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自动控制原理第八章 线性系统的状态空间分析与综合习题及解答.doc

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第八章 线性系统的状态空间分析与综合 习题及解答 8-1 已知电枢控制的直流伺服电机的微分方程组及传递函数 + ⑴设状态变量,,及输出量,试建立其动态方程; ⑵设状态变量及 ,试建立其动态方程。 解: (1)由题意可知: , 由已知 可推导出 由上式,可列动态方程如下 + y = (2)由题意可知: 可推导出 可列动态方程如下 由 和 得 由上式可得变换矩阵为 8-2 设系统微分方程为 。式中,u和y分别为系统输入和输出量。试列写可控标准型(即矩阵A为友矩阵)及可观测标准型(即矩阵A为友矩阵转置)状态空间表达式,并画出状态变量图。 解: 由题意可得: 可控标准型 状态变量图如下: 由方程得可观测标准型 状态变量图如下: 8-3 已知系统结构图如图8-29所示,其状态变量为。试求动态方程,并画出状态变量图。 由结构图可得 由上述三式,可列动态方程如下: 状态变量图如下: 8-4 已知系统传递函数为,试求可控标准型,可观测标准型,对角型动态方程,并画出状态变量图。 解: 可控标准型 (2)可观测标准型 (3) 由上式可得对角型 8-5 已知系统传递函数 ,试求约当型动态方程,并画出状态变量图。 解: 由上式,可得约当型动态方程 8-6 已知双输入—双输出系统状态方程和输出方程分别为 写出矩阵形式的动态方程,并画出状态变量图 解: 由题中给定方程可列写出动态方程 状态变量图如下 8-7 已知系统动态方程为 ,试求传递函数G(s) 解: == 8-8 已知系统矩阵A=,至少用两种方法求状态转移矩阵。 解: (1)级数法: + = = 拉氏变换法 8-9 已知系统, 和 判断是否是状态转移矩阵。若是,则确定系统的状态阵A;如果不是,请说明理由。 解:转移矩阵应满足: 假设,为转移矩阵则 A1= A2= 则 A1= A2===A2 所以不是转移矩阵,是转移矩阵,其状态阵为。 8-10 试求下列状态方程的解 的解 解:由题意可得: 8-11 已知系统状态方程为,初始条件为。试求系统在单位阶跃输入作用下的响应。 解: 此题为求非奇次状态方程的解,对于非奇次状态方程。 8-12 已知差分方程,并且y(0)=0,y(1)=1, 试列写可控标准型离散动态方程,并求出时的系统响应。 解: 由差分方程可得离散动态方程如下: 8-13 已知连续系统的动态方程为设采样周期,试求离散化动态方程。 解: == 8-14 试用李雅普诺夫第二法判断平衡状态的稳定性。 解:平衡点: 构造 则 = = 判定性质: 负定,因此平衡状态是大范围一致渐近稳定的 8-15 已知系统状态方程为 ,当Q = I时,矩阵P的值;若选Q为正半定矩阵,求对应的P矩阵的值,并判断系统稳定性。 解: 令: = 解得: 古氏行列式: 因此不定。 选 则 , 为负半定。 由等式 解得: 正半定。 判定系统稳定性: 三个特征值分别为:。因此系统不稳定。 8-16 设线性定常离散系统状态方程为,试求使系统渐近稳定的k 值范围。 解: 令 即 解得: 若要满足题意,需令 。因此,渐近稳定的条件为:。 8-17 试判断下列系统的状态可控性。 (1) (2) (3) (4) (5) (6) 解: (1) 该系统不可控 (2) 该系统不可控。 (3) 该系统可控。 (4) 该系统不可控。 (5) 解: 矩阵不满秩,该系统不可控。 (6) 解: 矩阵不满秩,该系统不可控。 8-18 设系统状态方程为,并设系统状态可控,试求。 解: 令时,即可满足可控性条件。 8-19 设系统状态方程为 ,并设系统状态可控、可观测, 试求值。 解: 采用可控标准型
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