现代控制理论试题
现代控制理论考试题及答案
答案及评分标准一，填空（3分每空，共15分）1．输出变量 2.变量的个数最少 3.⎥⎦⎤⎢⎣⎡2001 4. 其状态空间最小实现为u x x ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=100001100010 ； u x y 2102121+⎥⎦⎤⎢⎣⎡= 5. 0,021==x x二，选择题（3分每题，共12分） 1.B 2.D 3.B 4.C三，判断题（3分每题，共12分）1.2. √3.4. √四，简答题（共23分）1.（5分） 解 判定系统11221223x x x x x x =-+⎧⎨=--⎩在原点的稳定性。
解 2114523I A λλλλλ+--==+++，两个特征根均具有负实部，（3分） 系统大范围一致渐近稳定。
（2分） 无大范围扣一分，无一致渐近扣一分。
2. （5分）11b ab b -⎛⎫⎪--⎝⎭能控性矩阵为 （2分）1 rank 211det 1b ab b b ab b -⎛⎫= ⎪--⎝⎭-⎛⎫⇔ ⎪--⎝⎭210b ab =-+-≠ （5分）3.（8分）在零初始条件下进行拉式变换得：)()(2)()()(2)(3)(223S U S SU S U S S Y S SY S Y S S Y S ++=+++12312)()()(232+++++==∴S S S S S S U S Y S G （4分）[]XY U X X 121100321100010.=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=∴ （8分）4.(5分)解：[]B CS G A SI --=1)( （2分）2342+--=S S S （5分） 五，计算题1. 1210c u ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，1112201c u -⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦能控性矩阵满秩，所以系统能化成能控标准型。
（2分）[][][]1111221122010101c p u -⎡⎤===-⎢⎥-⎣⎦[][]11112122221100p p A ⎡⎤==-=⎢⎥⎣⎦11221112211,11P P --⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦（10分） 能控标准型为u x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=101010..（12分） 2. 解：11][)(---==A SI L e t At φ (２分)⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+---=-==----------t t tt t t tt Ate e ee e e e e A SI L e t 3232323211326623][)(φ (8分) ∴系统零初态响应为 X(t)=0,34121)(32320)(≥⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-=-----⎰t e e e e d Bu et t t t t t A τττ (12分) 3. 解：因为能观性矩阵满秩，所以系统可观，可以设计状态观测器。
(完整word版)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。
2.系统()3()10()++=的类型是( B ) 。
y t y t u tA．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。
现代控制理论试题及答案 研究生现代控制工程试卷
现代控制理论试题及答案一、（10分）考虑如图的质量弹簧系统。
其中，m 为运动物体的质量，k 为弹簧的弹性系数，h 为阻尼器的阻尼系数，f 为系统所受外力。
取物体位移为状态变量x 1，速度为状态变量x 2，并取位移为系统输出y ，外力为系统输入u ，试建立系统的状态空间表达式。
解f ma =……………………………….……1分令位移变量为x 1，速度变量为x 2，外力为输入u ，有122u kx kx mx --=&………………………………2分于是有12x x =&………………………………..……………1分2121k h x x x u m m m=--+&……….….……………….2分 再令位移为系统的输出y ，有1y x =…………………………….……….1分写成状态空间表达式，即矩阵形式，有11220101x x u k h x x m m m ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦&&………..……………..2分 []1210x y x ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦……………………..……….……….2分二、（8分）矩阵A 是22⨯的常数矩阵，关于系统的状态方程式=&xAx ，有 1(0)1⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦x 时，22t t e e --⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦x ；2(0)1⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦x 时，2t t e e --⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦x 。
