现代控制理论复习

现代控制理论复习要点第二章控制系统的状态空间描述小结一、建模：状态空间描述（现代控制：内部描述）1、对象：① 线性时不变系统；② 离散时间系统；③ 时变系统；④ 非线性系统。

2、模型形式（状态空间表达式）：① 一阶微分方程组（一阶差分方程组）；② 向量-矩阵形式；③ 系统方框图；④ 状态变量图。

3.方法（途径）：①（已知）系统机理→（求）状态空间表达式；②（已知）输入输出描述（经典控制：外部描述）→实现问题（求）状态空间表达式（现代控制：内部描述）a 、（已知）方块图→（求）状态空间表达式；方块图→无零点惯性环节有零点惯性环节二阶振荡环节状态变量图→将积分器的输出作为状态变量状态空间描述b 、（已知）传递函数阵/高阶微分方程（脉冲传递函数阵/高阶差分方程）→（求）状态空间表达式))a b 无零点实现：能控标准型、能观标准型直接分解法：能控标准型、能观标准型最小实现有零点实现串联分解法(串联实现)并联分解法（并联实现或约旦标准型实现）：无重极点;有重极点二、状态变量的线性变换1、系统状态空间表达式的非唯一性2、系统的不变性① 特征值不变性/特征多项式系数（特征方程）不变性；② 传递函数矩阵不变性；③ 系统的能控性与能观性不变性。

3、状态空间表达式→约旦标准型三、状态空间表达式（现代控制：内部描述）→传递函数阵（经典控制：外部描述）1. 已知()()()()()()()()()()x t A t x t B t u t y t C t x t D t u t =+= ＋，求传递函数1()()()adj s s G s s s --+-=-+=-C I A B D I AC I A BD I A四、组合系统1．（已知）若干子系统的并联、串联、输出反馈联结→（求）状态空间描述或传递函数阵第三章状态方程的解小结一、求状态方程的解1、对象：线性系统① 连续时间系统：定常（齐次、非齐次）、时变（齐次、非齐次）② 离散时间系统：定常（齐次、非齐次）、时变（齐次、非齐次）2、解的形式如线性时变连续时间系统非齐次（对象）状态方程的解为：000()(,)()(,)()()t t x t t t x t t B u d ττττ=Φ+Φ?3、求解的关键求解状态方程的关键是求出状态转移矩阵0(,)t t Φ（重点和难点）；① 掌握状态转移矩阵的1）定义；2)基本性质；3)如何求；② 注意状态转移矩阵与矩阵指数的区别与相同点；③ 线性定常（时不变）连续时间系统状态转移矩阵（矩阵指数）的求法。

《现代控制理论》复习题1二、（15分）考虑由下式确定的系统： 233)(2+++=s s s s G 试求其状态空间实现的能控标准型、能观标准型和对角线标准型，并画出能控标准型的状态变量图。

解： 能控标准形为[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21212113103210x x y u x x x x能观测标准形为[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21212110133120x x y u x x x x对角标准形为[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21212112112001x x y u x x x x三、（10分）在线性控制系统的分析和设计中，系统的状态转移矩阵起着很重要的作用。

对系统x x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=3210求其状态转移矩阵。

解：解法1。

容易得到系统状态矩阵A 的两个特征值是2,121-=-=λλ，它们是不相同的，故系统的矩阵A 可以对角化。

矩阵A 对应于特征值2,121-=-=λλ的特征向量是 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=21,1121νν取变换矩阵 []⎥⎦⎤⎢⎣⎡--==-1112121ννT ， 则 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-21111T因此， ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--==-20011TAT D 从而，⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=-------------t t tt t t t t t t t t Ate e ee e e e e e e T e e T e22222212222111200211100解法2。

拉普拉斯方法 由于⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+++-+++-+-++-+=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++-+++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+++=--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=---2211221221112112)2)(1()2)(1(2)2)(1(1)2)(1(32132)3(1)(adj )det(1321)(11s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s s A sI A sI s s A sI故 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+---=-==Φ----------t t tt t t tt Ate e ee e e e e A sI L et 2222112222])[()( 解法3。

