2022年现代控制理论试卷及答案总结 .pdf

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1、20XX年现代控制理论考试试卷一、 （10分，每小题1分）试判断以下结论的正确性， 若结论是正确的，（ ）1. 由一个状态空间模型可以确定惟一一个传递函数。（ ）2. 若系统的传递函数不存在零极点对消，则其任意的一个实现均为最小实现。（ ）3. 对一个给定的状态空间模型，若它是状态能控的，则也一定是输出能控的。（ ）4. 对线性定常系统xAx，其Lyapunov意义下的渐近稳定性和矩阵 A的特征值都具有负实部是一致的。（ ）5. 一个不稳定的系统，若其状态完全能控，则一定可以通过状态反馈使其稳定。（ ）6. 对一个系统，只能选取一组状态变量；（ ）7. 系统的状态能控性和能观性是系统的结构特性

2、，与系统的输入和输出无关；（ ）8. 若传递函数1( )()G sC sIAB存在零极相消，则对应的状态空间模型描述的系统是不能控且不能观的；（ ）9. 若一个系统的某个平衡点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；（ ）10. 状态反馈不改变系统的能控性和能观性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 36 页 - - - - - - - - - 二、已知下图电路，以电源电压u(t) 为输入量，求以电感中的电流和电容中的电压作为状态变量的状

3、态方程，和以电阻R2上的电压为输出量的输出方程。（10 分）解： （1）由电路原理得：112212111122211111LLcLLccLLdiRiuudtLLLdiRiudtLLduiidtcc222RLuR i112211112221011000110LLLLccRiiLLLRiiuLLuucc122200LRLciuRiu名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 36 页 - - - - - - - - - 二 （10 分）图为 R-L-C 电路，设u为控制量

4、，电感L上的支路电流和电容 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，并绘制状态变量图。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,Lcix ux，由基尔霍夫电压定律可得电压方程为：22210R C xxL x1121()0RxC xL xu从上述两式可解出1x，2x，即可得到状态空间表达式如下：121121212()()RRxRR LRxRR C121121221212()()11()()RRxRRLRR LuxRR CRR C21yy=211212110

5、RRRRRRR21xx+uRRR2120三、 （每小题 10 分共 40 分）基础题（1）试求32yyyuu的一个对角规范型的最小实现。（10 分）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 36 页 - - - - - - - - - 232322( )(1)(1)11111( )2132(1)(2)2Y sssssssU ssssssssss 4 分不妨令1( )1( )2XsU ss，2( )1( )1XsU ss 2 分于是有11222xxuxxu又12( )

6、( )( )1( )( )( )XsXsY sU sU sU s，所以12( )( )( )( )Y sU sXsXs ，即有12yuxx 2 分最终的对角规范型实现为1122122xxuxxuyxxu则系统的一个最小实现为：201,11011u yxxx+ u 2 分（2）已知系统011,12232u yxxx，写出其对偶系统， 判断该系统的能控性及其对偶系统的能观性。 （10分）解答：021132uxx 2 分12yx2 分562,323CrankUrank bAbrank系统状态完全能控分3则对偶系统能观分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -

7、- - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 36 页 - - - - - - - - - （3）设系统为1011,(0)0211ttu txxx试求系统输入为单位阶跃信号时的状态响应（10 分） 。解200ttete. . .3 分0( )(0)( )dttttuxxB . . . .3 分2201010d1100ttttteeee. .2 分220dttttteeee. . . .1 分22211=111122ttttteeeee .1 分（4）已知系统uxx110011试将其化为能控标准型。 （10 分）解：1210cu，1112201cu.

8、.2 分1111221122010101cpu. .1 分11112122221100pp A. .1 分11221112211,11PP. .2 分能控标准型为uxx101010.4 分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 36 页 - - - - - - - - - 四、设系统为1112223334441100101000,01400030500040 xxxxxxuyxxxxxx试对系统进行能控性及能观测性分解，并求系统的传递函数。（10 分）解：能控性分

9、解：112233441234300050-1101,400-100000404010 xxxxuxxxxxxyxx（ 分）能观测性分解：112233441234300050-1000,401-101000-404100 xxxxuxxxxxxyxx（ 分）传递函数为4520( )(2)33g sss分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 36 页 - - - - - - - - - 五、试用李雅普诺夫第二法，判断系统0111xx的稳定性。 （10分）方法一：解：