试确定状态转移矩阵(,0)t Φ和矩阵A 。
解因为系统的零输入响应是()(,0)(0)t t =x x Φ……………..……….……….2分所以221(,0)1t t e t e --⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦Φ，22(,0)1t t e t e --⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦Φ 将它们综合起来，得22122(,0)11tt tt e e t e e ----⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦Φ……………….……….2分 122222222122(,0)11122112222t t tt t t t t t t t t t tt t e e t e e e e ee e e e e e e e e -----------------⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥----⎣⎦⎣⎦--⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎡⎤--=⎢⎥--⎣⎦Φ …………….……….2分 而状态转移矩阵的性质可知，状态转移矩阵0(,)t t Φ满足微分方程()()00,,dt t t t dt=A ΦΦ 和初始条件 ()00,t t =I Φ 因此代入初始时间00t =可得矩阵A 为：0100022220(,)(,)222424t t ttttt t tt t d t t t t dt e e e e e ee e -==--------=⎧⎫=⎨⎬⎩⎭⎡⎤-+-+=⎢⎥-+-+⎣⎦A ΦΦ…………….……….1分0213⎡⎤=⎢⎥--⎣⎦…………………………………….……….1分三、（10分）（1）设系统为()()()011, (0)011a t t u t x b -⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦&x x 试求出在输入为(0)u t t =≥时系统的状态响应（7分）。
现代控制理论经典习题
1、我国人民哪些发明属于在经典控制理论萌芽阶段的发明？(AB)A 指南车B 水运仪象台C 指南针D 印刷术2、经典控制理论也可以称为(BD)A 现代控制理论B 自动控制理论C 近代控制理论D 古典控制理论3、以下哪些内容属于现代控制理论基础的内容？(AB)A 李雅普诺夫稳定性理论B 极小值原理C 频率响应法D 根轨迹法4 、传递函数模型假设模型初值不为零。
(✖)5 、传递函数描述的是单输入单输出的外部描述模型。
(✖)6 、线性系统理论属于现代控制理论的知识体系中数学模型部份。
(✔)7 、最优控制理论属于现代控制理论的知识体系中估计方法部份。
(✖)8、控制科学的意义下，现代控制理论主要研究(数学建模)和(控制理论方法) 的科学问题。
9 、现代控制理论在整个控制理论发展中起到了(承上起下)的作用。
10、除了稳定性外，现代控制理论基础还考虑系统(能控性)和(能观测性)两个内部特性。
一、现代控制理论作为一门科学技术，已经得到了广泛的运用。
你还知道现代控制理论具体应用到哪些具体实际的例子么？1、关于输出方程，下列哪些说法是正确的？(BD)A 输出方程中状态变量必须是一阶的B 输出方程中不含输入的任何阶倒数C 输出方程中输入变量可以是任意阶的D 输出方程中不含状态变量的任何阶倒数2、关于系统的动态方程，下列哪些说法是正确的？(AB)A 系统的状态方程的状态变量的个数是惟一的B 系统输出方程的输入输出变量是惟一的C 系统输出方程的输入输出变量是不惟一的D 系统的状态方程的状态变量是惟一的3、对于一个有多个动态方程表示的系统，下列说法正确的是？(AC)A 这些动态方程一定是等价的B 这些动态方程经过线性变化后，不能转化为一个动态方程C 这些动态方程经过线性变化后，可以转化为一个动态方程D 这些动态方程不一定是等价的4、选取的状态向量是线性相关的(✖)5、状态向量的选取是不惟一的(✔)6、状态向量的个数是不惟一的(✖)7、输出方程的选取是不惟一的(✔)8、(系统的输出量与状态变量、输入变量关系的数学表达式)称为输出方程。
现代控制理论试题
一、（10分，每小题2分）试判断以下结论的正确性，若结论是正确的，则在其左边的括号里打√，反之打×。
（×）1.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；
（×）2.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；
（×）4.若一个系统是李雅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；
