现代控制理论课程复习要点
现代控制理论复习要点
现代控制理论复习要点第二章控制系统的状态空间描述小结一、建模：状态空间描述（现代控制：内部描述）1、对象：① 线性时不变系统；② 离散时间系统；③ 时变系统；④ 非线性系统。
2、模型形式（状态空间表达式）：① 一阶微分方程组（一阶差分方程组）；② 向量-矩阵形式；③ 系统方框图；④ 状态变量图。
3.方法（途径）：①（已知）系统机理→（求）状态空间表达式；②（已知）输入输出描述（经典控制：外部描述）→实现问题（求）状态空间表达式（现代控制：内部描述）a 、（已知）方块图→（求）状态空间表达式；方块图→无零点惯性环节有零点惯性环节二阶振荡环节状态变量图→将积分器的输出作为状态变量状态空间描述b 、（已知）传递函数阵/高阶微分方程（脉冲传递函数阵/高阶差分方程）→（求）状态空间表达式))a b 无零点实现：能控标准型、能观标准型直接分解法：能控标准型、能观标准型最小实现有零点实现串联分解法(串联实现)并联分解法（并联实现或约旦标准型实现）：无重极点;有重极点二、状态变量的线性变换1、系统状态空间表达式的非唯一性2、系统的不变性① 特征值不变性/特征多项式系数（特征方程）不变性；② 传递函数矩阵不变性；③ 系统的能控性与能观性不变性。
3、状态空间表达式→约旦标准型三、状态空间表达式（现代控制：内部描述）→传递函数阵（经典控制：外部描述）1. 已知()()()()()()()()()()x t A t x t B t u t y t C t x t D t u t =+= ＋，求传递函数1()()()adj s s G s s s --+-=-+=-C I A B D I AC I A BD I A四、组合系统1．（已知）若干子系统的并联、串联、输出反馈联结→（求）状态空间描述或传递函数阵第三章状态方程的解小结一、求状态方程的解1、对象：线性系统① 连续时间系统：定常（齐次、非齐次）、时变（齐次、非齐次）② 离散时间系统：定常（齐次、非齐次）、时变（齐次、非齐次）2、解的形式如线性时变连续时间系统非齐次（对象）状态方程的解为：000()(,)()(,)()()t t x t t t x t t B u d ττττ=Φ+Φ?3、求解的关键求解状态方程的关键是求出状态转移矩阵0(,)t t Φ（重点和难点）；① 掌握状态转移矩阵的1）定义；2)基本性质；3)如何求；② 注意状态转移矩阵与矩阵指数的区别与相同点；③ 线性定常（时不变）连续时间系统状态转移矩阵（矩阵指数）的求法。
现代控制理论总复习
2 1 2 1 3 1
1 0 0
0 3 2 0 1 0
1 3 0
0 0 1
第二章
一、基本概念 1）线性定常连续系统非齐次状态方程的解分为 零输入的状态转移和零状态的状态转移；系统的输 出响应由零输入响应和零状态响应两部分组成。
3. 可逆性
(t, t0 ) (t0 , t )
1
例 已知系统状态方程,试确定该系统在输入作用分别为单位脉 冲函数、单位阶跃输入及单位斜坡函数时的状态响应。
能观标准Ⅱ型
a0 x1 c0 a1 x2 c1 a2 x3 c2 u an 1 xn cn 1 x1 x 2 1 bn u xn 1 xn
p21 1 p2 p22 0 p23 0
3 p3 Ap3
p31 4 p 1 32 p33 1
1 0 1
2 p31 2 p32 3 p33
2 s 2 11s 6 W ( s) 3 s 8s 2 17 s 10
2）能观标准Ⅱ型
x1 0 x2 0 x3 10 y 6 11 1 0 17 x1 2 x2 x3 0 x1 0 1 x2 0 u 8 x3 1
能控标准Ⅰ型
x1 0 0 10 x1 6 x2 1 0 17 x2 11 u x3 0 1 8 x3 2 x1 y 0 0 1 x2 x3
现代控制复习重点
复习重点
第一章控制系统的状态空间描述
1 控制系统状态空间表达式
2 由系统的物理模型建立状态空间表达式
3 由系统的微分方程建立状态空间表达式
4 离散时间系统的状态空间表达式
第二章线性控制系统的分析
1 线性定常系统的运动分析