1、什么是对偶系统，从传递函数矩阵，特征多项式和能控、能观性说明互为对偶的两个系统之间的关系。

答：定义：如果两个系统满足A2=A1T，B2=C1T,C2=B1T，则称这两个系统互为对偶函数。

互为对偶系统传递函数矩阵互为转置特征多项式相同，一个函数的能控性等价于另一个函数的能观性。

2、什么是状态观测器？简述构造状态观测器的原则。

答：系统的状态不易检测，以原系统的输入和输出为输入量构造，一动态系统，使其输出渐近于原系统状态，此动态系统为原系统的状态观测器。

原则：（1）观测器应以原系统的输入和输出为输入量；（2）原系统完全能观或不能观于系统是渐近稳定的；（3）观测器的输出状态应以足够快速度超近于原系统状态；（4）有尽可能低的维数，以便于物理实现。

3、说明应用李氏第二法判断非线性系统稳定性基本思想和方法步骤和局限性。

答：基本思想：从能量观点分析平衡状态的稳定性。

（1）如果系统受扰后，其运动总是伴随能量的减少，当达到平衡状态时，能量达到最小值，则此平衡状态渐近稳定：（2）如果系统不断从外界吸收能量，储能越来越大，那么这个平衡状态就是不稳定的：（3）如果系统的储能既不增加也不消耗，那么这个平衡状态时李亚普诺夫意义下的稳定。

方法步骤：定义一个正定的标量函数V（x）作为虚构的广义能量函数，然后根据V（x）=dV（x）/dt的符号特征来判别系统的稳定性。

局限性：李雅普诺夫函数V(x)的选取需要一定的经验和技巧。

4、举例说明系统状态稳定和输出稳定的关系。

答：关系：（1）状态稳定一定输出稳定，但输出稳定不一定状态稳定；（2）系统状态完全能观且能控=状态稳定与输出稳定等价。

举例：A的特征值=-1 =1 所以状态不是渐进稳点的，W(s)的极点S=-1，所以输出稳点。

5、什么是实现问题？什么是最小实现？说明实现存在的条件。

答：（1）由系统的运动方程或传递函数建立SS表达式的问题叫做实现问题；（2）维数最小的实现方式时最小实现；（3）存在条件是m小于等于n。

现代控制理论复习（*为重点）第一章一、*线性定常连续系统如何建立状态空间表达式：状态方程，输出方程1.*实际系统，运动方程状态方程：状态变量的一阶导数构成的方程组输出方程：状态变量的个数与独立储能元件有关2.*模拟结构图，方框图状态变量从右往左设，每个积分器的输出为一个状态变量，输入为状态变量的导数。