10、21xx212xxx原点=0ex是系统的唯一平衡状态。选取标准二次型函数为李雅普诺夫函数，即0)(2221xxxv222122122112)(2222)(xxxxxxxxxxxv当01x，02x时，0)(xv； 当01x，02x时，0)(xv， 因此)(xv为负半定。根据判断，可知该系统在李雅普诺夫意义下是稳定的。另选一个李雅普诺夫函数，例如：122212121223 21 21( )()2=1 212xv xxxxxxxx为正定，而)(2)()(222122112121xxxxxxxxxxxv为负定的，且当x，有( )V x。即该系统在原点处是大范围渐进稳定。方法二：解：或设11122122

11、ppPpp则由TA PPAI得1112111212221222010110111101pppppppp名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 36 页 - - - - - - - - - 11111112222212221232120122112ppppppppp1 11 21 22 23122112ppPpp11121112223135220 detdet012412ppPpp可知 P是正定的。因此系统在原点处是大范围渐近稳定的六、 （20 分）线性定常系统的传

12、函为( )4( )(2)(1)Y ssU sss（1）实现状态反馈， 将系统闭环的希望极点配置为4, 3，求反馈阵K。 （5 分）（2）试设计极点为（-10,-10 ） 全维状态观测器（ 5 分） 。（3）绘制带观测器的状态反馈闭环系统的状态变量图（4 分）（4）分析闭环前后系统的能控性和能观性（4 分）注明：由于实现是不唯一的，本题的答案不唯一！其中一种答案为：解： （1）2( )44( )(2)(1)32Y sssU sssss系统的能控标准型实现为：010,41231XXu yX1 分系统完全可控，则可以任意配置极点1 分令状态反馈增益阵为12Kkk1 分则有210123ABKkk，则状

13、态反馈闭环特征多项式为212(3)(2)IABKkk名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 36 页 - - - - - - - - - 又期望的闭环极点给出的特征多项式为：2(4)(3)712ssss由2212(3)(2)712kkss可得到410K3 分（2）观测器的设计：由传递函数可知，原系统不存在零极点相消，系统状态完全能观，可以任意配置观测器的极点。1 分令12TEee1 分由观测器?()xAEC xBuEy可得其期望的特征多项式为: 21212( )d

14、et()(43)(1042)f sIAECeeee*2( )(10)(10)20100fs*1195( )( )33Tfsf sE4 分（3）绘制闭环系统的模拟结构图第一种绘制方法：?()xAEC xBuEy11441101333412395386104333AEC4411110333?()386104195333xAEC xBuEyxuy名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 36 页 - - - - - - - - - s14s14s132s1u1xyy ?x

15、21x1? x2? x104v58322343432232234 分（注：观测器输出端的加号和减号应去掉！不好意思，刚发现！ ）第二种绘制方法：110103?()()231953xAxBuE yyxuyy名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 36 页 - - - - - - - - - s14s14s132s132u1xyy?状态观测器部分x21x132331x2x104v（4） 闭环前系统状态完全能控且能观， 闭环后系统能控但不能观 （因为状态反馈不改变系统

16、的能控性，但闭环后存在零极点对消， 所以系统状体不完全可观测）4 分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 36 页 - - - - - - - - - A 卷一、判断题，判断下例各题的正误，正确的打 ，错误的打 （每小题1 分，共 10 分）1、状态方程表达了输入引起状态变化的运动，输出方程则表达了状态引起输出变化的变换过程（ ）2、对于给定的系统，状态变量个数和选择都不是唯一的（ ）3、连续系统离散化都没有精确离散化，但近似离散化方法比一般离散化方法的精度高

17、（ ）4、系统的状态转移矩阵就是矩阵指数（ ）5、若系统的传递函数存在零极点相消，则系统状态不完全能控（ ）6、状态的能空性是系统的一种结构特性,依赖于系统的结构, 与系统的参数和控制变量作用的位置有关（ ）7、状态能控性与输出能控性之间存在必然的联系（ ）8、一个传递函数化为状态方程后，系统的能控能观性与所选择状态变量有关（ ）9、系统的内部稳定性是指系统在受到小的外界扰动后，系统状态方程解的收敛性，与输入无关（ ）10、若不能找到合适的李雅普诺夫函数，那么表明该系统是不稳定的（ ）二、已知系统的传递函数为322( )103132( )( )(56)(5)Y ssssG sU ssss试分别

