现代控制理论第五章答案课件.ppt

1、第五章主要内容：第五章主要内容：51 线性反馈控制系统的基本结构及其特性线性反馈控制系统的基本结构及其特性主要知识点主要知识点:1、状态反馈、输出反馈的基本概念；状态反馈、输出反馈的基本概念；2、三种反馈控制系统的基本结构和特点；、三种反馈控制系统的基本结构和特点；3、闭环系统的能控性和能观性。、闭环系统的能控性和能观性。52 极点配置问题极点配置问题 主要知识点主要知识点:1、极点配置的基本概念极点配置的基本概念；2、极点任意配置的条件极点任意配置的条件；3、极点配置的设计方法。、极点配置的设计方法。1ppt课件53 系统镇定问题系统镇定问题 主要知识点主要知识点:1、系统能镇定的基本概念系

2、统能镇定的基本概念;2、闭环控制系统能镇定的条件。、闭环控制系统能镇定的条件。54 系统解耦问题系统解耦问题 主要知识点主要知识点:1、什么是解耦问题；、什么是解耦问题；2、解耦的结构形式；、解耦的结构形式；3、状态反馈解耦结构；、状态反馈解耦结构；4、状态反馈能解耦的条件；、状态反馈能解耦的条件；5、状态反馈解耦设计。、状态反馈解耦设计。2ppt课件55 状态观测器状态观测器主要知识点主要知识点:1、状态观测器、全维观测器、降维观测器的基本概念、状态观测器、全维观测器、降维观测器的基本概念;2、观测器存在的条件；、观测器存在的条件；3、全维观测器的设计。、全维观测器的设计。56 利用状态观测

3、器实现状态反馈的系统利用状态观测器实现状态反馈的系统 主要知识点主要知识点:1、利用状态观测器实现状态反馈的系统结构；、利用状态观测器实现状态反馈的系统结构；2、主要特点（极点分离特性、等价性）；、主要特点（极点分离特性、等价性）；3、利用状态观测器实现状态反馈的系统设计。、利用状态观测器实现状态反馈的系统设计。（观测器反馈矩阵设计（观测器反馈矩阵设计+状态反馈矩阵设计）状态反馈矩阵设计）3ppt课件【习题【习题52】设系统状态方程为设系统状态方程为【解【解】第一步：判断能控性第一步：判断能控性uxx10001010110010试设计一状态反馈阵将其极点配置为试设计一状态反馈阵将其极点配置为3

4、1,10j3)(9901001011010010002MRankbAAbbM满秩，状态反馈可实现极点的任意配置。满秩，状态反馈可实现极点的任意配置。第二步：化为能控标准第二步：化为能控标准I型型111123 AI11110210aaa4ppt课件能控标准能控标准I型为：型为：101000100001011111011100110100990010110001010100121221aaabAbbATc11001000111cT11110100010111ccATTA10011bTbc第三步：求出加入状态反馈矩阵后的闭环特征多项式第三步：求出加入状态反馈矩阵后的闭环特征多项式321kkkK 5p

5、pt课件)11()11()(100010)()()(100010321322110111kkkkakakaATTKbAcc12233)11()11()(kkkf第四步：求出期望的闭环特征多项式第四步：求出期望的闭环特征多项式402412)31)(31)(10()(23*jjf6ppt课件第四步：比较第四步：比较 和和 求出反馈矩阵求出反馈矩阵)(*f)(f12233)11()11()(kkkf402412)(23*f4024111211123kkk40131123kkk 11340K第五步：反变换到原状态变量下第五步：反变换到原状态变量下11240110010001 1134011cTKK7p

6、pt课件【习题【习题53】有系统有系统xyuxx01101012（1）画出模拟结构图；）画出模拟结构图；（2）若动态性能不满足要求，可否任意配置极点；）若动态性能不满足要求，可否任意配置极点；（3）若指定极点为）若指定极点为-3，-3，求状态反馈矩阵。，求状态反馈矩阵。【解【解】（1）系统模拟结构图如下）系统模拟结构图如下12x2yx 1u8ppt课件21kkK 2)(1110MRankAbbM满秩，状态反馈可实现极点的任意配置。满秩，状态反馈可实现极点的任意配置。设状态反馈矩阵为设状态反馈矩阵为2121112101012kkkkbkA212222)3()()(kkkbKAIf（2）判断状态反

