并且此时系统的动力学完全由滑动系统的向量场决定,而与被控对象无关,因此对系统的模型不确定性和外部扰动是鲁棒和不敏感的。正是由于滑模变结构控制对有界的干扰和参数变化具有完全不敏感性,所以它非常适于各类非线性动态系统的控制间题[12]。Hul 和Zak 研究了一类离散变结构滑模控制策略,Derbel 和Ahmi 基于模糊逻辑方法,分析了滑模变结构控制在机器人轨迹跟踪中的应用,chou 和cheng 则采用分散控制策略,研究了滑膜控制器在机器人轨迹跟踪中的应用,Corradini 和Orlando [13]设计了一类多输入多输出系统的离散自适应变结构控制器,并用与水下机器人系统控制。

然而,由于滑模变结构控制本身的不连续性,容易引起“抖震”现象。从而导致控制失效。众多研究者通过对切换项进行修正来消除“抖震”现象。Slotine 和Sastr 将饱和函数取代了通常的符号函数,避免了系统的混沌现象,并采用“有界层”的概念来消除“抖震”现象。Slotine 和Li 引入边界层,但是边界层的引入,会产生静差,使得系统失去渐近稳定性。Stepanenko 和Cao 等人[14]对通常的PD 型滑动面略做改进,提出一种PID 型滑动面,将时滞函数应用到切换量中,

Su和Leung等人研究了自适应的滑模控制,使得切换量鲁棒项的增益能自适应的变化。

1.4自适应控制方法

自适应控制方法是一种重要的非线性控制技术。其基本思想是:面对客观存在的各式各样的不确定性,设计适当的控制器,使得某一指定的性能指标达到并保持最优或近似最优。常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化或者外界干扰也具有一定的抑制能力,但由于控制器的参数是固定不变的,当系统内部特性发生变化或者外界干扰很大时,系统的稳定性就无法保证。而自适应控制的优点就是具有一定的适应能力,它可以根据系统的输入输出数据,不断地辨识系统的参数.通过在线辨识,系统的模型越来越接近实际.随着模型的不断改进,作用于系统的控制输入也随之发生相应的变化,即体现出算法的学习能力。Sastry和Isidori[15]首先讨论了基于反馈线性化技术的非线性系统自适应控制。由于系统的非线性项要求满足增长性条件和匹配条件,因此算法具有一定的局限性。随后,Kanellakopoul0S和Kokotovic等人提出了反推设计方法,该方法在非线性系统自适应控制研究中具有重要意义,其基本思想是,将非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统。然后为每一个子系统设计一个Lyapunov函数以及相应的虚拟控制器,直至完成整个控制器的设计。该方法利用系统的结构特性递推地构造整个系统的Lyapunov函数,使得控制器的设计结构化、系统化,同时也放宽了对系统的非线性项增长性条件和匹配性约束条件,能够获得任意好的瞬态响应性能。

经过30多年的发展,自适应控制无论在理论上或在应用上都取得了很大的进展。近10多年来,由于计算机的迅速发展,特别是微处理机的广泛普及,为自适应控制的实际应用创造了有利条件。自适应技术在飞行控制、卫星跟踪望远镜的控制、大型油轮的控制、电力拖动、造纸和水泥配料等方面的控制中得到应用。利用自适应控制能够解决一些常规的反馈控制所不能解决的非线性动态系统控制间题,能大幅度地提高系统的稳态精度和跟踪精度。

1.5智能鲁棒控制方法

近年来,由于各类智能方法(神经网络、模糊逻辑)在理论上取得了突破性进展,引起了自动控制界的密切关注,很多学者提出利用智能方法来解决非线性动态系统的控制间题。在系统控制器设计中,智能方法主要是针对复杂系统的非线性和不确定性进行的,由于智能方法的自适应能力、并行处理和高度鲁棒性。采用智能控制方法来设计非线性动态系统控制器将具有更快的速度、更强的适应能力。而将智能控制方法(常用的有模糊逻辑、神经网络或模糊神经网络等)与各种鲁棒控制策略(比如反馈线性化控制、变结构控制、万国控制等)相结合,则成为目前非线性动态系统鲁棒控制的一个研究热点。两者相互协调,保证控制系统具

