現(xiàn)代控制實驗

1、電氣1001班-丁乾-10053109號現(xiàn)代控制理論綜合實驗報告實驗目的（1） 熟悉線性系統(tǒng)的數(shù)學模型、模型轉換。（2） 掌握特征值和特征向量的求解（3） 掌握狀態(tài)空間模型的線性變換，并求出約旦標準型（4） 使用Matlab Simulink 構建串聯(lián)型和并聯(lián)型實現(xiàn)（5） 掌握能控能觀性判別方法，求出 能控能觀標準型（6） 掌握狀態(tài)反饋極點配置的方法（7） 學習設計全維觀測器和降維觀測器實驗內(nèi)容1. 數(shù)學模型描述與轉換（1）給定系統(tǒng)的狀態(tài)方程系數(shù)矩陣如下：A=， B=， C=0 18 360, D=0在Matlab中以狀態(tài)空間模型表示，并求出對應的傳遞函數(shù)數(shù)學模型。（2）在Matlab中建立如

2、下傳遞函數(shù)陣模型并求出對應的狀態(tài)空間數(shù)學模型。說明： 相關Matlab命令：tf，ss2. 系統(tǒng)線性變換與能控能觀性分析（1）使用Matlab軟件求出上述系統(tǒng)的特征值和特征向量（2）求出對應的約旦標準型 (3) 判斷系統(tǒng)的能控能觀性，如果能控（或能觀），則求出對應的能控（能觀）標準型。說明： 相關的Matlab命令是eig，jordan，ctrb，obsv，rank，det，poly, ss2ss3. 系統(tǒng)分析與綜合已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)（1） 在Simulink中繪制模擬結構圖，實現(xiàn)該系統(tǒng)的 串聯(lián)實現(xiàn) 并聯(lián)實現(xiàn)（2）以上述系統(tǒng)的串聯(lián)實現(xiàn)為基礎，實驗研究： 系統(tǒng)在初始條件作用下的狀態(tài)響應和輸出響應

3、系統(tǒng)在階躍輸入信號作用下的狀態(tài)響應和輸出響應（3）以上述系統(tǒng)的串聯(lián)實現(xiàn)為基礎，設計狀態(tài)反饋控制器 要求：系統(tǒng)輸出的最大超調(diào)量不超過 16.8%，調(diào)節(jié)時間小于1秒。 計算系統(tǒng)輸出的實際的性能參數(shù)（最大超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等） 分析狀態(tài)反饋控制下是否會存在穩(wěn)態(tài)誤差？并討論消除狀態(tài)反饋穩(wěn)態(tài)誤差的方法。（4）以上述系統(tǒng)的串聯(lián)實現(xiàn)為基礎，設計系統(tǒng)的全維狀態(tài)觀測器，觀測器極點全為（選做） 仿真分析在原系統(tǒng)和觀測器系統(tǒng)初始條件相同和不同時，觀測狀態(tài)與原狀態(tài)變量的差值隨時間變化的情況。（5）設計降維觀測器 （選做）實驗結果1. 數(shù)學模型描述與轉換（1） A=-40 -138 -160;1 0 0;0 1

4、 0,B=1 0 0,C=0 18 360,D=0A = -40 -138 -160 1 0 0 0 1 0B = 1 0 0C = 0 18 360D = 0 Sss=ss(A,B,C,D)a = x1 x2 x3 x1 -40 -138 -160 x2 1 0 0 x3 0 1 0b = u1 x1 1 x2 0 x3 0c = x1 x2 x3 y1 0 18 360d = u1 y1 0（2） Stf=tf(Sss)Transfer function: 18 s + 360-s3 + 40 s2 + 138 s + 160 G=tf(1 1 1 1 5;2 3 6,1 5 6 1 2;

5、1 6 11 6 2 7)Transfer function from input 1 to output. s2 + s + 1 #1: - s2 + 5 s + 6 2 s + 3 #2: - s3 + 6 s2 + 11 s + 6Transfer function from input 2 to output. s + 5 #1: - s + 2 6 #2: - 2 s + 7 Gss=ss(G)a = x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x1 -5 -3 0 0 0 0 0 x2 2 0 0 0 0 0 0 x3 0 0 -6 -2.75 -1.5 0 0 x4 0 0 4 0