7、馈可否任意配置极点；）判断状态反馈可否任意配置极点；（3）若指定极点为）若指定极点为-3，-3，求状态反馈矩阵。，求状态反馈矩阵。加入状态反馈矩阵后的系统矩阵为加入状态反馈矩阵后的系统矩阵为闭环系统特征多项式：闭环系统特征多项式：9ppt课件比较比较 和和 求出反馈矩阵求出反馈矩阵)(*f)(f212222)3()(kkkf96)(2*f92263212kkk2312kk反馈矩阵为反馈矩阵为2321kkK期望的闭环特征多项式期望的闭环特征多项式96)3)(3()(2*f10ppt课件【习题【习题54】有系统的传递函数为有系统的传递函数为)3)(2)(1()2)(1(sssss试问可否利用状态反

8、馈将其传递函数变为试问可否利用状态反馈将其传递函数变为)3)(2()1(sss若有可能，试求状态反馈矩阵，并画出模拟结构图。若有可能，试求状态反馈矩阵，并画出模拟结构图。【解【解】因为系统的传递函数不存在零极点对消的情况，系统因为系统的传递函数不存在零极点对消的情况，系统能控且能观，状态反馈能实现极点的任意配置，可其传递函能控且能观，状态反馈能实现极点的任意配置，可其传递函数变为：数变为：)3)(2()1(sss且相当于闭环极点配置为：且相当于闭环极点配置为：-2，-2，-311ppt课件系统的能控标准系统的能控标准I型为：型为：256100010A6522)3)(2)(1()2)(1()(2

9、32sssssssssssW01122563210210bbbbaaa100b112c加入状态反馈矩阵后的闭环特征多项式加入状态反馈矩阵后的闭环特征多项式321kkkK)6()5()2()()()()(1223310212323kkkkakakaf12ppt课件期望的闭环特征多项式期望的闭环特征多项式12167)3()2()(232*f比较比较 和和 求出反馈矩阵求出反馈矩阵)(*f)(f12616572123kkk18215123kkk 52118321kkkK所求的状态反馈矩阵为所求的状态反馈矩阵为闭环系统的模拟结构图如下：闭环系统的模拟结构图如下：13ppt课件反馈矩阵反馈矩阵K输出矩阵

10、输出矩阵C14ppt课件【习题【习题55】试判断下列系统通过状态反馈能否镇定试判断下列系统通过状态反馈能否镇定102101110221)1(bA【解【解】系统通过状态反馈能否镇定的充要条件是：不能控系统通过状态反馈能否镇定的充要条件是：不能控子系统是渐近稳定的。子系统是渐近稳定的。3)(5110100422MRankbAAbbM系统是能控且能观的，所以系统通过状态反馈能镇定系统是能控且能观的，所以系统通过状态反馈能镇定15ppt课件070545000015000002000012000012)2(bA【解【解】系统通过状态反馈能否镇定的充要条件是：不能控系统通过状态反馈能否镇定的充要条件是：不

11、能控子系统是渐近稳定的。子系统是渐近稳定的。该状态空间表达式是约旦标准型，利用约旦标准型能控该状态空间表达式是约旦标准型，利用约旦标准型能控性判据可知下列状态是不能控的：性判据可知下列状态是不能控的：332xx555xx因其特征值均为负值，所以是渐近稳定的。故系统通过因其特征值均为负值，所以是渐近稳定的。故系统通过状态反馈能否镇定状态反馈能否镇定16ppt课件【习题【习题57】设计一个前馈补偿器，使系统设计一个前馈补偿器，使系统ssssssW1)1(12111)(解耦，且解耦后系统的极点为解耦，且解耦后系统的极点为-1，-1，-2，-2【解【解】系统的传递函数阵是非奇异的，可以用前馈补偿器系统