3.*传递函数，微分方程（有无数种）典型的状态空间表达式（为了研究方便）：能控标准型（两种），能观标准型（两种），约旦标准型。

其中任意两种状态空间表达式都是状态变量线性变换的关系。

1）能控标准I型：A：友矩阵b：（0,0,1）c:（b0,b1,b2）d：（传递函数分子分母阶次相同时有）2）能观标准I型：A：b:（长除法）c：根据对偶原理写出：能控标准II型/能观标准II型3）约旦标准型模拟结构图并联形式无重根，有重根*如何变换成约旦阵(对角阵)？如何构成线性变换阵T？1.无重根1）代数余子式（参考）2）定义（特征值,特征矢量）：T=(p1,p2…)2.有重根广义特征矢量：T=（p1,p2…）*状态空间表达式求传递函数W(s)=公式二、*非线性系统线性化处理给平衡状态进行线性化处理三、线性定常离散系统：G(z) G H*求传递函数G(z)=四、时变系统，传递函数阵不考第二章*线性定常系统方程求解一、状态转移矩阵的性质二、*四种方法求状态转移矩阵：1．定义法（展开）：开放形式2．*拉式反变换3．*对角阵/对角化4．凯莱哈密顿定理三、离散系统定义，*z反变换*线性定常连续系统离散化直接离散，近似离散时变，非线性系统不考第三章判定系统的能控性：1.模拟结构图2.对角阵/约旦阵（A,B）3.*能控判定阵M4.*能控标准型5.部分传递函数(sI-A)^(-1)B无零极点对消判定系统的能观性1.模拟结构图2.对角阵/约旦阵（A,C）3.*能观判定阵N4.*能观标准型5.部分传递函数C(sI-A)^(-1)无零极点对消线性定常系统的对偶关系*能控能观分解1.能控判定阵的秩→判断有几个变量能控→使线性变换阵非奇异的(n-m)个列矢量2.能观判定阵的秩→同上3.如果一个状态空间表达式能控则能变换成能控标准型（*能控II 简单）4.如果一个状态空间表达式能观则能变换成能观标准型（*能观I 简单）*最小实现所有状态变量既能控又能观如何寻找？1.能控能观分解→能控能观2. （了解）传递函数→能控（观）标准型→按能观（控）性分解→找出能控能观第四章现代控制理论：平衡状态稳定性（平衡点可能不止一个）第一法（间接法）线性定常系统→看特征值→左半平面→稳定非线性系统线性化→看特征值→左半平面，右半平面，虚轴特征值和闭环极点在传递函数无零极点对消时是相同的第二法（直接法）李雅普诺夫稳定，渐进稳定，大范围渐进稳定，不稳定李雅普诺夫函数（能量函数）V判断初始状态要有能量（V>0）V通常取二次型形式比较简单渐进稳定：V>0，对V求导，求得后：1）V的导数小于02）V的导数小于等于0→判断在x不为0时，V的导数恒不为零3）判断是否大范围渐进稳定如何求平衡状态？x的导数=A*x=0 (不管b*x)李雅普诺夫方法在线性定常连续系统渐进稳定依据第五章三种反馈控制方式，相应性能，对能控能观的影响，改善系统性能极点任意配置：原系统完全能控→状态反馈任意极点配置输出反馈不能实现任意极点配置（特别是单输入输出）原系统完全能观→输出到x导数端反馈实现任意极点配置系统镇定（特征值均在左半平面）状态反馈：不能控子系统渐进稳定输出到x导数端反馈：不能观子系统渐进稳定输出反馈：解耦问题（能解耦标准形不考）*状态解耦，积分型解耦系统状态观测器状态重构状态观测器的输入？输出？能构建的条件：完全能观或不能观子系统渐进稳定如果完全能观：可以通过G调节x的估计值接近x的速度全维状态观测器：可实现极点配置降维状态观测器（不考）习题1.状态空间表达式求传递函数（或传递函数阵）零极点对消，说明该系统（不）能控（不）能观。