6、 0 0 0 x5 0 0 0 1 0 0 0 x6 0 0 0 0 0 -2 0 x7 0 0 0 0 0 0 -3.5b = u1 u2 x1 2 0 x2 0 0 x3 1 0 x4 0 0 x5 0 0 x6 0 2 x7 0 2c = x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 y1 -2 -1.25 0 0 0 1.5 0 y2 0 0 0 0.5 0.75 0 1.5d = u1 u2 y1 1 1 y2 0 02.系統(tǒng)線性變換與能控能觀性分析（1）使用Matlab軟件求出上述系統(tǒng)的特征值和特征向量 A=1 2 0;3 -1 1;0 2 0;B=2 1 1;C=0 0 1;E=ei

7、g(A),V,F=eig(A)E = -3.1055 2.8820 0.2235V = -0.3790 -0.6577 -0.2750 0.7780 -0.6189 0.1068 -0.5011 -0.4295 0.9555F = -3.1055 0 0 0 2.8820 0 0 0 0.2235（2）求出對應的約旦標準型 T,J=jordan(A)T = 0.5772 0.1951 0.2277 0.5432 -0.0757 -0.4674 0.3769 -0.6780 0.3010J = 2.8820 - 0.0000i 0 0 0 0.2235 0 0 0 -3.1055 (3) 判斷系

8、統(tǒng)的能控能觀性，如果能控（或能觀），則求出對應的能控（能觀）標準型。 M=ctrb(A,B),rank(M)M = 2 4 16 1 6 8 1 2 12ans = 3系統(tǒng)能控 N=obsv(A,C),rank(N)N = 0 0 1 0 2 0 6 -2 2ans = 3系統(tǒng)能觀 a=poly(F), y=poly2sym(a)a = 1.0000 -0.0000 -9.0000 2.0000y =求能控標準型： Tc=M*a(3) a(2) 1;a(2) 1 0;1 0 0,A=inv(Tc)*A*Tc,B=inv(Tc)*B,C=C*Tc，D=0Tc = -2.0000 4.0000 2

9、.0000 -1.0000 6.0000 1.0000 3.0000 2.0000 1.0000A = -0.0000 1.0000 0 -0.0000 0 1.0000 -2.0000 9.0000 0.0000B = 0 -0.0000 1.0000C =3.0000 2.0000 1.0000D = 0 To1=m(3) m(2) 1;m(2) 1 0;1 0 0*N,To=inv(To1)求能觀標準型：To1 = 6.0000 -2.0000 -7.0000 0 2.0000 -0.0000 0 0 1.0000To = 0.1667 0.1667 1.1667 0 0.5000 0.

10、0000 0 0 1.0000 A2=inv(To)*A*To,B2=inv(To)*B,C2=C*To,D=0A2 = -0.0000 -0.0000 -2.0000 1.0000 -0.0000 9.0000 0 1.0000 0.0000B2 = 3.0000 2.0000 1.0000C2 = 0 0 1D = 03.系統(tǒng)分析與綜合已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)（1） 在Simulink中繪制模擬結構圖，實現(xiàn)該系統(tǒng)的 串聯(lián)實現(xiàn)和并聯(lián)實現(xiàn)（2）以上述系統(tǒng)的串聯(lián)實現(xiàn)為基礎，實驗研究： 系統(tǒng)在初始條件作用下的狀態(tài)響應和輸出響應 系統(tǒng)在階躍輸入信號作用下的狀態(tài)響應和輸出響應1s時加加階躍信號，2s時減去輸入信號（3）以上述系統(tǒng)的串聯(lián)實現(xiàn)為基礎，設計狀態(tài)反饋控制器 要求：系統(tǒng)輸出的最大超調(diào)量不超過 16.8%，調(diào)節(jié)時間小于1秒。 計算系統(tǒng)輸出的實際的性能參數(shù)（最大超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等） A=-3 1 0;0 -2 1;0 0 0,B=0 6 6,C=1 0 0,D=0,K=place(A,B,-5+5j,-5-5j,-1)A = -3 1 0 0 -2 1 0 0 0B = 0 6 6C = 1 0 0D = 0K = 4.8333 0.8333 0.1667仿真結果:系統(tǒng)輸出的最大超調(diào)量不超過 16.8%，調(diào)節(jié)時