18、用以下方法写出系统的实现：（1）串联分解（2）并联分解（3）直接分解（4）能观测性规范型（20 分）解：3232321031322( )1103130103130sssG sssssss对于322103130sss有（1）串联分解3222(5)(2)(3)103130ssssss名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 36 页 - - - - - - - - - 串联分解有多种，如果不将 2 分解为两个有理数的乘积，如1284，绘制该系统串联分解的结构图， 然后

19、每一个惯性环节()iiksp的输出设为状态变量，则可得到系统四种典型的实现为：322211121(2) (3) (5)(2) (2) (5)1031301121112(2) (3) (5)(2) (3) (5)sssssssssssssss则对应的状态空间表达式为：2002200113002300,015001500010012001200113001300,02500150001XXuXXuyXuyXuXXuXXyXu002uyXu需要说明的是，当交换环节相乘的顺序时，对应地交换对应行之间对角线的元素！ ！如211(2) (3) (5)sss的实现为：200213000150001XXuyX

20、u则211(5) (3) (2)sss的实现为：500213000120001XXuyXu依次类推！（2）并联分解312321232()()()103130kkkssssss名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 36 页 - - - - - - - - - 实现有无数种，若实现为112233123000000bXXbubycccXu只要满足1 11222333=cbkc bkc bk，即可例如：32212133(2)(3)(5)103130ssssss，则其实

21、现可以为：220015005001 33030102010201 3,0051003100313211132 3331 11XXuXXuXXuyXuyXuyXu如：（3）直接分解100001003031101100XXuyXu（4）能观测规范型103010131000100001XXuyXu三、给定一个二维连续时间线性定常自治系统,0 xxAt。现知，对应于两个不同初态的状态响应分别为33333153124444(0), ( )(0), ( )1311532222tttttttteeeexx txx teeee；试据此定出系统矩阵A。 （10 分）解：( )(0)Atx te x名师资料总结

22、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 36 页 - - - - - - - - - 可得3333133333333315331531212444444443153113153112222222211124412ttttttttAttttttttttttttttteeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee33003313131122441341322ttttAttttttteeeedeAdteeee四、已知系统的传递函数为324( )2122212saG ssss（1

23、）试确定a 的取值，使系统成为不能控，或为不能观测；（2）在上述a 的取值下，写出使系统为能控的状态空间表达式，判断系统的能观测性；（3）若3a，写出系统的一个最小实现。（15 分）解： （1）因为32324222( )21222126116123sasasaG ssssssssss因此当1a或2a或3a时，出现零极点对消现象，系统就成为不能控或不能观测的系统（2）可写系统的能控标准形实现为此问答案不唯一0100001061161xxu220yax存在零极相消，系统不能观（3）3a，则有22( )32G sss可写出能控标准形最小实现为010231xxu20yx此问答案不唯一，可有多种解名师资

24、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 36 页 - - - - - - - - - 五、已知系统的状态空间表达式为20032125xxuyx（1）判断系统的能控性与能观测性；（2）若不能控，试问能控的状态变量数为多少？（3）试将系统按能控性进行分解；（4）求系统的传递函数。 （15 分）解： （1）系统的能控性矩阵为0012CUbAb，det0,12CCUrankU故系统的状态不能控系统的能观测性矩阵为251910OcUcA，det1150,2COUrankU故系统

25、的状态不能观测4 分（2）1CrankU，因此能控的状态变量数为1 1 分（3）由状态方程式11212220032321xxxxuxxxu可知是2x能控的，1x是不能控的2 分（4）系统的传递函数为112225( )2G sc sIAbcsIAbs只与能控子系统有关3 分六、给定系统11axxa解李雅普诺夫方程，求使得系统渐近稳定的a 值范围。（10 分）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 36 页 - - - - - - - - - 七、伺服电机的输入为电

26、枢电压，输出是轴转角，其传递函数为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 36 页 - - - - - - - - - 050( )2G ss s（1）设计状态反馈控制器uKxv，使得闭环系统的极点为55j；（2）设计全维状态观测器，观测器具有二重极点15；（3）将上述设计的反馈控制器和观测器结合，构成带观测器的反馈控制器，画出闭环系统的状态变量图；（4）求整个闭环系统的传递函数。（20 分）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

27、- - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 36 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 36 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 36 页 - - - - - - - - - 第二章题A