现代控制理论复习题1.自然界存在两类系统：静态系统和动态系统。

2.系统的数学描述可分为外部描述和内部描述两种类型。

3.线性定常连续系统在输入为零时，由初始状态引起的运动称为自由运动。

4.稳定性、能控性、能观测性均是系统的重要结构性质。

5.互为对偶系统的特征方程和特征值相同。

6.任何状态不完全能控的线性定常连续系统，总可以分解成完全能控子系统和完全不能控子系统两部分。

7.任何状态不完全能观的线性定常连续系统，总可以分解成完全能观测子系统和完全不能观测子系统两部分。

8.对状态不完全能控又不完全能观的线性定常连续系统，总可以将系统分解成能控又能观测、能控但不能观测、不能控但能观测、不能控又不能观测四个子系统。

9.对SISO系统，状态完全能控能观的充要条件是系统的传递函数没有零极点对消。

10.李氏稳定性理论讨论的是动态系统各平衡态附近的局部稳定性问题。

11.经典控制理论讨论的是在有界输入下，是否产生有界输出的输入输出稳定性问题，李氏方法讨论的是动态系统各平衡态附近的局部稳定性问题。

12.状态反馈和输出反馈是控制系统设计中两种主要的反馈策略。

13.综合问题的性能指标可分为优化型和非优化型性能指标。

14.状态反馈不改变被控系统的能控性；输出反馈不改变被控系统的能控性和能观测性实对称矩阵P为正定的充要条件是P的各阶顺序主子式均大于零。

15.静态系统：对于任意时刻t，系统的输出唯一地却绝育同一时刻的输入，这类系统称为静态系统。

16.动态系统：对于任意时刻t，系统的输出不仅和t有关，而且与t时刻以前的累积有关，这类系统称为动态系统。

17.状态；状态方程：状态：系统运动信息的合集。

状态方程：系统的状态变量与输入之间的关系用一组一阶微分方程来描述的数学模型称之为状态方程。

18.状态变量：指能完全表征系统运动状态的最小一组变量。

状态向量：若一个系统有n个彼此独立的状态变量x1（t），x2（t）…xn（t），用它们作为分量所构成的向量x（t），就称为状态向量。

现代控制理论课程复习要点现代控制理论课程复习要点第一章1.已知系统的状态方程和输出方程（以线性方程组的形式给出），如何写出其向量-矩阵方程并画出状态变量图。

2. 已知系统的状态空间模型表达式，如何将其转换为对角线规范型。

（注意复习3*3矩阵的求逆、行列式计算的方法，切记）该类题目具体做法有两种：（1）方法一：求出该系统特征值，特征向量，利用特征向量构成非奇异转换矩阵P ，然后利用线性转换公式：11,,A P AP B P B C CP --=== 求出对应对角线规范型。

（2）方法二：求出该系统特征值，利用特征值，构成范德蒙德矩阵，并将该矩阵作为非奇异转换矩阵P ，然后利用线性转换公式：11,,A P AP B P B C CP --=== 求出对应对角线规范型。

第二章1. 已知系统状态转移矩阵()t Φ，如何求出该系统状态方程中的系统矩阵A 的值；该题的主要考点在于：()t Φ的一阶导数在t=0时的值为A ，即t 0()|A t ==Φ。

2.已知状态空间模型，如何求输入()u t 为单位阶跃函数时，该状态空间表达式的解；（利用非齐次状态空间模型的解公式求就可以了）3. 已知线性定常系统齐次状态方程，试利用特征值规范型方法求出状态转移矩阵()t Φ。

具体解法：（1）先求出该系统的特征值：s -0I A = ，特征值分别为123λλλ，， ;（2）根据特征值123λλλ，，求对应的特征向量123,,p p p ，并以此构成非奇异转换矩阵[]123=P p p p ；（3）根据特征值规范型的特性可知，特征值规范型系统的状态转移矩阵为12300(t)000tt t e e e λλλΦ=?? （4）最后将该状态转移矩阵转换回普通形式的状态转移矩阵1(t)P (t)P -Φ=Φ .第三章1. 已知线性定常系统的状态方程（该方程中含未定参数），试确定系统在平衡状态处大范围渐进稳定时，这些未定参数应满足的条件。

《现代控制理论》复习题一、填空题1动态系统的状态是一个可以确定该系统____________ 的信息集合。

这些信息对于确定系统_ 的行为是充分且必要的。

2 .以所选择的一组状态变量为坐标轴而构成的正交____________________________ 空间，称之为_________________ 。

3. _______ 定义：线性定常系统的状态方程为双t) Ax(t) Bu(t),给定系统一个初始状态x(t0)X o,如果在b t。

的有限时间区间［tit］内,存在容许控制u(t),使x(t i) 0,则称系统状态在t o时刻是________ 的;如果系统对任意一个初始状态都, 称系统是状态完全_________ 的。

x(t) Ax(t) Bu(t)4•系统的状态方程和输出方程联立，写为y(t)Cx(t) Du(t)，称为系统的__________________________ ,或称为系统动态方程，或称系统方程。

5•当系统用状态方程x Ax Bu表示时，系统的特征多项式为。

7 0 02(I)& 0 5 0 x0 u6.设有如下两个线性定常系统0 0 19则系统(1 ) , ( II )700 0 1(II ) &050 x 4 0 u00 1 7 5的能控性为，系统(1 ) ,系统(II ) < 7 •非线性系统x f(X)在平衡状态x e处一次近似的线性化方程为& Ax，若A的所有特征值______________________________ ，那么非线性系统& f(x)在平衡状态X e处是一致渐近稳定的。