（√）5.状态反馈不改变系统的能控性。
二、（20分）已知系统的传递函数为
（1）采用串联分解方式，给出其状态空间模型，并画出对应的状态变量图；
（2）采用并联分解方式，给出其状态空间模型，并画出对应的状态变量图。
答:（1）将G(s)写成以下形式：
解：能控标准形为
能观测标准形为
对角标准形为
三、（10分）在线性控制系统的分析和设计中，系统的状态转移矩阵起着很重要的作用。对系统
求其状态转移矩阵。
解：解法1。
容易得到系统状态矩阵A的两个特征值是 ，它们是不相同的，故系统的矩阵A可以对角化。矩阵A对应于特征值 的特征向量是
取变换矩阵 ，则
因此，
从而，
由期望极点 可得期望的闭环特征多项式
通过让以上两个特征多项式相等，可以列出一组以控制器参数为变量的线性方程组，由这组线性方程可以求出极点配置状态反馈的增益矩阵K。
②变换法
验证系统的能控性，若系统能控，则进行以下设计。
将状态空间模型转化为能控标准型，相应的状态变换矩阵
设期望的特征多项式为
而能控标准型的特征多项式为
通过
可得
由此方程组得到
因此，要设计的极点配置状态反馈控制器
六、（20分）给定系统状态空间模型
现代控制理论试卷及答案
现代控制理论试卷一、简答题（对或错，10分）（1）描述系统的状态方程不是唯一的。
（2）用独立变量描述的系统状态向量的维数不是唯一的。
（3）对单输入单输出系统，如果1()C sI A B --存在零极点对消，则系统一定不可控或者不可观测。
（4）对多输入多数出系统，如果1()sI A B --存在零极点对消，则系统一定不可控。
（5）李雅普诺夫直接法的四个判定定理中所述的条件都是充分条件。
（6）李雅普诺夫函数是正定函数，李雅普诺夫稳定性是关于系统平衡状态的稳定性。
（8）线性定常系统经过非奇异线性变换后，系统的可控性不变。
（9）用状态反馈进行系统极点配置可能会改变系统的可观测性。
（10）通过全维状态观测器引入状态反馈来任意配置系统的闭环极点时，要求系统必须同时可控和可观测。
对一个线性定常的单输入单输出5阶系统，假定系统可控可观测，通过设计输出至输入的反馈矩阵H 的参数能任意配置系统的闭环极点。
二、试求下述系统的状态转移矩阵()t Φ和系统状态方程的解x 1(t)和x 2(t)。
（15分）1122()()012()()()230x t x t u t x t x t ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦12(0)0,(),0(0)1tx u t e t x -⎡⎤⎡⎤==≥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ 三、设系统的传递函数为()10()(1)(2)y s u s s s s =++。
试用状态反馈方法，将闭环极点配置在－2，－1＋j ，－1－j 处，并写出闭环系统的动态方程和传递函数。
（15分） 四、已知系统传递函数2()2()43Y s s U s s s +=++，试求系统可观标准型和对角标准型，并画出系统可观标准型的状态变量图。
（15分）五、已知系统的动态方程为[]211010a x x uy b x ⎧⎡⎤⎡⎤=+⎪⎢⎥⎢⎥⎨⎣⎦⎣⎦⎪=⎩，试确定a ，b 值，使系统完全可控、完全可观。
现代控制理论考试试题
现代控制理论考试试题（正文开始）一、选择题1.控制系统的目标是（）。
A. 提高系统的可靠性B. 提高系统的速度C. 提高系统的稳定性D. 提高系统的精度2.在控制系统中，遥感技术主要用于（）。
A. 信号传输B. 参数估计C. 故障检测D. 软件设计3.传感器的作用是（）。
A. 测量和检测B. 控制和调节C. 存储和处理D. 传输和接收4.反馈控制系统的特点是（）。
A. 没有可靠性要求B. 没有精度要求C. 具有稳定性要求D. 具有高速响应要求5.频率响应函数是指（）。
A. 系统的输出响应B. 系统的传输函数C. 系统的幅度特性D. 系统的无穷小响应二、简答题1.请解释什么是控制系统的稳定性，并给出判断系统稳定性的方法。
控制系统的稳定性是指系统在一定刺激下，输出保持有界或有限的范围内，不发生持续增长或不发散的性质。
判断系统稳定性的方法有两种：一种是通过系统的特征方程判断，如果特征方程的所有根的实部都小于零，则系统稳定；另一种是通过系统的频率响应函数判断，如果系统的幅频特性在一定频率范围内有界，则系统稳定。
2.什么是控制系统的鲁棒性？鲁棒性的提高可以通过哪些方法实现？控制系统的鲁棒性是指系统对于参数变化、扰动和不确定性的抵抗能力。
在实际应用中，由于系统中存在参数误差、外部扰动等因素，控制系统往往无法精确满足设计的要求，此时需要考虑鲁棒性。
提高鲁棒性的方法包括：采用更加鲁棒的控制器设计方法，如H∞控制、μ合成控制等；通过系统自适应、鲁棒估计等方法，对系统的参数变化进行实时估计和校正；对系统的扰动进行补偿等。
三、分析题考虑一个反馈控制系统，其开环传递函数为G(s)，闭环传递函数为T(s)，控制器的传递函数为C(s)。
1.给出控制系统的传递函数表达式。
控制系统的传递函数表达式为T(s) = G(s) / (1 + G(s)C(s))。
2.当G(s) = (s+1) / (s^2+3s+2)，C(s) = K，求控制系统的闭环传递函数表达式。
现代控制理论考题
一. 状态空间模型和模型变换1.1 已知SISO 系统的传递函数为()()()()64122++++=s s s s s G（1）给出系统的一个状态空间实现，写出状态空间模型的完整表达式。