有良好的动态性能和鲁棒性能。

Narendra 和Parthasarathy [16]首先提出了基于逆动态控制方法的神经网络模型参考自适应控制策略.随后,Narendra 和Mukhopadhyay [17]将其方法应用与多输入多输出系统。Chen 和Khalil 则利用多层前向网络和反馈线性化技术,讨论了一类非线性离散动态系统的神经网络自适应控制问题。SPoone:和Passino [18]则给出了一类基于径向基神经网络的非线性连续动态系统分散控制策略.Ye 将传统的PID 控制和神经网络技术结合,给出了一类欠驱动移动机器人的智能自适应PID 控制策略。由于局部神经网络(CMAC 、B 样条)学习速度快,且可以保证权空间误差超平面的全局收敛,近些年来,其在实时系统的控制中得到了许多应用。Kraft 和Campagna [19]将CMAC 神经网络应用与机器人系统的跟踪控制间题.Li 和Qiang 等人则结合RBF 神经网络和反推控制方法,研究了一类非线性动态系统鲁棒自适应控制间题。1965年,美国加州大学zadeh 教授首先提出了用模糊集合描述事物的方法。1974年,Lee 首先提出了模糊神经网络的概念.Leu 和Lee 等人提出了一种输出反馈的模糊神经网络控制策略,首先建立基于输出反馈的模糊神经网络观测器,然后基于反馈线性化方法实现了闭环系统的鲁棒稳定。Lee 和Chen 等人[20]则针对非线性单输入单输出动态系统设计了模糊∞H 控制器,保证了系统的∞H 跟踪性能。Hwang 和Hul 等人则将神经网络∞H 控制器应用于机器人系统路径跟踪问题,得到了较好的效果。

2. 非线性动态系统研究现状

2.1动态神经网络系统稳定性研究现状

神经网络是一类非常重要的非线性动力学系统,在联想记忆,模式识别,最优化设计等方面发挥着非常巨大的作用。1982年,Hopfield [21]提出了一种以其名字命名的递归神经网络,并在1984年给出了由神经网络构成的连续递归神经网络的基本原理国。1988年,Chua 给出了具有时延的细胞神经网络模型,并给出了实现电路,此种网络在图像信息的加工和处理中有广泛的应用。神经网络系统稳定性和震荡性等基本问题的定性分析具有十分重要的意义。最近几年来,神经网络动力学的理论研究和人工神经网络的硬件实现均取得了高速的发展。随着超大规模集成电路(VLSI)技术的发展,神经网络的硬件实现将是实现神经计算机的重要手段之一。但是,神经网络硬件实现中的一些问题,如开关延迟和通信延迟,各种神经元之间的相互制约等,极大地降低了硬件神经网络的动力学性能,并可能导致网络不稳定,其中网络的时间延迟是引起硬件神经网络不稳定关键因素之

一。因此,研究有时延的非线性动态神经网络的稳定性就显得尤为重要。Zhang 和Ma 等人[22]考虑了神经网络激励函数不满足Lipschitz 条件的情况,基于不等式技术,分析了一类带时滞的神经网络系统全局渐进稳定性间题。Xu 和Lam 等

人[23]研究了一类带范数有界不确定性的时滞细胞神经网络的全局鲁棒稳定性。Yue和Zhang等人考虑了带随机时滞递归神经网络的指数稳定性,给出了时滞分布依赖的稳定性条件。Wu和Liu等人基于线性矩阵不等式技术,研究了一类时变时滞神经网络的指数稳定性。chen和zheng则结合离散Lyapunov-Krasovi泛函方法和自由权矩阵技术,给出了一类时滞神经网络的时滞依赖渐进稳定性条件。

2.2刚性机器人系统鲁棒控制理论研究现状

机器人学是一门高度交叉的前沿学科,引起许多具有不同专业背景(机械工程,计算机科学与技术,控制科学与工程,电子科学与技术,社会学)人们的广泛关注。它代表了机电一体化的最高成就,是目前科技发展最活跃的领域之一计算机技术和人工智能技术的迅速发展,使机器人在功能和技术层次有了很大的提高。然而,机器人是一个十分复杂的多输入多输出非线性系统,它具有时变、强锅合和非线性的动力学特性,其控制是十分复杂的。我们必须面对机器人系统大量不确定性因素的存在,现代工业的快速发展需要高品种的机器人为之服务,而高品质的机器人控制必须综合考虑各种不确定性因素的影响,因此,研究不确定性机器人的鲁棒控制问题具有十分重要的理论和实际意义。

刚性机器人系统的路径跟踪控制间题一直是自动控制界的研究热点。其跟踪控制问题一般可以归结为机器人闭环误差系统的稳定性间题。1989年,Ortega 和Spong[24]首先对刚性机器人系统的自适应轨迹跟踪控制问题进行了综述。Tsaprounis和AsPragathos提出了一种基于无源性的机器人自适应滑模变结构控