8•状态反馈可以改善系统性能，但有时不便于检测。

解决这个问题的方法是：____________ 一个系统，用这个系统的状态来实现状态反馈。

9•线性定常系统齐次状态方程解x(t) to)x(t o)是在没有输入向量作用下，由系统初始状态X(t o) X。

《现代控制论》复习内容考试注意事项：1. 不准携带任何答案和书籍，违者零分处理。

2. 需携带电子计算器3. 希望大家认真复习一、 复习内容第一章：1.1状态变量及状态空间表达式1.2 状态空间表达式的模拟结构图1.3 状态空间表达式的建立（一）其中重点复习：从系统的机理出发建立状态空间表达式（例1-5直流他励电动机），1.4 状态空间表达式的建立（二）其中重点复习：传递函数中没有零点时的实现。

1.6 从状态空间表达式求传递函数第二章2.1线性定常齐次状态方程的解（定义法求解，标准型求解，利用拉氏反变换求解，应用凯莱-哈密顿定理求解，在做题时可以采用其中一种）2.5 离散时间系统状态方程的解（需要仔细看理论部分的求解过程，具体可以参考例2-11）第三章3.1 能控性的定义3.2 线性定常系统的能控性判别（转换成标准型进行判别，或者直接由A 和B 判别，可参考例3-1，例3-2，例3-3，例3-4，例3-5，考试时可选一种方式进行判别）3.9 传递函数矩阵的实现问题（重点复习最小实现，可参考例3-19，例3-20）第四章4.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义4.2李雅普诺夫第一法（可参考例4-1，例4-2）4.3李雅普诺夫第二法（例4-4，例4-5，例4-6，例4-7，例4-8）4.4 李雅普诺夫方法在线性系统中的应用（例4-9，例4-10，例4-11）二、 课后习题答案第一章（解题方法可以参考书中例题和讲义，略）第二章2.4：求解过程可参考书中的四种方法123311243312cos 2sin 2(1)2sin 2cos 2()()(2)()()Att t t t At t t t t t t e t t e e e e e e e e e -----⎡⎤=⎢⎥⎣⎦⎡⎤+-=⎢⎥-+⎣⎦2.6：解223300220111,A 002!3!1(),01()()(0)()()1110101101111211()[1,0]12At t t A e I At A t A t t t x t t x t Bu d t t d t t t y t x t t τττττ⎡⎤==++++⎢⎥⎣⎦⎡⎤Φ=⎢⎥⎣⎦=Φ+Φ--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎡⎤++⎢⎥=⎢⎥+⎣⎦==+⎰⎰由将带入得带入注：求解方法也可以采用三种法2.11解首先写出 01()(1)(2)G s s s =++的状态空间表达式 011()(1)(2)G s s s =-++ []000101,02111A B C -⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦=-求其状态转移矩阵0200tA t t e e e --⎡⎤=⎢⎥⎣⎦对000(,,)A B C 进行离散化，包括零保持器。

《现代控制理论》复习题一、填空题1．动态系统的状态是一个可以确定该系统 的信息集合。

这些信息对于确定系统 的行为是充分且必要的。

2．以所选择的一组状态变量为坐标轴而构成的正交 空间，称之为 。

3． 定义: 线性定常系统的状态方程为()()()x t Ax t Bu t =+&,给定系统一个初始状态00()x t x =,如果在10t t >的有限时间区间10[,]t t 内,存在容许控制()u t ,使1()0x t =,则称系统状态在0t时刻是的;如果系统对任意一个初始状态都 , 称系统是状态完全 的。

4．系统的状态方程和输出方程联立，写为⎩⎨⎧+=+=)()()()()()(t Du t Cx t y t Bu t Ax t x &，称为系统的 ，或称为系统动态方程，或称系统方程。

5．当系统用状态方程Bu Ax x+=&表示时，系统的特征多项式为 。

6．设有如下两个线性定常系统7002()05000019I x x u -⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦&则系统（I ），（II ）70001()0504000175II x x u -⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦&的能控性为，系统（I ） ,系统（II ） 。

