现代控制理论1-8三习题库 - 图文

信息工程学院 现代控制理论 课程习题清单

学分、学时 总章节或 总单元 命题教师 签名 3学分，48学时 6 课程归属自动化系 （系、专业） 授课周数 课程负责人 签名 16 授课专业 年级 教师教龄 教学副院长 签名 自动化大三 2 课程目标： 自动控制领域的科学研究方法，已经由最早的经典控制中以输入输出模型为主，发展为现今的现代控制中以状态空间模型为主。因而，“现代控制理论”是从事自动化专业必备的知识。“现代控制理论”的教学目标是使学生牢固树立线性系统中状态空间的概念、进一步理解系统稳定性这一控制学科最为重要的概念，掌握能控与能观、状态反馈与状态估计等核心方法。通过本课程学习，使学生做到各章概念融会贯通，解题方法灵活运用，分析解决实际问题。从宏观角度把握课程的体系结构，建立起现代控制理论的基本框架。主要培养学生以下三个方面的能力： 1、分析建模能力 根据系统的工作原理或实验数据，建立合理的数学模型。 2、认知和理解能力 理解与掌握能控性、能观测性与系统设计的关系，系统矩阵与稳定性的关系，输出反馈与状态反馈的关系。 3、设计实施能力 根据系统的不可变部分及给出的综合性性能指标，设计出满足控制系统要求的状态反馈矩阵，并画出模拟电路图。 第一章（单元）： 绪论 本章节（单元）教学目标： 主要介绍控制理论的产生背景及现代控制理论研究的主要内容，使学生对现代控制理论的发展及其所研究的主要问题有一个初步了解，并且复习、补充有关《线性代数》的内容。 重点内容：逆矩阵、线性无关与线性相关定义、非齐次方程求解、哈密顿定理、定号性理论等。 预习题 复习题 练习题 1.控制一个动态系统的几个基本步骤是什么？ 1.系统的数学描述可分为哪两种类型？ 2.自然界存在两类系统：静态系统和动态系统，有何区别？ 1.现代控制理论研究的主要内容是什么？ 2.现代控制理论研究对象？ 3.现代控制理论所使用的数学工具有哪些？ 4.现代控制理论问题的解决方法是什么？ 第二章（单元）： 控制系统的状态空间表达式 本章节（单元）教学目标： 正确理解线性系统的数学描述，状态空间的基本概念，熟练掌握状态空间的表达式，线性变换，线性定常系统状态方程的求解方法。 重点内容：状态空间表达式的建立，状态转移矩阵和状态方程的求解，线性变换的基本性质，传递函数矩阵的定义。要求熟练掌握通过传递函数、微分方程和结构图建立电路、机电系统的状态空间表达式，并画出状态变量图，以及能控、能观、对角和约当标准型。难点：状态变量选取的非唯一性，多输入多输出状态空间表达式的建立。 1.现代控制理论中的状态空间模型与经典控制理论中的传递函数有何区别？ 2.状态、状态空间的概念？ 3.状态方程规范形式有何特点？ 预习题 4.状态变量和状态矢量的定义？ 5.怎样建立状态空间模型？ 6.怎样从状态空间表达式求传递函数？ 1. 怎样写出SISO系统状态空间表达式对应的传递函数阵表达式 2. 若已知系统的模拟结构图，如何建立其状态空间表达式？ 3. 求下列矩阵的特征矢量 -10??1? A??202?????10?52??4. （判断）状态变量的选取具有非惟一性。 5. （判断）系统状态变量的个数不是惟一的，可任意选取。 6. （判断）通过适当选择状态变量，可将线性定常微分方程描述其输入输出关系的系统，表达为状态空间描述。 7. （判断）传递函数仅适用于线性定常系统；而状态空间表达式可以在定常系统中应用，也可以在时变系统中应用. 8. 如果矩阵 A 有重特征值，并且独立特征向量的个数小于n ,则只能化为模态阵。 9. 动态系统的状态是一个可以确定该系统______（结构，行为）的信息集合。这些信息对于确定系统______（过去，未来）的行为是充分且必要的。 10. 如果系统状态空间表达式中矩阵A, B, C, D中所有元素均为实常数时，则称这样的系统为______（线性定常，线性时变）系统。如果这些元素中有些是时间t 的函数，则称系统为______（线性定常，线性时变）系统。 11. 线性变换不改变系统的______特征值，状态变量）。 12. 线性变换不改变系统的______（状态空间，传递函数矩阵）。 13. 若矩阵 A 的n 个特征值互异，则可通过线性变换将其化为______（对角阵，雅可比阵）。 14. 状态变量是确定系统状态的______（最小，最大）一组变量。 15. 以所选择的一组状态变量为坐标轴而构成的正交______（线性，非线性）空间，称之为______（传递函数，状态空间）。 复习题 1. 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。 U(s)+-K1Kps?K1+-Kps?K1s+-1J1sKbJ2s2?(s)Kns 2. 有电路如图所示，设输入为 ，输出为 ，试自选状态变量并列写出其状态空间表达式。 图1-27系统方块结构图R1u1uC1R2uC2u2 3. 有电路如图1-28所示。以电压u(t)为输入量，求以电感中的电流和电 练习题 容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻R2上的电压作为输出量的输出方程。 R1L1L2i1CUi2---------Uc---------R2图1-28 电路图 4. 建立图P12所示系统的状态空间表达式。 KB2M1B1M2f(t) 5. 两输入u1，u2，两输出y1，y2的系统，其模拟结构图如图1-30所示，试求其状态空间表达式和传递函数阵。 u1b1+---??y1a1a5a6?++a21u2b2+---?a3y2 a4图1-30双输入--双输出系统模拟结构图6. 系统的结构如图所示。以图中所标记的x1、x2、x3作为状态变量，推导其状态空间表达式。其中，u、y分别为系统的输入、输出，?1、?2、?3均为标量。 du32?3x1?2x+1/sa3x3+1/sa2x2+?1x1/sa1+x1y 7. 试求图中所示的电网络中，以电感L1、L2上的支电流x1、x2作为状态变量的状态空间表达式。这里u是恒流源的电流值，输出y是R3上的支路电压。 x1L1L2x2uR1R3yR2 ??????4y??5y?3u，yy8. 已知系统的微分方程?试列写出状态空间表达式。 ???3y??u???u，试列写出状态空间表达式。 y9. 已知系统的微分方程2????2???3y??5y?5????7u，试列写出状态空间yyu10. 已知系统的微分方程?表达式。