制,利用自适应辨识方法对机器人部分非线性动态进行辨识,保证了外扰及模型误差存在的情况下,跟踪误差闭环系统的渐近收敛性和辨识系统的参数有界性。Tomeil设计了一类摩擦补偿控制器,在机器人系统外部干扰属于L2空间的假设下,保证了系统跟踪误差渐进收敛。随后,vega和Arimoto等人结合反馈线性化方法和PID滑模控制,针对系统线性部分设计线性控制器,对于非线性部分以及系统外部扰动采用滑模变结构控制进行稳定控制,进一步改善了跟踪效果。

H控制,取得了很好的效果。Daachi Chang[25]研究了一类基于神经网络的机器人

和Benallegue研究了关节角速度不可测情况下的机械臂神经网络控制,通过构建神经网络非线性观测器实现对关节角速度的估计,保证了跟踪误差闭环系统渐进稳定。

2.3非完整移动机器人系统鲁棒控制理论研究现状

移动机器人是一个典型的具有非完整约束的非线性控制系统。由于测量和建模的不精确性,再加上负载的变化,以及外部扰动的影响,实际上无法得到移动机器人精确、完整的运动模型。因此,研究不确定性非完整移动机器人的鲁棒控制间题具有十分重要的理论和实际意义。随着机器人的工作速度和精度要求的提高,很多现代控制理论和智能控制理论应用到移动机器人控制领域[26]。利用线性化技术,Kanayama[27]中被提出一类移动机器人的局部控制策略,得到了较好的跟踪效果。Novel基于反馈线性化技术,提出一类带奇异点的微分平滑动力学控制方法,保证了非完整轮式移动机器人的全局跟踪误差收敛性。Fierro根据计算力矩原理,利用反步方法对此类系统进行了研究,但假定了移动机器人系统参数精确已知自适应控制能够解决部分参数未知移动机器人的控制问题,然而需要复杂的在线估计计算。基于神经网络优良的非线性逼近性能,Fierro和Lewis[28]提出了基于反步技术的多层前馈神经网络控制器,利用神经网络在线学习移动机器人未知动力学方程,但控制算法和网络学习算法过于复杂。hng和Meng提出了一种神经网络鲁棒控制器,利用单层神经网络来逼近未知机器人系统,降低了计算复杂度,然而,所考虑的模型没有包含非完整运动限制,因而控制算法不能用于带运动限制的机器人系统。Hu基于机器人回归矩阵特点,提出了一种单层前馈神经网络逼近器,可以较好逼近非完整移动机器人未知结构部分,但不能用与运动学参数未知的移动机器人控制。Fukao和Nakagawa等人[29]结合运动控制器和计算力矩控制器,提出了一种自适应反推控制方法,对一类非完整移动机器人轨迹跟踪控制问题进行了研究,保证了跟踪误差收敛,Dong和Huo等人研究了一类带未知惯性参数的非完整移动机器人系统轨迹跟踪控制问题,提出了一类自适应鲁棒控制器,保证了跟踪误差收敛,避免了系统奇异点的出现。Dong和Kuhnert对一类同时带参数和非参数不确定性的非完整移动机器人系统进行了研究,基于自适应反推控制器和神经网络控制器,保证了轨迹跟踪误差收敛。Liu 和Li[30]基于神经网络控制器,采用滑模变结构控制和自适应控制方法,对一类

非完整移动机器人轨迹跟踪控制间题进行了研究,保证了跟踪误差收敛和控制信号有界。

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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?

现代控制理论基础考试题A卷及答案

即 112442k g k f M L M ML θθθ??=-+++ ??? && 212 44k k g M M L θθθ??=-+ ??? && (2)定义状态变量 11x θ=,21x θ=&,32 x θ=,42x θ=& 则 一.(本题满分10分) 如图所示为一个摆杆系统,两摆杆长度均为L ,摆杆的质量忽略不计,摆杆末端两个质量块(质量均为M )视为质点,两摆杆中点处连接一条弹簧,1θ与2θ分别为两摆杆与竖直方向的夹角。当12θθ=时,弹簧没有伸长和压缩。水平向右的外力()f t 作用在左杆中点处,假设摆杆与支点之间没有摩擦与阻尼,而且位移足够小,满足近似式sin θθ=,cos 1θ=。 (1)写出系统的运动微分方程; (2)写出系统的状态方程。 【解】 (1)对左边的质量块,有 ()2111211 cos sin sin cos sin 222 L L L ML f k MgL θθθθθθ=?-?-?-&& 对右边的质量块,有 ()221222 sin sin cos sin 22 L L ML k MgL θθθθθ=?-?-&& 在位移足够小的条件下,近似写成: ()1121 24f kL ML Mg θθθθ=---&& ()2122 4kL ML Mg θθθθ=--&&