7．非线性系统()xf x =&在平衡状态e x 处一次近似的线性化方程为x Ax =&，若A 的所有特征值 ，那么非线性系统()x f x =&在平衡状态e x 处是一致渐近稳定的。

8．状态反馈可以改善系统性能，但有时不便于检测。

解决这个问题的方法是： 一个系统，用这个系统的状态来实现状态反馈。

9．线性定常系统齐次状态方程解)()(0)(0t x e t x t t A -=是在没有输入向量作用下，由系统初始状态0)(x t x =激励下产生的状态响应，因而称为 运动。

10．系统方程()()()()()x t Ax t bu ty t cx t=+⎧⎨=⎩&为传递函数()G s的一个最小实现的充分必要条件是系统。

《现代控制理论》复习资料《现代控制理论》复习资料题型一：已知系统传函，求①能控标准型、能观标准型②约旦标准型例题：P155 3-4、3-9解题步骤：1）根据传函→能控能观标准型传函：0122111012211)(a s a s a s a s s s s s W n n n n n n n n n +++++++++=--------- ββββ① 根据传函有无零极点对消判断是否能观能控② 写出能控标准Ⅰ型(以三阶为例)---=210100010a a a A=100b ][210βββ=c③ 写出能观标准Ⅱ型(以三阶为例)---=210100100a a a A =210βββb ]100[=c2）根据能控标准型→约旦标准型① 求λi ，Pi0||=-A I λ，求得λiλi 互异时，λiPi=APiλi 有重根时，λ1P 1-AP 1=0λ2P 2-AP 2=-P 1λ3P 3-AP 3=-P 2② 求T,T -1T=(P 1，P 2...P n )③ 求T -1AT,T -1B,CTBu T ATz T Z 11--?+=Du CTz y +=题型二：已知状态空间表达式，求①画模拟结构图②判断能控性、能观性③系统传函例题：P56 1-7解题步骤：1）状态空间表达式→模拟结构图P152）状态空间表达式→判断能控、能观性见题型四3）状态空间表达式→传函方法一：根据模拟结构图直接写出传函 (见P23 图)方法二：① 先求1)()(---A sI A sI 、② D b A sI C s W +-=-1)()(题型三：已知状态空间表达式，①求At e t =)(φ②u(t),求x(t)例题：P69 例2-8 P87 例2-6,2-4解题步骤：1)求)(t φ方法一：化为约旦标准型1-=T Te e At At① 求λi ，Pi② 求T,T -1③ 1-=T Te e At At方法二：拉氏反变换])[(11---=A sI L e At① 求1)()(---A sI A sI 、② ])[(11---=A sI L e At方法三：用凯莱-哈密顿定理① 求λi② 求αi (t)③ 两个特征值：I t A t e At )()(01αα+=三个特征值：I t A t A t e At )()()(012ααα++=2)求x(t)τττφφd Bu t x t t x t)()()0()()(0?-+=题型四：已知状态空间表达式(含参数)，判断能控性、能观性(三阶) 例题：P154 3-1解题步骤：方法一：化为约旦表达式A 的特征值互异部分，B 中各行不全为0，则能控；C 中各列不全为0，则能观；A 的特征值相同部分，B 中每个约旦块最后一行不全为0，则能控；C 中每个约旦块第一行不全为0 ，则能观。