2 状态转移矩阵
3 线性定常非齐次状态方程的解
4 线性离散时间系统的运动分析
5 线性连续时间系统的离散化
第三章线性控制系统能控性和能观测性
1 线性连续系统的能控性及判据
2 线性连续系统的能观测性及判据
3 对偶原理概念
4 线性系统的能控标准型和能观测标准型
5 线性定常离散系统能控性与能观测性判据
6 线性系统的能控性结构分解和能观测性结构分解
7 传递函数矩阵的（能控、能观测、最小）实现
第四章控制系统的稳定性分析
1 李亚普诺夫稳定性定义
2 李亚普诺夫稳定性基本定理
3 线性系统李亚普诺夫稳定性分析
4 非线性系统李亚普诺夫稳定性分析
第五章线性定常系统综合
1 状态反馈和输出反馈
2 闭环系统的极点配置
3 状态观测器的实现
i。
现代控制理论知识点汇总
现代控制理论知识点汇总Revised at 2 pm on December 25, 2020.第一章 控制系统的状态空间表达式１． 状态空间表达式 n 阶DuCx y Bu Ax x+=+= 1:⨯r u 1:⨯m y n n A ⨯: r n B ⨯: n m C ⨯:r m D ⨯:A 称为系统矩阵，描述系统内部状态之间的联系；Ｂ为输入（或控制）矩阵，表示输入对每个状态变量的作用情况；C 输出矩阵，表示输出与每个状态变量间的组成关系，Ｄ直接传递矩阵，表示输入对输出的直接传递关系。
２． 状态空间描述的特点①考虑了“输入－状态－输出”这一过程，它揭示了问题的本质，即输入引起了状态的变化，而状态决定了输出。
②状态方程和输出方程都是运动方程。
③状态变量个数等于系统包含的独立贮能元件的个数，n 阶系统有n 个状态变量可以选择。
④状态变量的选择不唯一。
⑤从便于控制系统的构成来说，把状态变量选为可测量或可观察的量更为合适。
⑥建立状态空间描述的步骤：a 选择状态变量；b 列写微分方程并化为状态变量的一阶微分方程组；c 将一阶微分方程组化为向量矩阵形式，即为状态空间描述。
⑦状态空间分析法是时域内的一种矩阵运算方法，特别适合于用计算机计算。
３． 模拟结构图（积分器 加法器 比例器）已知状态空间描述，绘制模拟结构图的步骤：积分器的数目应等于状态变量数，将他们画在适当的位置，每个积分器的输出表示相应的某个状态变量，然后根据状态空间表达式画出相应的加法器和比例器，最后用箭头将这些元件连接起来。
４． 状态空间表达式的建立① 由系统框图建立状态空间表达式：a 将各个环节（放大、积分、惯性等）变成相应的模拟结构图；b 每个积分器的输出选作i x ，输入则为i x；c 由模拟图写出状态方程和输出方程。
② 由系统的机理出发建立状态空间表达式：如电路系统。
通常选电容上的电压和电感上的电流作为状态变量。
利用KVL 和KCL 列微分方程，整理。
现代控制理论复习大纲
《现代控制理论》课程回顾第一部分 系统数学模型的建立1．系统数学模型的种类：A 、输入输出描述：输入输出微分方程、输入输出差分方程：)()()()()()()()()(1)2(2)1(11)2(2)1(1)(t u b t ub t u b t u b t y a t ya t y a t y a t y n n n n n n n n n ++++=+++++------][]1[]2[]1[][]1[]2[]1[][121121n k u b n k b k u b k u b n k y a n k a k y a k y a k y n n n n -++-++-+-=-++-++-+-+--传递函数(s 域)、脉冲传递函数(z 域)nn n n nn n n n a s a s a s a s b s b s b s b s u s y s g +++++++++==------1221112211)(ˆ)(ˆ)(ˆ n n n n n n n n n a z a z a z a z b z b z b z b z uz yz g +++++++++==------1221112211)(ˆ)(ˆ)(ˆ 传递矩阵(s 域)、脉冲传递矩阵(z 域))(ˆ)()(ˆ:)(s