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1、第2章 “控制系统的状态空间描述”习题解答2.1有电路如图P2.1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P2.1解 此题可采样机理分析法,首先根据电路定律列写微分方程,再选择状态变量,求得相应的系统状态空间表达式。也可以先由电路图求得系统传递函数,再由传递函数求得系统状态空间表达式。这里采样机理分析法。设两端电压为,两端的电压为,则 (1) (2)选择状态变量为,由式(1)和(2)得:状态空间表达式为:即: 2.2 建立图P22所示系统的状态空间表达式。 图P2.2解 这是一个物理系统,采用机理分析法求状态空间表达式会更为方便。令为输入量,即,的位移量,为输出量,选
2、择状态变量,= ,=,。根据牛顿定律对有:对有: 经整理得:状态方程为: 输出方程为: 写成矩阵形式为:2.5 系统的结构如图P2.5所示。以图中所标记的、作为状态变量,推导其状态空间表达式。其中,、分别为系统的输入、输出,、均为标量。图P2.5系统结构图解 图P2.5给出了由积分器、放大器及加法器所描述的系统结构图,且图中每个积分器的输出即为状态变量,这种图形称为系统状态变量图。状态变量图即描述了系统状态变量之间的关系,又说明了状态变量的物理意义。由状态变量图可直接求得系统的状态空间表达式。着眼于求和点、,则有:输出为,得2.7 试求图中所示的电网络中,以电感、上的支电流、作为状态变量的状态
3、空间表达式。这里是恒流源的电流值,输出是上的支路电压。图P2.8 RL电网络解 采用机理分析法求状态空间表达式。由电路原理可得到如下微分方程整理得状态空间表达式为2.8 已知系统的微分方程 (1) ;(2) ;(3) 。试列写出它们的状态空间表达式。(1) 解 选择状态变量,则有:状态空间表达式为:(2) 解 采用拉氏变换法求取状态空间表达式。对微分方程(2)在零初试条件下取拉氏变换得:由公式(2.14)、(2.15)可直接求得系统状态空间表达式为(3) 解 采用拉氏变换法求取状态空间表达式。对微分方程(3)在零初试条件下取拉氏变换得:在用传递函数求系统的状态空间表达式时,一定要注意传递函数是
4、否为严格真有理分式,即是否小于,若需作如下处理再由公式(2.14)、(2.15)可直接求得系统状态空间表达式为 2.9 已知下列传递函数,试用直接分解法建立其状态空间表达式,并画出状态变量图。(1) (2)(1) 解 首先将传函(1)化为严格真有理式即:令,则有,即:由上式可得状态变量图如下: 由状态变量图或公式(2.14)、(2.15)直接求得能控标准型状态空间表达式(2) 解 由已知得:,令: ,得: 状态变量图如下:状态表达式如下: 2.13 列写图P2.10所示系统的状态空间表达式。图P2.10解 设 (7) (8)则由系统方框图可得 (9) (10)对式进行拉氏反变换得则系统状态空间表达式为2.14 试将下列状态方程化为对角标准形。(1) (2) (1) 解 求特征值解得 求特征向量、对于:有 解得 、对于:有 解得 构造,求 求,。, 则得对角标准型 (2) 解 求特征值: 求特征向量、对于有:、对于有:、对于有: 构造,求。 求,。则得对角标准型 2.15 试将下列状态方程化为约当标准形。解 求特征值: 求特征向量、对于有 即 、对于有 即 即 构造,求。 求,。则得约当标准型 2.16 已知系统的状态空间表达式为求其对应的传递函数。解,2.19 设离散系统的差分方程为求系统的状态空间表达式。解 对差分方程取Z变换,得:离散系统状态方程式为15