输入变量 输出变量 状态变量状态向量中变量的个数n 称为状态的维数，也称为系统的维数 状态变量的选取不唯一，但最小个数是一定的 系统状态空间描述：1、状态方程 2、输出方程SISO:du x c y u b x A xT +=+=MIMO:uD x C y u B x A x +=+=2-2 由 传递函数 建立系统的 状态空间表达式能控标准实现： 各积分器的输出组合成总输出（γ，β） 能观标准实现： 输入作用到各个积分器（β，γ） 约当实现对于n 阶系统，必含有n 个积分器，将积分器的输出作为状态变量能控标准实现I 型： 反馈作用到个积分器输入 能控标准实现II 型： 各积分器输出反馈到总输入能观标准实现1、2型与能控标准实现规律相同记忆图中α，β，γ的方向：α 与x 的方向始终相同 对于γ控↓ 观↑对于x,y ，I 异II 同（对于能控而言，能观刚好相反）能控1型： AC1, BC1，CC1T[]uy x y y y y u x xn n n +=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=--011110``````0``````0111``````010ααα能控2型：A 等于AC1转置B 、C 分别等于B 、C 倒过来能观1型与能控2型互为对偶关系： 二者的A 互为转置二者的B 、C 互换，但是要注意横向量和竖向量问题能观2型与能控1型互为对偶关系：（反映在框图中为综合点和引出点互换，积分器输入输出 互换，信号线方向取反）对角标准实现和约当标准实现是指：A 为对角矩阵或约当矩阵2-3 线性变换非奇异：可逆矩阵为非奇异，矩阵的秩≠0为非奇异线性非奇异变换，可逆变换通过线性非奇异变换，系数矩阵变成一样的，则两个系统是代数等价的特征多项式、特征方程、特征根、特针值、特征向量 其中非奇异变换只改变特征向量，变为x T1-，其余皆不改变N 个相异特征根有N 个特征向量，反之，不一定成立，重根现象用非奇异线性变换将系统化为能控能观标准型 没有看化为对角型：①充要条件：N 个线性独立的特征向量（特征根互异 OR A I -λ降秩数=特征根重数）T 是一个方阵化为约当型：给定条件： 矩阵降秩数 ≤ 特征根重数造成的后果：第一次解的时候解不出N 个特征向量，只能解出 （N —降秩数） 个接下来解的时候应该看每一个解出来的特征向量里的元素的个数，有几个 元素就一共可以解出多少个特征向量，如（1,2,3,0，0，0）则接下来可 以解出（0,1,1,0，0,0） （0,0,1,0,0,0），数字是随意编的，大概是这个 意思之后的地推公式（虽然不知道怎么来的，线代书上应该有，貌似有那么一点印象）：1,2,)(i i P P A I -=-λ凯莱·哈密顿定理自己试着背诵一下吧伴随矩阵：对每一个元素求行列式，然后转置最小多项式： 首项系数为1 的，阶次最小的多项式 特点： 1、阶次 ≤ N 2、存在且唯一 3、能整除)(s ϕ4、)(A sI adj - 所有元素的公因式d(s), ()()()s d s s m ϕϕ=5、()()()()md m d d ms s s s λλλϕ-•••--=21212-4 系统的传递函数矩阵根据p 维输入q 维输出，做拉普拉斯变换得：状态 伴随×B 伴随×B 输入 = （sI-A)-1 B = 秩 = φ（s ）输出 C × 伴随×B C × 伴随×B 输入 = C （sI-A)-1 B+D = 秩 +D = φ（s ） +D = G(s)其中要注意两个式子ij g 的表示方法严格真有理分式 分子的阶数 < 分母的阶数真有理分式 分子的阶数 ≤ 分母的阶数(书上介绍的情况是等于)多输入多输出系统传递矩阵特点：1、D=0时，才是 严格真有理分式 D=G(∞)2、系统稳定，特征根都有负的实部时， 静态增益矩阵 G （0）3、线性非奇异变换 不改变 输入输出 的传递函数矩阵4、()()()()()()()s Bs CP S B s CP s d A sI B A sI Cadj m ϕϕ==--det系统传递函数矩阵的递推算法：两个基本公式:1、特征多项式2、伴随矩阵的特征多项式写法通过二者的对比计算可以得出 第二个式子 中的 系数矩阵 的值将输入输出方程求出的传递函数矩阵列出： 把伴随矩阵化为多项式写法 求得系数 EE 的求法和规律：CBE CB a B CA a B CA E CBa B CA a B CA E n n n n n n n =+⋅⋅⋅++=+⋅⋅⋅++=-------123121121101、系数永远是从a n-1 开始，第一个系数永远是12、变化的只有A 的幂次方，最开始的幂次方数和E 的下角标之和为n-13、最后一个永远是CB2-5 系统的连接 并联 串联反馈连接并联：1、两个个系统 输入、输出维度 分别相等2、()()()s G s G s G 21+=串联：1、系统1 的输出维度为系统2输入维度2、()()()s G s G s G 21=输出反馈连接：1、系统1 的输入和系统2 的输出维度相同 系统1 的输出和系统2 的输入维度相同2、()()()()s G s G s G s G 2111+=2-6 线性系统状态方程的解线性状态方程的解： 对于线性齐次微分方程：基解矩阵 状态转移矩阵 状态转移矩阵的性质：1、关于逆的性质()()10011,,t t t t φφ=-2、传递性3、状态转移矩阵的初始矩阵4、求导5、对偶系统矩阵()t A T-的状态转移矩阵为()[]10,-t t Tφ不懂对于线性非齐次微分方程： 设()()()t z t t t x 0,φ=注：此处加上z （t ），是因为想要保持住()0,t t φ，这里的()0,t t φ就是前面的()0,t t φ，具有前面的所有性质继而通过对x （t ）的导数的计算求出z （t ）的导数，接着通过积分求出 z （t ） ()()00t x t z 即为 最后得到状态变量x （t ）=零输入解 + 零状态解对于线性定常系统，状态转移矩阵 是时间差的函数()()00,t t t t -=φφ因而得到的状态变量方程又可以表示为： 自己背诵理解()0t t -φ的线性定常系统的性质：1、逆矩阵性质（注意： 以后此处的t 指的就是时间差）2、传递性()()()1212t t t t +=φφφ3、初始矩阵()()()()()It t t t ==-=-φφφφφ104、矩阵求导： 对自身求导，对它的逆求导5、状态转移矩阵()t φ和A 可交换6、对偶系统矩阵()t A T-的状态转移矩阵为()[]1-t Tφ 不懂矩阵指数函数定义：?=Ate有关时间的状态的表达式()()()()t Ax t xx e t x t t A ==- 0At e 的性质：1、幂和()ττ+=t A A Ate e e2、幂积At Ate e--=1)(3、AB=BA 时，矩阵幂和才成立即()t B A Bt Ate e e+=4、凯莱哈密顿定理的应用：当A 的特征根互异时，可求得转换后的系数。