（2）求出系统特征值，比较系统的特征值和极点是否一致，为什么？所得的状态空间实现是否是最小实现？ 解：(1) G （s ）=)6)(4()1(22++++s s s s =245845122234+++++s s s s s将其输入到MATLAB 工作空间： 代码>> num=[1,2];>> den=[1,12,45,58,24]; >> TFG=tf(num,den); >> SG=ss(TFG) 运行结果a =x1 x2 x3 x4 x1 -12 -5.625 -1.813 -0.75 x2 8 0 0 0 x3 0 4 0 0 x4 0 0 1 0 b = u1 x1 0.25 x2 0 x3 0 x4 0 c =x1 x2 x3 x4 y1 0 0 0.125 0.25d =u1 y1 0Continuous-time model.根据运行结果，得到系统的一个状态空间实现，状态空间模型的完整表达式为：u x x x x xx x x⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡00025.00100040000875.0813.1625.51243214321 []⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=432125.0125.000x x x x y (2)①在MATLAB 工作空间中，求系统特征值的代码为A=[-12,-5.625,-1.813,-0.75;8,0,0,0;0,4,0,0;0,0,1,0]; >> V=eig(A) 运行结果 V =-6.0019 -3.9964 -1.0335 -0.9681故系统的特征值为9681.0,0335.1,9964.3,0019.64321-=-=-=-=λλλλ由SISO 系统的传递函数()()()()64122++++=s s s s s G 知系统的极点为p1=p2=-1，p3=-4，p4=-6。
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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。
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：若在时刻为李雅普若夫意义下的稳定，且存在不依赖于的实数和任意给定的初始状态，使得时，有，则称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：。
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，且不包含元素全为0的行
满秩。
即：
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
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？
答：充要条件是系统状态完全能控且完全能观测。
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？
答：线性定常系统能够任意配置极点的充要条件是系统完全能控。
5、线性定常连续系统状态观测器的存在条件是什么？
答：线性定常连续系统状态观测器的存在条件是原系统完全能观。
三、计算题
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。
解：由电路图可知：
图1：RC无源网络
选,,可得：
=
所以可以得到：
2、计算下列状态空间描述的传递函数g(s)
解：运用公式可得：
可得传递函数为：
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。
解：先求出系统的.
令,可得：
X(k)+
4、求取下列各连续时间线性时不变系统的状态变量解和
解：计算算式为：
所以：
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：
解：由于A无特定形式，用秩判据简单。
因此，不管a去何值都不能够联合完全能控和完全能观测
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：
解：（1）选取李雅普若夫函数V(x)，取，可知：
V(0)=0,
即为正定。
（2）计算并判断其定号性。
对取定和系统状态方程，计算得到：基此可知：
即：为负半定。
（3）判断。
对此，只需判断的
和不为系统状态方程的解。
为此，将带入状态方程，导出：
表明，状态方程的解只为，不是系统状态方程的解。
通过类似分析也可以得证不是系统状态方程的解。
基此，可知判断。
（4）综合可知，对于给定非线性时不变系统，可构造李雅普若夫函数判断满足：
V(x)为正定，为负定；对任意,
当，有
基此，并根据李雅普若夫方法渐近稳定性定理知：系统原点平衡状态为大范围渐近稳定。
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。
解：可知，系统完全可控，可以用状态反馈进行任意极点配置。
由于状态维数为3维。
所以设。
系统期望的特征多项式为：
而
令,二者相应系数相等。
得：
即：
验证：。