2 / 7 1221 334413 44244x x k g k f x x x M L M ML x x k k g x x x M M L =?? ???=-+++ ???? ? =????=-+? ????? &&&& 或写成 11 223 34401 000014420001000044x x k g k x x M L M f ML x x x x k k g M M L ? ? ?? ?????????? ??-+???? ???????????=+???? ????? ??????????????????? ????-+?? ? ? ?????? ? &&&& 二.(本题满分10分) 设一个线性定常系统的状态方程为=x Ax &,其中22R ?∈A 。 若1(0)1?? =??-??x 时,状态响应为22()t t e t e --??=??-?? x ;2(0)1??=??-??x 时,状态响应为 2()t t e t e --?? =??-?? x 。试求当1(0)3??=????x 时的状态响应()t x 。 【解答】系统的状态转移矩阵为()t t e =A Φ,根据题意有 221()1t t t e t e e --????==????--???? A x 22()1t t t e t e e --????==????--???? A x 合并得 2212211t t t t t e e e e e ----????=????----?? ??A 求得状态转移矩阵为 1 22221212221111t t t t t t t t t e e e e e e e e e -----------?????? ?? ==????????------???? ????A 22222222t t t t t t t t e e e e e e e e --------?? -+-+=??--??

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现代控制理论基础考试题 西北工业大学考试题(A卷) (考试时间120分钟) 学院:专业:姓名:学号: 一.填空题(共27分,每空1.5分) 1.现代控制理论基础的系统分析包括___________和___________。 2._______是系统松弛时,输出量、输入量的拉普拉斯变换之比。 3.线性定常系统齐次状态方程是指系统___________时的状态方程。 4.推导离散化系统方程时在被控对象上串接一个开关,该开关以T为周期进 行开和关。这个开关称为_______。 5.离散系统的能______和能______是有条件的等价。 6.在所有可能的实现中,维数最小的实现称为最小实现,也称为__________。 7.构造一个与系统状态x有关的标量函数V(x, t)来表征系统的广义能量, V(x, t)称为___________。 8.单输入-单输出线性定常系统,其BIBO稳定的充要条件是传递函数的所有 极点具有______。 9.控制系统的综合目的在于通过系统的综合保证系统稳定,有满意的 _________、_________和较强的_________。 10.所谓系统镇定问题就是一个李亚普诺夫意义下非渐近稳定的系统通过引入_______,以实现系统在李亚普诺夫意义下渐近稳定的问题。 11.实际的物理系统中,控制向量总是受到限制的,只能在r维控制空间中某一个控制域内取值,这个控制域称为_______。 12._________和_________是两个相并行的求解最优控制问题的重要方法。二.判断题(共20分,每空2分) 1.一个系统,状态变量的数目和选取都是惟一的。(×) 2.传递函数矩阵的描述与状态变量选择无关。(√) 3.状态方程是矩阵代数方程,输出方程是矩阵微分方程。(×) 4.对于任意的初始状态) ( t x和输入向量)(t u,系统状态方程的解存在并且惟一。(√) 5.传递函数矩阵也能描述系统方程中能控不能观测部分的特性。(×) 6.BIBO 稳定的系统是平衡状态渐近稳定。(×) 7.一个系统能正常工作,稳定性是最基本的要求。(√) 8.如果系统的状态不能测得,只要系统能观测,可以采用状态观测器实现状

《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》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: 1113222332 1L x Rx x u L x Rx x Cx x x ++=?? +=??+=? 改写为1 13111 22 322 312 11111R 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

[]11 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

现代控制理论基础考试题B卷及答案

-----好资料学习 分)一.(本题满分10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L态变量的设置如图所示,系统的输出变量为流经电感的电流强度。2

【解答】根据基尔霍夫定律得:uLx?Rx?x??3111 ?x?Lx?Rx?3222 ?xx?Cx??213 1R1?ux?x??x?? 311LLL ?1111R?x??x?x?232x?y,输出方程为改写为LL ?222?11x?x?x? 123CC? 写成矩阵形式为 更多精品文档. 学习-----好资料 ?R1??1??0?????LL?????11Lxx??????111 ?1R??????u?x?0?x0?????????22LL ?????22????0xx???????33??11