28、 卷第一题： 判断题， 判断下例各题的正误，正确的打 ，错误的打 （每小题1 分，共 10 分）11、状态方程表达了输入引起状态变化的运动，输出方程则表达了状态引起输出变化的变换过程（ ）12、对于给定的系统，状态变量个数和选择都不是唯一的（ ）13、连续系统离散化都没有精确离散化，但近似离散化方法比一般离散化方法的精度高（ ）14、系统的状态转移矩阵就是矩阵指数（ ）15、若系统的传递函数存在零极点相消，则系统状态不完全能控（ ）16、状态的能空性是系统的一种结构特性,依赖于系统的结构, 与系统的参数和控制变量作用的位置有关（ ）17、状态能控性与输出能控性之间存在必然的联系（ ）18、一个

29、传递函数化为状态方程后，系统的能控能观性与所选择状态变量有关（ ）19、系统的内部稳定性是指系统在受到小的外界扰动后，系统状态方程解的收敛性，与输入无关（ ）20、若不能找到合适的李雅普诺夫函数，那么表明该系统是不稳定的（ ）第二题：已知系统的传递函数为322( )103132( )( )(56)(1)Y ssssG sU ssss,试分别用以下方法写出系统的实现：（5）串联分解（ 4 分）（6）并联分解（ 4 分）（7）直接分解（ 4 分）（8）能观测性规范型（4 分）（9）绘制串联分解实现时系统的结构图（4 分）解：323232103230( )1103130103130ssssG sss

30、ssss对于32103130ssss有（3）串联分解32(1)(2)(3)103130ssssssss串联分解有三种32111111(1) (2) (3)(1) (2) (3)(1) (2) (3)103130111121113(1).(1).(1)(1)(2) (3)(1)(2)(3)(1) (2)(3)sssssssssssssssssssssssss对应的状态方程为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 36 页 - - - - - - - - - 10

31、0110011001120112001200,013012300130001001013XXuXXuXXuyXyXyX（4）并联分解321 23 22(1)(2)(3)103130sssssss实现有无数种，其中之三为：10011001 21001 4020102020201,00310033 20033 21 223 211 1221XXuXXuXXuyXyXyX（3）直接分解100001003031101010XXuyX（4）能观测规范型103000131100100001XXuyX（10） 结构图第二章题B卷第一题： 判断题， 判断下例各题的正误，正确的打 ，错误的打 （每小题1 分，共

32、 10 分）1、状态空间模型描述了输入-输出之间的行为,而且在任何初始条件下都能揭示系统的内部行为（ ）2、 状态空间描述是对系统的一种完全的描述，而传递函数则只是对系统的一种外部描述（ ）3、任何采样周期下都可以通过近似离散化方法将连续时间系统离散化（ ）4、对于一个线性系统来说，经过线性非奇异状态变换后，其状态能控性不变（ ）5、系统状态的能控所关心的是系统的任意时刻的运动（ ）6、能观（能控）性问题可以转化为能控（能观）性问题来处理（ ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

33、- 第 22 页，共 36 页 - - - - - - - - - 7、一个系统的传递函数所表示的是该系统既能控又能观的子系统（ ）8、一个系统的传递函数若有零、极点对消现象，则视状态变量的选择不同，系统或是不能控的或是不能观的（ ）9、对于一个给定的系统，李雅普诺夫函数是唯一的（ ）10、若系统对所有有界输入引起的零状态响应的输出是有界的，则称该系统是外部稳定的（ ）2、第二题：求以下RLC 网络系统的状态空间模型, 并绘制其结构图。取电压e_i为输入， e_o为输出。其中R1、R2、C 和 L 为常数。第二题图答案 : 解： （状态变量可以另取）定义状态变量： x1为电阻两端电压v，x2为

34、通过电感的电流i。输入 u 为 e_i，输出 y 为 e_o 。使用基尔霍夫电流定理列R1和 R2间节点的电流方程：10ivedvCiRdt-+=11111idvviedtRCCRC= -+使用基尔霍夫电压定理列出包含C、R2、L回路的电压方程：20divR iLdt-=21diRvidtLL=-最后，输出电压的表达式为：2oevR i得到状态空间模型：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 36 页 - - - - - - - - - 111112221221

35、111101xxRCRCRCuxxRLLxyRx结构图为：uy1x2x1 C11 R C1L2RL11 RC2R第三题：如图所示，系统的输入量为u1和 u2、输出量为y 和请选择适当的状态变量，并写出系统的状态空间表达式，根据状态空间表达式求系统的闭环传递函数：51s22s1010s1uy第三题图解：状态变量如下图所示（3 分）51s22s1010suy1x2x3x从方框图中可以写出状态方程和输出方程（4）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 36 页 - -

