現代控制理論東北大學高立群清華大學出版社第2章

2023-01-28 13:21:05 字數 2110 閱讀 6765

2.1有電路如圖p2.1所示,設輸入為,輸出為,試自選狀態變數並列寫出其狀態空間表示式。

圖p2.1

解此題可取樣機理分析法,首先根據電路定律列寫微分方程,再選擇狀態變數,求得相應的系統狀態空間表示式。也可以先由電路圖求得系統傳遞函式,再由傳遞函式求得系統狀態空間表示式。這裡取樣機理分析法。

設兩端電壓為,兩端的電壓為,則

1)2)

選擇狀態變數為,,由式(1)和(2)得:

狀態空間表示式為:

即2.2 建立圖p22所示系統的狀態空間表示式。

圖p2.2

解這是乙個物理系統,採用機理分析法求狀態空間表示式會更為方便。令為輸入量,即,,的位移量,為輸出量,

選擇狀態變數, =, =,。

根據牛頓定律對有:

對有:經整理得:

狀態方程為

輸出方程為

寫成矩陣形式為:

2.5 系統的結構如圖p2.5所示。以圖中所標記的、、作為狀態變數,推導其狀態空間表示式。其中,、分別為系統的輸入、輸出,、、均為標量。

圖p2.5系統結構圖

解圖p2.5給出了由積分器、放大器及加法器所描述的系統結構圖,且圖中每個積分器的輸出即為狀態變數,這種圖形稱為系統狀態變數圖。狀態變數圖即描述了系統狀態變數之間的關係,又說明了狀態變數的物理意義。

由狀態變數圖可直接求得系統的狀態空間表示式。

著眼於求和點、②、③,則有

: ②:

③: 輸出為,得

2.7 試求圖中所示的電網路中,以電感、上的支電流、作為狀態變數的狀態空間表示式。這裡是恆流源的電流值,輸出是上的支路電壓。

圖p2.8 rl電網路

解採用機理分析法求狀態空間表示式。由電路原理可得到如下微分方程

整理得狀態空間表示式為

2.8 已知系統的微分方程 (1);

(2);

(3)。

試列寫出它們的狀態空間表示式。

(1) 解選擇狀態變數,,,則有:

狀態空間表示式為:

(2) 解採用拉氏變換法求取狀態空間表示式。對微分方程(2)在零初試條件下取拉氏變換得:

由公式(2.14)、(2.15)可直接求得系統狀態空間表示式為

(3) 解採用拉氏變換法求取狀態空間表示式。對微分方程(3)在零初試條件下取拉氏變換得:

在用傳遞函式求系統的狀態空間表示式時,一定要注意傳遞函式是否為嚴格真有理分式,即是否小於,若需作如下處理

再由公式(2.14)、(2.15)可直接求得系統狀態空間表示式為

2.9 已知下列傳遞函式,試用直接分解法建立其狀態空間表示式,並畫出狀態變數圖。

(1) (2)

(1) 解

首先將傳函(1)化為嚴格真有理式即:

令,則有,,

即:由上式可得狀態變數圖如下:

由狀態變數圖或公式(2.14)、(2.15)直接求得能控標準型狀態空間表示式

(2) 解由已知得:,令

得狀態變數圖如下:

狀態表示式如下:

2.13 列寫圖p2.10所示系統的狀態空間表示式。

圖p2.10

解設7)

8)則由系統方框圖可得

9)10)

對式進行拉氏反變換得

則系統狀態空間表示式為

2.14 試將下列狀態方程化為對角標準形。

(1)(2)(1) 解

求特徵值

解得求特徵向量

、對於:有解得

、對於:有解得

構造,求

求,。,

則得對角標準型

(2) 解

求特徵值:

求特徵向量

、對於有:

、對於有:

、對於有:

構造,求。

求,。則得對角標準型

2.15 試將下列狀態方程化為約當標準形。

解求特徵值:

求特徵向量

、對於有

即、對於有即即

構造,求。

求,。則得約當標準型

2.16 已知系統的狀態空間表示式為

求其對應的傳遞函式。

解,,,

2.19 設離散系統的差分方程為

求系統的狀態空間表示式。

解對差分方程取z變換,得:

離散系統狀態方程序為

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