???0????? ?CC???x???1?????x1y?00???2???x???3 10分)二.(本题满分单输入单输出离散时间系统的差分方程 为)k2r(r?3y(k)?(k?1)??y(k2)?5y(k?1) 回答下列问题:)求系统的脉冲传递函数;(1 )分析系统的稳定性; (2)y?(kx(k))r(kx(k)?x(k?1)?,,(3)取状态变量为求系统的状态空间表达式;112(4)分析系统的状态能观性。【解答】z变换有:1()在零初始条件下进行????2 )z?2)?zRz(?5z?3zY(2?(Yz)z?系统的脉冲传递函数: 23R(z)z?5z?(2)系统的特征方程为20?5?z?3zD(z)? 1z?0.7?z?4.3??z,,所以离散系统不稳定。,特征根为211)(k1)?rx)?y(k)x(k)?(k?(xk 3)由,,可以得到(1211)(k??(k?1)y(k?2)?r?kx(?1)?x(k2)?r12由已知 得)?1)?3x(kk(?2rk)?5x()k3?1)?y(k?r??(yk?2)r(k1)?2(k)5y(11??)x(k?5)x(k?r(k)3?)2?r(k)(x ?5(k)?3rkk3??x()2112于是有:)k3(?(?1)?3xk)5xk)?r(?(xk221又因为)?k(??(xk1)x)r(k21所以状态空间表达式为更多精品文档. 学习-----好资料 ?x(k?1)x(k)101????????11??r(k)?????????x?3?3?5(x(k)k?1)?????????22 ?x(k)?????101y(k)????x(k)???2(4)系统矩阵为0101??????????,输出矩阵为0c?110?0G?cG?1,?????3?5?3?5????c10????能观性矩阵为,,系统完全能观。2Q?rank??Q????oo cG01???? 三.(本题满分10分) 回答下列问题: (1)简述线性系统的对偶原理; (2)简述线性定常系统的状态稳定性与输出稳定性的相互关系; r?2rr阶线性解耦系统等效于多少个独立的单输入单输出系统?输出(3)输入【解答】 (1)若线性系统1与线性系统2互为对偶,则系统1的能控性等价于系统2的能观性,系统1的能观性等价于系统2的能控性。 (2)若线性定常系统的状态稳定,则输出必稳定,反之,若线性定常系统的输出稳定,则状态未必稳定。当且仅当线性定常系统的传递函数没有零极点对消现象时,其状态稳定性和输出稳定性才是等价的。 r?2rrr个独立的单输入单输出系统。输入)输出阶线性解耦系统等效于(3 四.(本题满分10分) x?x?x cos x?2211?,判

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 第一章 控制系统的状态空间表达式 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 =

哈尔滨工业大学《现代控制理论基础》考试题B卷及答案

哈工大2010 年春季学期 现代控制理论基础 试题B 答案 题号 一 二 三 四 五 六 七 八 卷面分 作业分 实验分 总分 满分值 10 10 10 10 10 10 10 10 80 10 10 100 得分值 第 1 页 (共 8 页) 班号 姓名 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: 1113222332 1L 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

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《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

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现代控制理论试卷答案与解析

现代控制理论试卷作业 一.图为R-L-C 电路,设u 为控制量,电感L 上的支路电流 11121222121212010Y x U R R R R Y x R R R R R R ????????????=+????????-????+++???????? 和电容C 上的电压2x 为状态变量,电容C 上的电压2x 为输出量,试求:网络的状态方程和输出方程(注意指明参考 方向)。 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L 上的电流和电容两端的电压为状态变量,即令:12,L c i x u x ==,由基尔霍夫电压定律可得电压方程为: 从上述两式可解出1x ?,2x ? ,即可得到状态空间表达式如下: ??????21y y =????????++-211212110R R R R R R R ??????21x x +u R R R ????????+2120 二、考虑下列系统: (a )给出这个系统状态变量的实现; (b )可以选出参数K (或a )的某个值,使得这个实现或者丧失能控性,或者丧失能观性,或者同时消失。 解:(a )模拟结构图如下: 则可得系统的状态空间表达式: (b ) 因为 3023A -??=??? 0013 k k a -??-??-? 110b ????=?????? 所以:当1a =时,该系统不能控;当1a ≠时,该系统能控。 又因为:[2C = 1 ]0 所以:当0k =或1a =时,该系统不能观;当0k ≠且1a ≠时,该系统能观。 综上可知:当1a =时或0k =且1a =时,该系统既不能控也不能观。 三、已知系统. Ax x =?的状态转移矩阵为: (1)试确定矩阵A ,并验证At e 确为上式。

现代控制理论课程学习心得.