36、 - - - - - - - 113212223255221010 xxxuxxxxxxyx状态方程的矩阵向量形式：10552200010100010XXuyX系统的传递函数为（3 分） ：13210100( )(sIA)1232120sG scbsss名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 36 页 - - - - - - - - - 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(

37、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

38、，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 的行线性定常连续系统状态完全能观测的充分必要条

39、件是能观性矩阵满秩。即：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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 36 页 - - - - - - - - - 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

40、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：选,可得：=所以可以得到：图 1：RC无源网络名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 36 页 - - - - - - - - - 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. 名师资

41、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 28 页，共 36 页 - - - - - - - - - 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：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 29 页，共 36 页 - - - - -

42、- - - - 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。通过名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -

43、 - - - - - - 第 30 页，共 36 页 - - - - - - - - - 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

44、：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 31 页，共 36 页 - - - - - - - - - A 卷二、基础题（每题10 分）1、给定一个二维连续时间线性定常自治系统,0 xxAt。现知，对应于两个不同初态的状态响应分别为33333153124444(0), ( )(0), ( )1311532222tttttttteeeexx txx teeee；试据此定出系统矩阵A。解：( )(0)Atx te x2 分可得3333133333333315331531212444

45、444443153113153112222222211124412ttttttttAttttttttttttttttteeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee4 分33003313131122441341322ttttAttttttteeeedeAdteeee4 分2、设线性定常连续时间系统的状态方程为1122010,0021xxutxx取采样周期1Ts，试将该连续系统的状态方程离散化。解：首先计算矩阵指数。采用拉氏变换法：11112121021110.5 1(2)100(2)AIAtttseLsLsess sLes3 分 进而计算离散时间系统的系数矩阵。名师资料总结 - - -精品

46、资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 32 页，共 36 页 - - - - - - - - - 2210.5 10AGTTTeee将1Ts代入得10.432300.1353AGTe2 分22002210.5 10100.50.250.250.50.51.07890.4323AHtTTttTTee dt BdteTee3 分 故系统离散化状态方程为1122110.43231.0789100.13530.4323xkxku kxkxk2 分3、已知系统的传递函数为324( )2122212saG sss

47、s（1）试确定a 的取值，使系统成为不能控，或为不能观测；（2）在上述a 的取值下，写出使系统为能控的状态空间表达式，判断系统的能观测性；（3）若3a，写出系统的一个最小实现。（10 分）解： （1）因为32324222( )21222126116123sasasaG ssssssssss因此当1a或2a或3a时，出现零极点对消现象，系统就成为不能控或不能观测的系统3 分（2）可写系统的能控标准形实现为此问答案不唯一0100001061161xxu220yax3 分存在零极相消，系统不能观1 分（3）3a，则有22( )32G sss可写出能控标准形最小实现为010231xxu20yx此问答案

48、不唯一，可有多种解3 分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 33 页，共 36 页 - - - - - - - - - 三、已知系统的状态空间表达式为20032125xxuyx（1）判断系统的能控性与能观测性；（2）若不能控，试问能控的状态变量数为多少？（3）试将系统按能控性进行分解；（4）求系统的传递函数。 （10 分）解： （1）系统的能控性矩阵为0012CUbAb，det0,12CCUrankU故系统的状态不能控系统的能观测性矩阵为251910OcUcA，det11

49、50,2COUrankU故系统的状态不能观测4 分（2）1CrankU，因此能控的状态变量数为1 1 分（3）由状态方程式11212220032321xxxxuxxxu可知是2x能控的，1x是不能控的2 分（4）系统的传递函数为112225( )2G sc sIAbcsIAbs只与能控子系统有关3 分B 卷二、基础题（每题10 分）1、给定一个连续时间线性定常系统，已知状态转移矩阵( ) t为2222222( )2tttttttteeeeteeee试据此定出系统矩阵A。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理

50、 - - - - - - - 第 34 页，共 36 页 - - - - - - - - - 解：2222002224( )240213tttttttttteeeedAtdteeee2、设线性定常连续时间系统的状态方程为1122010,0001xxutxx取采样周期1Ts，试将该连续系统的状态方程离散化。解：首先计算矩阵指数。采用拉氏变换法：11101AIAtteLs 进而计算离散时间系统的系数矩阵。101AGTTe将1Ts代入得1101AGTe0021001110.521AHTTtte dt BdtTT 故系统离散化状态方程为11221110.51011xkxku kxkxk3、已知系统的传