现代控制理论实验报告.docx
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现代控制理论实验报告
实验报告
(2016-2017年度第二学期)
名称:
《现代控制理论基础》
题目:
状态空间模型分析
院系:
控制科学与工程学院
班级:
___
学号:
__
学生姓名:
______
指导教师:
_______
成绩:
日期:
2017年4月15日
线控实验报告
一、实验目的:
l.加强对现代控制理论相关知识的理解;
2.掌握用matlab进行系统李雅普诺夫稳定性分析、能控能观性分析;
二、实验内容
1
第一题:
已知某系统的传递函数为G(s)
S23S2
求解下列问题:
(1)用matlab表示系统传递函数num=[1];
den=[132];
sys=tf(num,den);
sys1=zpk([],[-1-2],1);
结果:
sys=
1
-------------
s^2+3s+2
sys1=
1
-----------
(s+1)(s+2)
(2)求该系统状态空间表达式:
[A1,B1,C1,D1]=tf2ss(num,den);
A=
-3-2
10
B=
1
0
C=
01
第二题:
已知某系统的状态空间表达式为:
3
2
1
A
0
B,C01:
1
0
求解下列问题:
(1)求该系统的传递函数矩阵:
(2)该系统的能观性和能空性:
(3)求该系统的对角标准型:
(4)求该系统能控标准型:
(5)求该系统能观标准型:
(6)求该系统的单位阶跃状态响应以及零输入响应:
解题过程:
程序:
A=[-3-2;10];B=[10]';C=[01];D=0;[num,den]=ss2tf(A,B,C,D);co=ctrb(A,B);
t1=rank(co);
ob=obsv(A,C);
t2=rank(ob);
[At,Bt,Ct,Dt,T]=canon(A,B,C,D,'modal');[Ac,Bc,Cc,Dc,Tc]=canon(A,B,C,D,'companion');
Ao=Ac';
Bo=Cc';
Co=Bc';
结果:
(1)num=
001
den=
132
(2)能控判别矩阵为:
co=
1-3
11
能控判别矩阵的秩为:
t1=
2
故系统能控。
(3)能观判别矩阵为:
ob=
01
10
能观判别矩阵的秩为:
t2=
2
故该系统能观。
(4)该系统对角标准型为:
At=
-20
1-1
Bt=
-1.4142
-1.1180
Ct=
0.7071-0.8944
(5)该系统能观标准型为:
Ao=
1-2
2-3
Bo=
1
0
Co=
11
(6)该系统能控标准型为:
Ac=
21
-2-3
Bc=
0
1
Cc=
10
(7)系统单位阶跃状态响应;
G=ss(A1,B1,C1,D1);
[y,t,x]=step(G);
figure
(1)
plot(t,x);
(8)零输入响应:
x0=[01];
[y,t,x]=initial(G,x0);
figure
(2)
plot(t,x)
第三题:
已知某系统的状态空间模型各矩阵为:
0
0
-1
1
A1
0
-3
B
1
C01-2,求下列问题:
0
1
-3
0
(1)按能空性进行结构分解:
(2)按能观性进行结构分解:
clear
A=[00-1;10-3;01-3];B=[110]';
C=[01-2];tc=rank(ctrb(A,B));to=rank(obsv(A,C));[A1,B1,C1,t1,k1]=ctrbf(A,B,C);[A2,B2,C2,t2,k2]=ctrbf(A,B,C);
结果:
能控判别矩阵秩为:
tc=
2
可见,能空性矩阵不满秩,系统不完全能控。
A1=
-1.0000-0.0000-0.0000
2.1213-2.50000.8660
1.2247-2.59810.5000
B1=
0.0000
0.0000
1.4142
C1=
1.7321-1.22470.7071
t1=
-0.5774
0.5774
-0.5774
-0.4082
0.4082
0.8165
0.7071
0.7071
0
k1=
1
1
0
能观性判别矩阵秩为:
to=
2
可见,能观性判别矩阵不满秩,故系统不完全能观。
A2=
-1.00001.34163.8341
0.0000-0.4000-0.7348
0.00000.4899-1.6000
B2=
1.2247
0.5477
0.4472
C2=
0-0.00002.2361
t2=
0.40820.81650.4082
0.9129-0.3651-0.1826
00.4472-0.8944
k2=
110
第四题:
已知系统的状态方程为:
1
2
3
0
A4
5
6,B
0,C010,D0
7
8
9
1
希望极点为-2,-3,-4.试设计状态反馈矩阵K,并比较状态反馈前后输出响应.
A=[123;456;789];
B=[001]';
C=[010];
D=0;
tc=rank(ctrb(A,B));
p=[-2-3-4];
K=place(A,B,p);
t=0:
0.01:
5;
U=0.025*ones(size(t));
[Y1,X1]=lsim(A,B,C,D,U,t);
[Y2,X2]=lsim(A-B*K,B,C,D,U,t);
figure
(1)
plot(t,Y1);
gridon
title('反馈前');
figure
(2)
plot(t,Y2)
title('反馈后')
结果:
tc=
3
可见,能观判别矩阵满秩,故系统能进行任意极点配置。
反馈矩阵为:
K=
15.333323.666724.0000
反馈前后系统输出对比:
第五题.已知某线性定常系统的系统矩阵为:
1
1
A
,判断该系统稳定性。
2
3
clear
clc
A=[-11;2-3];
A=A';
Q=eye
(2);
P=lyap(A,Q);
det(P);
结果:
求得的P矩阵为:
P=
1.75000.6250
0.62500.3750
且P阵的行列式为:
>>det(P)
ans=
0.2656
可见,P矩阵各阶主子行列式均大于0,故P阵正定,故该系统稳定。