现代控制理论基础课程总结 学院:__机械与车辆学院_ 学号:____2120120536___ 姓名:_____王文硕______ 专业:___交通运输工程__ 《现代控制理论》学习心得 摘要:从经典控制论发展到现代控制论,是人类对控制技术认识上的一次飞跃。现代控制论是用状态空间方法表示,概念抽象,不易掌握。对于《现代控制理论》这门课程,本人选择了最为感兴趣的几个知识点进行分析,并谈一下对于学习这么课程的一点心得体会。 关键词:现代控制理论;学习策略;学习方法;学习心得 在现代科学技术飞速发展中,伴随着学科的高度分化和高度综合,各学科之间相互交叉、相互渗透,出现了横向科学。作为跨接于自然科学和社会科学的具有横向科学特点的现代控制理论已成为我国理工科大学高年级的选修课和研究生的学位课。 从经典控制论发展到现代控制论,是人类对控制技术认识上的一次飞跃。经典控制论限于处理单变量的线性定常问题,在数学上可归结为单变量的常系数微分方程问题。现代控制论面向多变量控制系统的问题,它是以矩阵论和线性空间理论作为主要数学工具,并用计算机来实现。现代控制论来源于工程实际,具有明显的工程技术特点,但它又属于系统论范畴。系统论的特点是在数学描述的基础上,充分利用现有的强有力的数学工具,对系统进行分析和综合。系统特性的度量,即表现为状态;系统状态的变化,即为动态过程。状态和过程在自然界、社会和思维中普遍存在。现代控制论是在引入状态和状态空间的概念基础上发展起来的。状态和状态空间早在古典动力学中得到了广泛的应用。在5O年代Mesarovic教授曾提出“结构不确定

性原理”,指出经典理论对于多变量系统不能确切描述系统的内在结构。后来采用状态变量的描述方法,才完全表达出系统的动力学性质。6O年代初,卡尔曼(Kalman从外界输入对状态的控制能力以及输出对状态的反映能力这两方面提出能控制性和能观性的概念。这些概念深入揭示了系统的内在特性。实际上,现代控制论中所研究的许多基本问题,诸如最优控制和最佳估计等,都是以能能控性和能观性作为“解”的存在条件的。 现代控制理论是一门工程理论性强的课程,在自学这门课程时,深感概念抽象,不易掌握;学完之后,从工程实际抽象出一个控制论方面的课题很难,如何用现代控制论的基本原理去解决生产实际问题则更困难,这是一个比较突出的矛盾。 对现代控制理论来说,首先遇到的问题是将实际系统抽象为数学模型,有了数学模型,才能有效地去研究系统的各个方面。许多机电系统、经济系统、管理系统常可近似概括为线 性系统。线性系统和力学中质点系统一样,是一个理想模型,理想模型是研究复杂事物的主要方法,是对客观事物及其变化过程的一种近似反映。现代控制论从自然和社会现象中抽象出的理想模型,用状态空间方法表示,再作理论上的探讨。 线性系统理论是一门严谨的科学。抽象严谨是其本质的属性,一旦体会到数学抽象的丰富含义,再不会感到枯燥乏味。线性系统理论是建立在线性空间的基础上的,它大量使用矩阵论中深奥的内容,比如线性变换、子空间等,是分析中最常用的核心的内容,要深入理解,才能体会其物理意义。比如,状态空间分解就是一种数学分析方法。在控制论中把实际系统按能控性和能观性化分成四个子空间,它们有着确切的物理概念。线性变换的核心思想在于:线性系统的基本性质(如能控性、能观性、极点、传递函数等在线性变换下都不改变,从而可将系统化为特定形式,使问题的研究变得简单而透彻。 在学习现代控制理论教材时,发现不少“引而未发”的问题。由于作者有丰富的教学经验与学术造诣,能深入浅出阐述问题,发人深省。因此,通过自己反复阅读教材,就能理解这些内容。比如,在探讨线性系统的传递函数的零极点相消时,如果潜伏着

