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实验一 现代控制理论实验材料.doc
实验1:用MATLAB语言对状态空间模型进行分析
一.实验目的:
1.掌握状态方程和输出方程输入语句G=ss(A,B,C,D)的用法
2.求状态方程的解
3.判断系统的能控性与能观性
4.判断系统的稳定性
二.实验原理:
1.掌握状态方程和输出方程输入语句G=ss(A,B,C,D)的用法对于线性时不变系统来说,其状态方程为
在Matlab下只需将各系数矩阵输到工作空间即可。
调用格式: G=ss(A,B,C,D)
例1. 双输入双输出系统的状态方程表示为
,
该状态方程可以由下面语句输入到MATLAB工作空间去。
A=[1,2,0,4;3,-1,6,2;5,3,2,1;4,0,-2,7];
B=[2,3;1,0;5,2;1,1];
C=[0,0,2,1;2,2,0,1];
D=zeros(2,2);
G=ss(A,B,C,D)
2.矩阵eAt的数值计算
在Matlab中,给定矩阵A和时间t的值,计算矩阵指数eAt的值可以直接采用基本矩阵函数expm()。Matlab的expm()函数采用帕德(Pade)逼近法计算矩阵指数eAt,精度高,数值稳定性好。
expm()函数的主要调用格式为:Y = expm(X)
其中,X为输入的需计算矩阵指数的矩阵,Y为计算的结果。
例2.(1)试在Matlab中计算矩阵 的矩阵指数eAt。
syms t
A=[0 1;-1 -3];
eAt=expm(A*t)
(2)求在t=0.3时的矩阵指数eAt的值。
A=[0 1;-1 -3];
eAt=expm(A*t)
t=0.3?;
eAt03=expm(A*t)
3.求状态方程的解
例3.已知SISO系统的状态方程为
(选作)(1),,求当t=0.5时系统的矩阵指数及状态响应;
矩阵指数:A=[0,1;-2,-3]; expm(A*0.5)
状态响应:x0=[1;-1];x=expm(A*0.5)*x0
(选作)(2),,绘制系统的状态响应及输出响应曲线;
程序: A=[0,1;-2,-3];B=[3;0];C=[1,1];D=0;
G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=step(G);
figure(1);
plot(t,x) ; %状态响应:
figure(2);
plot(t,y);%输出响应:
(选作)(3),,绘制系统的状态响应及输出响应曲线;
程序:
A=[0,1;-2,-3];B=[3;0];C=[1,1];D=0;
t=[0:.04:4];u=1+exp(-t).*cos(3*t);
G=ss(A,B,C,D);[y,t,x]=lsim(G,u,t);
figure(1);
plot(t,x) %状态响应:
figure(2);
plot(t,y) %输出响应:
(选作)(4),,绘制系统的状态响应及输出响应曲线;
程序:A=[0,1;-2,-3];B=[3;0];C=[1,1];D=0;
t=[0:.04:7];u=0;x0=[1;2];G=ss(A,B,C,D);
[y,t,x]=initial(G,x0,t);
figure(1);
plot(t,x) %状态响应:
figure(2);
plot(t,y)%输出响应:
(5)在余弦输入信号和初始状态下的状态响应曲线。
程序:A=[0,1;-2,-3];B=[3;0];C=[1,1];D=zeros(1,1);
x0=[1;1];t=[0:.04:15]; u=cos(t);
G=ss(A,B,C,D);
G1=tf(G);
[y1,t,x1]=initial(G,x0,t);
[y2,t,x2]=lsim(G,u,t);
y=y1+y2;
x=x1+x2;
plot(t,x);
4.应用MATLAB变连续系统状态空间模型为离散状态空间模型
MATLAB Control system Toolbox 提供的c2d()函数可简化线性定常连续状态方程离散化系数矩阵的求解,设控制输入采用零阶保持器,T为采样周期,其调用格式为
[G,H]=c2d(A,B,T)
例4.连续系统离散花
已知一个连续系统的状态方程是
若取采样周期秒
(1)试求相应的离散化状态空间模型;
程序:syms T
A=[0,1;-25,-4];B=[0;1];
[G,H]=c2d(A,B,T)
(2)分析不同采样周期下,离散化状态空间模型的结果。
A=[0,1;-25,-4];B=[0;1];
[Gz,Hz]=c2d(A,B,0.05)
5.状态能控性能观性判定
Matlab提供的函数ctrb()可根据给定的系统模型,计算能控性矩阵
Qc=[B AB … An-1B]
能控性矩阵函数ctrb()的主要调用格式为:
Qc = ctrb(A,B)
Qc = ctrb(sys)
无论对
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