12、的传递函数阵是非奇异的，可以用前馈补偿器实现解耦，设解耦后系统的传递函数为实现解耦，设解耦后系统的传递函数为)2)(1(100)2)(1(1)(sssssWjo17ppt课件则补偿器的传递函数矩阵为：则补偿器的传递函数矩阵为：2211)1()1(1)2)(1(11)2)(1(100)2)(1(11)2(122)2)(1(100)2)(1(11)1(12111)()()(ssssssssssssssssssssssssssssWsWsWjod18ppt课件【习题【习题58】已知系统已知系统110001101001101320001yuxx（1）判别系统能否利用状态反馈实现解耦）判别系统能否利用状

13、态反馈实现解耦（2）设计状态反馈使系统解耦，且极点为）设计状态反馈使系统解耦，且极点为-1，-2，-3。【解【解】（1）计算）计算di0110100100101BAc01d0010100111002BAc19ppt课件0110100110132000111012BAc12d计算几个矩阵计算几个矩阵221001212121AccAcAcDdd0101101001221001DBE1)(ERank不能用状态反馈实现解耦不能用状态反馈实现解耦（2）无法设计状态反馈使系统解耦，并使极点为）无法设计状态反馈使系统解耦，并使极点为-1，-2，-3。20ppt课件【习题【习题510】已知受控系统状态空间表达

14、式为已知受控系统状态空间表达式为 试设计观测器，使观测器的极点为试设计观测器，使观测器的极点为 xyuxx01100010)0(2,rrr【解【解】观测器期望的特征多项式观测器期望的特征多项式 22*23)2)()(rrrrf观测器的特征多项式：观测器的特征多项式：2122101001000()(ggggGcAIf比较比较 和和 求出反馈矩阵求出反馈矩阵)(*f)(fTrrG23221ppt课件观测器方程为：观测器方程为：uyrrxrrbuGyxGCAx10230213)(2222ppt课件【习题【习题511】已知系统状态空间表达式为已知系统状态空间表达式为 xyuxx01101012设状态变

15、量设状态变量 不能测取，设计全维和降维观测器，使观测不能测取，设计全维和降维观测器，使观测器的极点为器的极点为-3，-3。2x【解【解】观测器期望的特征多项式观测器期望的特征多项式 211221212)3(11201101200()(gggggggGcAIf96)3)(3()(2*f观测器的特征多项式：观测器的特征多项式：23ppt课件比较比较 和和 求出反馈矩阵求出反馈矩阵)(*f)(fTG43全维观测器方程为：全维观测器方程为：uyxbuGyxGCAx10431415)(求降维观测器：求降维观测器：令令1221xxxx则状态空间表达式变换为则状态空间表达式变换为xyuxx100112101

16、21022211211AAAA24ppt课件10012121CCBBgG 降维观测器方程为降维观测器方程为uygxguBGByAGAxAGAw)1(2)()()(121221212111ygwx1即有：即有：uygygwgw)1()(2特征多项式为特征多项式为gf2)(期望特征多项式为期望特征多项式为3)(f所以：所以：5.1g25ppt课件故降维观测器方程为故降维观测器方程为uywuygygwgw23)1()(2ywx311221xxxx26ppt课件【习题【习题513】设受控对象的传递函数为设受控对象的传递函数为31s（1）设计状态反馈矩阵，使闭环系统极点配置为）设计状态反馈矩阵，使闭环系统极点配置为（2）设计极点为）设计极点为-5的降维观测器的降维观测器（3）按（）按（2）的结果，求等效的反馈校正和串联校正装置）的结果，求等效的反馈校正和串联校正装置2321,3j【解】（【解】（1）受控对象的状态空间表达式可写为能观标准受控对象的状态空间表达式可写为能观标准II型型xyuxx100001010001000设状态反馈矩阵为设状态反馈矩阵为不要求掌握该题不要求掌握该题,不做了不做了!27ppt课件