现代控制理论基础

现代控制理论基础 1.一个线性系统的状态空间描述( B ) A.是唯一的; B.不是唯一的 C.是系统的内部描述;D.是系统的外部描述 2.设系统的状态空间方程为=X+u,则其特征根为( D ) A. s1= -2,s2= -3;B. s1= 2,s2= 3;C. s1= 1,s2= -3;D.s1=-1,s2=-2 3.状态转移矩阵(t)的重要性质有( D)。 A.φ(0)=0; B.φ-1(t)= -φ(t); C.φk(t)=kφ(t);D .φ(t1+t2)=φ(t1)?φ(t2)4.系统矩阵A=,则状态转移矩阵φ(t)= ( C) A. ; B. ; C. ; D. ; 5. 设系统=X+u,y=x,则该系统( A )。 A.状态能控且能观测; B.状态能控但不能观测; C.状态不能控且不能观测 D.状态不能控且能观测; 6.若系统=X+u,y=x是能观测的,则常数a取值范围是( C)。 A.a ≠ 1;B.a = 1;C.a ≠ 0;D.a = 0; 7. 线性系统和互为对偶系统,则(AD) A.C1=B2T;B. C1=B2;C. C1=C2;D.C1=B2T 8. 李雅普诺夫函数V(x)=(x1+x2)2,则V(x)是(C) A.负定的;B.正定的;C.半正定的;D.不定的 9.单位脉冲响应的拉氏变换为(B)

A.; B.; C. 0; D. 1 10.通过状态反馈能镇定的充分必要条件是,渐近稳定的子系统是(B) A.能控; B.不能控; C.能观测; D.不能观测 二.填空题(每空1分,10分) 11.状态方程揭示了系统的内部特征,也称为内部描述。 12.已知系统矩阵,则特征多项式为S2-S+1 。 13.对于完全能控的受控对象,不能采用输出反馈至参考信号入口处的结构去实现闭环极点的任意配置。 14.在状态空间分析中,常用状态结构图来反映系统各状态变量之间的信息传递关系。 15.为了便于求解和研究控制系统的状态响应,特定输入信号一般采用脉冲函数、阶跃函数和斜坡函数等输入信号。 16.若已知线性系统的矩阵【A AB A2B】的秩为3,那么该系统是能控的。 17.当且仅当系统矩阵A的所有特征值都具有负实部时,系统在平衡状态时渐近稳定的。 18.同一个系统,状态变量的选择不是唯一的。 19.控制系统的稳定性,包括外部稳定性和内部稳定性。 20.能观测性是反映输出对系统状态的判断能力。 三.名词解释(共20分) 21.状态空间描述(3分) 答:用状态变量构成输入,输出与状态之间的关系方程组即为状态空间描述。 22. 零输入响应(3分) 答:是指系统输入为零时,由初始状态引起的自由运动。 23.稳定(3分) 答:系统稳定性包括外部稳定和内部稳定;外部稳定是指系统在零初始条件下通过其外部状

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 1 2()0 () x t x t ?? =??- ??

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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 1 1 2222}){()(22112 2 1221112112 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)(0 2222210 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 10032010001 0=????? ?????+??????????--=

