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文档简介
1、一 (本题满分10分)如图所示为一个摆杆系统,两摆杆长度均为,摆杆的质量忽略不计,摆杆末端两个质量块(质量均为)视为质点,两摆杆中点处连接一条弹簧,与分别为两摆杆与竖直方向的夹角。当时,弹簧没有伸长和压缩。水平向右的外力作用在左杆中点处,假设摆杆与支点之间没有摩擦与阻尼,而且位移足够小,满足近似式,。(1)写出系统的运动微分方程;(2)写出系统的状态方程。【解】(1)对左边的质量块,有对右边的质量块,有在位移足够小的条件下,近似写成: 即(2)定义状态变量,则或写成二(本题满分10分)设一个线性定常系统的状态方程为,其中。若时,状态响应为;时,状态响应为。试求当时的状态响应。【解答】系统的状态
2、转移矩阵为,根据题意有合并得求得状态转移矩阵为当时的状态响应为三(本题满分10分)已知某系统的方块图如下,回答下列问题:(1)按照上图指定的状态变量建立状态空间表达式;(2)确定使系统状态完全能控且完全能观时,参数的取值范围。【解答】(1)系统的状态空间表达式为(2)使系统状态完全能控且完全能观时,参数且。四(本题满分10分)离散系统的状态方程为(1)是否存在一个有限控制序列,使得系统由已知的初始状态,转移到,?试给出判断依据和判断过程。(2)若存在,求的最小值及控制序列。【解答】(1)由题意,由系统能控性的定义可知:存在有限控制序列,使得在有限时间内由状态初值转移到零。(2)由系统状态完全能
3、控的性质可知,此系统为二阶系统,可用适当的,使得,即的最小值为1。 根据状态方程进行递推如下:,由上面最后一步可得即即,。五(本题满分10分)对下列系统试设计一个状态反馈控制器,满足以下要求:闭环系统的阻尼系数;阶跃响应的峰值时间等于3.14秒。【解答】假设状态反馈控制律为,代入状态方程得闭环系统闭环特征多项式为根据题意的要求,期望特征多项式为根据多项式恒等的条件可得:解得状态反馈控制律为。六(本题满分10分)设系统的状态空间表达式为若该系统的状态不可测量,试设计一个降维状态观测器,使降维观测器的极点为,要求写出降维观测器动态方程,并写出状态的估计方程。【解答】将状态空间表达式写成:进一步写成设降维观测器方程为引入中间变量,两边求导数得根据题意,降维观测器的极点为-10,即,解得。 最终得到降维观测器的动态方程为状态估计的表达式为。七. (本题满分10分)证明对于线性定常系统的线性变换,其传递函数(矩阵)保持不变。【证明】设原线性系统为其传递函数矩阵为 设线性变换为,变换后的线性系统为该系统的传递函数矩阵为显然,即其传递函数(矩阵)保持不变。 证毕八. (本题满分10分)某2阶非线性系统的状态方程为,证明该系统在坐标原点处渐近稳定。【证明】取李雅普诺夫函数,显然是正定函数;此外,沿着状态轨线的导数
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