s s s u G yG = )(ˆ)()(ˆ:)(z z z z u G yG = 脉冲响应函数、脉冲相应矩阵：（因果、t 0时刻松弛）⎰⎰⎰⎰ττ-τ=τττ-=τττ-=τττ-=∞-∞+∞-tt tt td t u g d u t g d u t g d u t g t y 0)()()()()()()()()(⎰⎰⎰⎰ττ-τ=τττ-=τττ-=τττ-=∞-∞+∞-tt t t t d t d t d t d t t 0)()()()()()()()()(u G u G u G u G yB 、状态空间描述基本概念：状态、状态变量、状态向量、状态空间、状态轨线、状态方程、输出方程、动态方程（状态空间表达式、状态空间方程、状态方程）线性系统的结构图2．线性系统动态方程的建立A 、由系统机理出发建立系统的状态空间表达式这是最基本的方法实践中这也是主要的甚至是唯一的方法。
现代控制理论 复习第一章
约旦形实现：A中有约旦块
D(s) (s 1 )k (s 2 )...( s n )
n c1k ci c11 c12 N ( s) W ( s) ... k k 1 D(s) ( s i ) ( s i ) ( s i ) i k 1 ( s i )
1 1 1 0 x1 0 x x 1 u x 0 1 0 2 2 3 0 0 3 1 x x3 x1 y [2 1 0.5] x 2 x3
线性定常系统
状态方程 输出方程
例1-1可写成
1 0 x k x 2 m 1 x 0 b 1 1 u x2 m m
Ax bu x y Cx du
x y 1 0 1 x2
令
x1 y x2 y ... xn y ( n 1)
1 x2 x 2 x3 x .... n 1 xn x n an 1 xn an 2 xn 1 ... a1 x2 a0 x1 b0u x
1 0 1 0 0 x1 0 x x 0 x 0 0 1 0 2 2 u xn 1 0 0 0 1 xn 1 0 1 n a0 a1 a2 an 1 x xn y (b0 0 0 0) x
对角形实现：A为对角形
D(s) (s 1 )(s 2 )...( s n ) ci N ( s) n W ( s) D( s) i 1 ( s i )
自控控制原理现代控制理论复习要点
2023 WORK SUMMARY
自控控制原理现代控 制理论复习要点
REPORTING
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目录
• 自控控制原理概述 • 现代控制理论基础知识 • 自控控制系统分析方法 • 自控控制系统设计方法 • 现代控制理论的应用实例
自控控制系统的分类
开环控制系统
开环控制系统是指没有反馈环节的系 统，控制器根据设定值直接控制执行 器，受控对象的输出不反馈到控制器。
闭环控制系统
闭环控制系统是指具有反馈环节的系统， 控制器根据设定值和实际值的偏差进行调 节，受控对象的输出通过传感器反馈到控 制器，形成一个闭环的反馈回路。
PART 02
PART 03
自控控制系统分析方法
时域分析法
定义
时域分析法是一种通过在时间域内对控制系统进行直接分析 的方法。
特点
时域分析法能够提供系统在各种输入下的准确响应，包括超 调和调节时间等性能指标。
应用
适用于系统的稳定性和动态性能分析，以及系统设计和优化 。
频域分析法
定义
频域分析法是一种通过将控制系统转换为频率域进行分析的方法。
PID控制器
01
通过调整比例、积分和微分系数，实现对系统的控制性能的优
化。
状态反馈控制器
02
通过将系统的状态反馈到控制器中，实现对系统的全面控制。
观测器
03
通过观测器对系统的状态进行估计，再利用估计的状态对系统
进行控制。
PART 05
现代控制理论的应用实例
航天器姿态控制系统
航天器姿态控制系统是现代控制理论的重要应用领域之一，通过控制航天器的姿态，实现精确的轨道 控制和导航。
现代控制理论期末复习重点题目
1. 1 控制理论的发展过程:经典控制理论,现代控制理论,智能控制理论.
