兰州理工大学线性系统理论期末MATLAB大作业.docx

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兰州理工大学线性系统理论期末MATLAB大作业

1、在造纸流程中,投料箱应该把纸浆流变成2cm的射流,并均匀喷洒在网状传送带上。

为此,要精确控制喷射速度和传送速度之间的比例关系。

投料箱内的压力是需要控制的主要变量,它决定了纸浆的喷射速度。

投料箱内的总压力是纸浆液压和另外灌注的气压之和。

由压力控制的投料箱是个耦合系统,因此,我们很难用手工方法保证纸张的质量。

在特定的工作点上,将投料箱线性化,可以得到下面的状态空间模型:

=x+u

y=[x1,x2]

其中,系统的状态变量x1=液面高度,x2=压力,系统的控制变量u1=纸浆流量u2=气压阀门的开启量。

在上述条件下,试设计合适的状态变量反馈控制器,使系统具有实特征根,且有一个根大于5

解:

下面是对此设计的MATLAB程序实现:

>>A=[-0.80.02;-0.020];

>>B=[0.051;0.001,0];

>>r=rank(ctrb(A,B))

r=2

>>C=[11];

>>P=[16];

>>K=place(A,B,P)

K=

1.0e+003*

-0.0200-6.0000

-0.00080.3000

2、描述恒速制导导弹的运动方程为:

=x+u

y=[00010]x

(a)运用ctrb函数计算系统的能控型矩阵,并验证系统是不可控的;

(b)计算从u到Y的传递函数,并消去传递函数中的分子和分母公因式,由此可以得到能控的状态空间模型。

在消去了公因子之后,请用tf2ss函数确定新的状态变量模型;

(c)证明(b)中得到的状态变量模型是能控的;

(d)说明恒速制导导弹是否稳定?

(e)讨论状态变量模型的能控性和复杂性的关系(假设用状态变量的数目来度量复杂性)

程序如下:

clear

A=input('请输入系统矩阵:

');

B=input('请输入输入矩阵:

');

C=input('请输入输出矩阵:

');

Qc1=ctrb(A,B)

N1=size(A);

n1=N1

(1)%判断状态方程维数

rc1=rank(Qc1)

ifrc1==n1

disp('系统可控')

elseifrc1

disp('系统不可控')

end

symss

I=eye(n1);

Q=inv(s*I-A);

sys=collect(C*Q*B)%求解原状态方程的频域传递函数并化简

num=[50025050];

den=[100];

[A1B1C1D1]=tf2ss(num,den)

Qc2=ctrb(A1,B1)

N2=size(A1);

n2=N2

(1)%判断状态方程维数

rc2=rank(Qc2)

ifrc2==n2

disp('系统可控')

elseifrc2

disp('系统不可控')

end

d1=eig(A)'

d2=eig(A1)'

flag1=0;

flag2=0;

fori=1:

n1

ifreal(d1(i))>0

flag1=1;

end

end

ifflag1==1

disp('原系统不稳定')

else

disp('原系统稳定')

end

forj=1:

n2

ifreal(d2(j))>0

flag2=1;

end

end

ifflag2==1

disp('新系统不稳定')

else

disp('新系统稳定')

end

运行结果:

请输入系统矩阵:

[01000;-0.1-0.5000;0.50000;001000;0.51000]

请输入输入矩阵:

[0;1;0;0;0]

请输入输出矩阵:

[00010]

Qc1=

01.0000-0.50000.1500-0.0250

1.0000-0.50000.1500-0.0250-0.0025

000.5000-0.25000.0750

0005.0000-2.5000

01.00000-0.10000.0500

n1=

5

rc1=

4

系统不可控

sys=

50/s^2/(10*s^2+5*s+1)

A1=

00

10

B1=

1

0

C1=

25050

D1=

500

Qc2=

10

01

n2=

2

rc2=

2

系统可控

d1=

000-0.2500-0.1936i-0.2500+0.1936i

d2=

00

原系统稳定

新系统稳定

分析:

由上述分析结果可知原系统和新系统均稳定,而实际上由系统的极点可知,原系统是稳定的,新系统实际上处于临界稳定状态也可认为是不稳定的;若以状态变量的数目来度量复杂性,可知系统的完全可控性与复杂性存在类似反比的关系,及复杂性越高系统完全可控的难度越大,复杂性越低系统完全可控的难度越低。

 

3、垂直起降的飞机的线性化模型为:

=Ax+B1u1+B2u2

其中

A=

B1=,B2=

系统的状态变量为水平速度(节)、垂直速度(节)、倾斜率(度/秒)和倾斜角(度);系统的控制输入为和,其中用于控制垂直运动,用于控制水平运动。

(a)计算系统矩阵的特征值,并由此判断系统是否稳定;

(b)利用poly函数确定的特征多项式,计算特征根,并与(a)中得到的特征根相比较;

(c)当只有发挥作用时,系统能控吗?

当只有发挥作用时,结果又如何?