现代控制理论试题与答案

现代控制理论 1、经典-现代控制区别: 经典控制理论中,对一个线性定常系统,可用常微分方程或传递函数加以描述,可将某个单变量作为输出,直接与输入联系起来;现代控制理论用状态空间法分析系统,系统的动态特性用状态变量构成的一阶微分方程组描述,不再局限于输入量,输出量,误差量,为提高系统性能提供了有力的工具、可以应用于非线性,时变系统,多输入-多输出系统以及随机过程、2、实现-描述 由描述系统输入-输出动态关系的运动方程式或传递函数,建立系统的状态空间表达式,这样问题叫实现问题、实现就是非唯一的、 3、对偶原理 系统=∑1(A1,B1,C1)与=∑2(A2,B2,C2)就是互为对偶的两个系统,则∑1的能控性等价于∑2的能观性, ∑1的能观性等价于∑2的能控性、或者说,若∑1就是状态完全能控的(完全能观的),则∑2就是状态完全能观的(完全能控的)、对偶系统的传递函数矩阵互为转置 4、对线性定常系统∑0=(A,B,C),状态观测器存在的充要条件就是的不能观子系统为渐近稳定 第一章控制系统的状态空间表达式 1、状态方程:由系统状态变量构成的一阶微分方程组 2、输出方程:在指定系统输出的情况下,该输出与状态变量间的函数关系式 3、状态空间表达式:状态方程与输出方程总合,构成对一个系统完整动态描述 4、友矩阵:主对角线上方元素均为1:最后一行元素可取任意值;其余元素均为0 5、非奇异变换:x=Tz,z=T-1x;z=T-1ATz+T-1Bu,y=CTz+Du、T为任意非奇异阵(变换矩阵),空间表达式非唯一 6、同一系统,经非奇异变换后,特征值不变;特征多项式的系数为系统的不变量 第二章控制系统状态空间表达式的解 1、状态转移矩阵:eAt,记作Φ(t) 2、线性定常非齐次方程的解:x(t)=Φ(t)x(0)+∫t0Φ(t-τ)Bu(τ)dτ 第三章线性控制系统的能控能观性 1、能控:使系统由某一初始状态x(t0),转移到指定的任一终端状态x(tf),称此状态就是能控的、若系统的所有状态都就是能控的,称系统就是状态完全能控 2、系统的能控性,取决于状态方程中系统矩阵A与控制矩阵b 3、一般系统能控性充要条件:(1)在T-1B中对应于相同特征值的部分,它与每个约旦块最后一行相对应的一行元素没有全为0、(2)T-1B中对于互异特征值部分,它的各行元素没有全为0的 4、在系统矩阵为约旦标准型的情况下,系统能观的充要条件就是C中对应每个约旦块开头的一列的元素不全为0 5、约旦标准型对于状态转移矩阵的计算,可控可观性分析方便;状态反馈则化为能控标准型;状态观测器则化为能观标准型 6、最小实现问题:根据给定传递函数阵求对应的状态空间表达式,其解无穷多,但其中维数最小的那个状态空间表达式就是最常用的、 第五章线性定常系统综合 1、状态反馈:将系统的每一个状态变量乘以相应的反馈系数,然后反馈到输入端与参考输入相加形成控制律,作为受控系统的控制输入、K为r*n维状态反馈系数阵或状态反馈增益阵 2、输出反馈:采用输出矢量y构成线性反馈律H为输出反馈增益阵 3、从输出到状态矢量导数x的反馈:A+GC 4、线性反馈:不增加新状态变量,系统开环与闭环同维,反馈增益阵都就是常矩阵 动态补偿器:引入一个动态子系统来改善系统性能 5、(1)状态反馈不改变受控系统的能控性 (2)输出反馈不改变受控系统的能控性与能观性 6、极点配置问题:通过选择反馈增益阵,将闭环系统的极点恰好配置在根平面上所期望的位置,以获得所希望的动态性能(1)采用状态反馈对系统任意配置极点的充要条件就是∑0完全能控

《现代控制理论基础》考试题A卷及答案

即 112442k g k f M L M ML θθθ??=-+++ ??? 21244k k g M M L θθθ??=-+ ??? (2)定义状态变量 11x θ=,21x θ=,32x θ=,42x θ= 一.(本题满分10分) 如图所示为一个摆杆系统,两摆杆长度均为L ,摆杆的质量忽略不计,摆杆末端两个质量块(质量均为M )视为质点,两摆杆中点处连接一条弹簧,1θ与2θ分别为两摆杆与竖直方向的夹角。当12θθ=时,弹簧没有伸长和压缩。水平向右的外力()f t 作用在左杆中点处,假设摆杆与支点之间没有摩擦与阻尼,而且位移足够小,满足近似式sin θθ=,cos 1θ=。 (1)写出系统的运动微分方程; (2)写出系统的状态方程。 【解】 (1)对左边的质量块,有 ()2111211cos sin sin cos sin 222 L L L ML f k MgL θθθθθθ=?-?-?- 对右边的质量块,有 ()221222sin sin cos sin 22 L L ML k MgL θθθθθ=?-?- 在位移足够小的条件下,近似写成: ()112124f kL ML Mg θθθθ=--- ()21224kL ML Mg θθθθ=--

则 122133441344244x x k g k f x x x M L M ML x x k k g x x x M M L =?? ???=-+++ ???? ? =????=-+? ????? 或写成 11 22334401 000014420001000044x x k g k x x M L M f ML x x x x k k g M M L ? ? ?? ?????????? ??-+???? ? ??????????=+??? ? ????? ??????????????????? ????-+?? ? ? ?????? ? 二.(本题满分10分) 设一个线性定常系统的状态方程为= x Ax ,其中22R ?∈A 。 若1(0)1?? =??-??x 时,状态响应为22()t t e t e --??=??-?? x ;2(0)1??=??-??x 时,状态响应为 2()t t e t e --?? =??-?? x 。试求当1(0)3??=????x 时的状态响应()t x 。 【解答】系统的状态转移矩阵为()t t e =A Φ,根据题意有 221()1t t t e t e e --????==????--???? A x 22()1t t t e t e e --????==????--???? A x 合并得 2212211t t t t t e e e e e ----????=????----?? ??A 求得状态转移矩阵为 1 22221212221111t t t t t t t t t e e e e e e e e e -----------?????? ?? ==????????------???? ????A

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: 1212112121111222222221111 1R 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 -=--

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