2.现代控制理论研究的对象:线性系统,非线性系统,时变系统,多变量系统, 连续与离散系统。
3.建模：用数学模型描述被控对象，
4.分析：A定性：稳定性、能观能控性。
B定量：时域指标、频域指标
5.设计：控制器设计、满足性能要求：结构设计,参数设计
6.实施：实现控制系统
7.设计一个控制系统所涉及的内容：建模，系统辨识，信号处理，控制方法的选择与确定。
8.
系统的状态空间描述为
系统的状态空间描述为
§5.1 状态反馈
7.3.李亚普诺夫稳定性。
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现代控制理论课程复习要点
第一章
1.已知系统的状态方程和输出方程（以线性方程组的形式给出），如何写出其向量-矩阵方程并画出状态变量图。
2. 已知系统的状态空间模型表达式，如何将其转换为对角线规范型。
（注意复习3*3矩阵的求逆、行列式计算的方法，切记）
该类题目具体做法有两种：
（1） 方法一：求出该系统特征值，特征向量，利用特征向量构成非奇异转换矩
阵P ，然后利用线性转换公式：11,,A P AP B P B C CP --=== 求出对应对角线规范型。
（2） 方法二：求出该系统特征值，利用特征值，构成范德蒙德矩阵，并将该矩
阵作为非奇异转换矩阵P ，然后利用线性转换公式：11,,A P AP B P B C CP --=== 求出对应对角线规范型。
第二章
1. 已知系统状态转移矩阵()t Φ，如何求出该系统状态方程中的系统矩阵A 的值； 该题的主要考点在于：()t Φ的一阶导数在t=0时的值为A ，即t 0()|A t ==Φ。
2.已知状态空间模型，如何求输入()u t 为单位阶跃函数时，该状态空间表达式的解；（利用非齐次状态空间模型的解公式求就可以了）
3. 已知线性定常系统齐次状态方程，试利用特征值规范型方法求出状态转移矩阵()t Φ。
具体解法：
（1） 先求出该系统的特征值：s -0I A = ，特征值分别为123λλλ，， ;
（2） 根据特征值123λλλ，，求对应的特征向量123,,p p p ，并以此构成非奇异转
换矩阵[]123=P p p p ；
（3） 根据特征值规范型的特性可知，特征值规范型系统的状态转移矩阵为
12300(t)0
00t
t t e e e λλλ⎡⎤⎢⎥Φ=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ （4） 最后将该状态转移矩阵转换回普通形式的状态转移矩阵1(t)P (t)P -Φ=Φ .
第三章
1. 已知线性定常系统的状态方程（该方程中含未定参数），试确定系统在平衡状态处大范围渐进稳定时，这些未定参数应满足的条件。
（该类题目，第一步先要求出系统的平衡状态是什么，这一步不能缺）
该类题目具体做法有两种：
方法一：线性定常系统在平衡状态处大范围渐进稳定，则其系统特征值应该在左半平面。
从这个思路可以去判断。
方法二：可根据教材P149页，第10题的做法去判断。
（利用线性定常系统的李雅普诺夫稳定性判据进行判断，即利用T A P PA Q +=- 求出矩阵P,然后根据P 是正定时，确定未定参数应该满足什么条件）
2. 给定系统的状态方程，分析系统平衡状态的稳定性。
（构建能量函数，利用李亚普诺夫第二方法进行判断）
第四章
1. 已知系统状态空间模型表达式，如何将其转换为可控标准型；
2. 已知系统状态空间模型表达式，如何求该系统传递函数矩阵；
3. 已知系统状态空间模型表达式，判断系统的能控性，若完全能控，则将系统化为能控规范型；若不完全能控，则将系统按能控性分解。
第五章
1. 给定系统状态空间模型表达式，如何判断该系统的极点是否可以任意配置（即可控性判断）；
2.如果极点可以任意配置，则当指定具体配置极点时，如何求出对应的状态反馈
矩阵。
3.给定系统的传递函数，写出系统的能控标准型的状态方程和输出方程；
4.如何画出反馈系统状态变量图。
第六章
1.已知系统状态空间模型表达式，如何判断该系统的可控性和可观测性；
2.如何设计一个全维状态观测器，使闭环系统极点位于指定的位置；
3.如何画出带状态观测器的系统状态变量结构图。