请比较解释你的结论。

解:

矩阵A的特征值由下列方式实现:

>>A=[-0.03660.02710.0188-0.4555;0.0482-1.01000.0024-4.0208;0.10020.3681-0.70701.4200;0010];

>>Lambda=eig(A)

Lambda=

0.2758+0.2576i

0.2758-0.2576i

-0.2325

-2.0727

由上可知,系统有两个负实根-0.2325和-2.0727,两个实部为正的共轭复根0.2758+0.2576i和0.2758-0.2576i,而要使系统渐进稳定,所有的特征根必须都具有负实部,所以此系统为不稳定系统。

由poly函数确定系统特征多项式的实现如下:

>>A=[-0.03660.02710.0188-0.4555;0.0482-1.01000.0024-4.0208;0.10020.3681-0.70701.4200;0010];

>>b=poly(A)

b=

1.00001.7536-0.64720.06250.0686

上述b的值为系统特征多项式的系数,则系统特征多项式为a(s)=s4+1.7536s3-0.6472s2+0.0625s+0.0686,计算此特征多项式的根有如下实现过程:

>>b=[11.7536-0.64720.06250.0686];

>>roots(b)

ans=

-2.0727

0.2758+0.2576i

0.2758-0.2576i

-0.2324

由特征多项式所得特征根为两个负实根-2.0727和-0.2324,两个具有正实部的共轭复根0.2758+0.2576i和0.2758-0.2576i,将其与(a)中所得特征根比较如下:

(a):

[-2.0727-0.23250.2758+0.2576i0.2758-0.2576i]

(b):

[-2.0727-0.23240.2758+0.2576i0.2758-0.2576i]

可以看出,(a)和(b)所得的系统特征值只有一个负实根不相同之外其他的特征根都相同,而不相同的两个负实根-0.2325和-0.2324只相差0.0001,相差甚微,仅仅是这么小的差距对分析系统性能并没有很大的影响,完全可以忽略。

(c)

当只有u1作用于系统时,即输入矩阵只有B1矩阵,由系统矩阵A和输入矩阵B1确定的能控性判别矩阵可知系统的能控性,对此有如下实现过程:

>>A=[-0.03660.02710.0188-0.4555;0.0482-1.01000.0024-4.0208;0.10020.3681

-0.70701.4200;0010];

>>B1=[0.4422;3.5466;-5.5200;0];

>>Co1=ctrb(A,B1)

Co1=

0.4422-0.02382.5171-2.0270

3.5466-3.574025.8160-47.1028

-5.52005.2525-12.869926.3126

0-5.52005.2525-12.8699

>>r=rank(Co1)

r=4

系统状态维数n=4,又有r=n=4,所以只有u1单独作用时系统完全能控。

当只有u2作用于系统时,相应的输入矩阵只有B2,可以由系统矩阵A和输入矩阵B2确定的能控性判别矩阵判断系统的能控性,具体的实现如下过程:

>>B2=[0.1761;-7.5922;4.4900;0];

>>Co2=ctrb(A,B2)

Co2=

0.1761-0.1278-1.94412.3338

-7.59227.6874-25.838149.9646

4.4900-5.951513.4004-27.6310

04.4900-5.951513.4004

>>r=rank(Co2)

r=4

同样有r=n=4,所以只有u2单独作用于系统时系统也是完全可控的。

 

4、为了探究月球背面(远离地球的一面)的奥秘,人们付出了不懈的努力。

例如,在地球-太阳-月球系统中,人们希望通信卫星能定点在不受月球遮挡的轨道上,并为此开展了广泛的论证研究工作。

图中给出了预期卫星轨道的示意图,从地球上看上去,卫星轨道的光影恰似环绕月球的外层光晕,因此这种轨道又称为光晕轨道。

轨道控制的目的是,使通信卫星在地球可见的光晕轨道上运行,从而保证通信链路的畅通,所需的通信链路包括从地球到卫星和从卫星到月球背面共两段线路。

卫星绕定点位置运动时,经过标准化和线性化的漂移运动方程为:

其中,状态变量是卫星在三个方向上的位置和速度漂移,输入分别是轨控发动机在、和方向上产生的加速度。

(a)卫星的定点位置是否稳定?

(b)如果只有发挥作用,卫星是否能控?

(c)如果只有发挥作用,卫星是否能控?

(d)如果只有发挥作用,卫星是否能控?

(e)如果能够测得方向的位置漂移,请确定由到该位置漂移量的传递函数。

(提示:

可以令观测输出为)

(f)用tf2ss函数,计算(e)中得到的传递函数的状态变量模型,并验证该轨迹子系统是能控系统;

(g)采用状态反馈,设计合适的反馈控制器,使(f)中得到的系统的闭环极点为和。

解:

(a)由系统矩阵A的特征值可以判断系统的稳定性,如下可知系统含有正实数特征根,故系统是不稳定的

>>A=[000100;000010;000001;7.380900020;0-2.19040-200;00-3.1904000]

>>Lambda=eig(A)

La

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