1．系统状态变量选择原则：标量相互独立、个数等于微分方程的阶数。

2．X点=Ax+Bu Y=Cx+Du；A系统矩阵B输入矩阵C 输出矩阵D直接转移矩阵G系数矩阵H输出反馈矩阵3．线性系统的状态模拟结构图的三个基本环节是：积分器、加法器、比例器。

4．线性系统状态方程的建立有哪四种方法：a 根据系统的机理建立b 由系统微分方程建立c 由方框图导出d 由传递函数导出。

5．I(t)的意义：状态转移矩阵；计算方法有：a直接计算法b拉氏反变换法c特征值法d化e At为A的有限项法。

6．线性定常系统X点=Ax+Bu的能控性意义是：给定一个初始状态，X(t0)在t> t0的有限区间[t0 ，t1]内，能找到控制u(t1)=0，使X(t1)=0则称系统状态在t0时刻是能控的；如果系统对任意一个初始状态都能控，则称系统是状态完全能控的，其能控阵Qc=[B AB A2BA3B A(N-1)B] Rank(Qc)=n7．若线性定常系统的A为对角标准型，系统状态完全能控的判据是：B波阵中不包括元素全为零的行；若线性定常系统的A为约当标准型系统状态完全能控的判据是：B波阵中对应于每个约当块Ji(i=1，2，3…k)最后一行元素不全为零。

8．线性定常连续系统E(A，B，C，D)输出完全能控的充要条件是：输出能控性矩阵Rank [CB CABCA2B CA3B CA(N-1)B D]=m，m为系统输出矢量的维数。

9，线性定常系统E(A，B，C)状态能观测的意义：如果在[t0t1]内，通过观测Y(t),能唯一确定系统的初始状态X(t0)，则称系统在Xo是能观测的，若系统对任意的初始状态都能观测，则称系统是状态完全能观测的。

判断系统完全能观测的充要条件是：Rank(Qo)= Rank [C CA CA2CA3B CA(N-1)]T=n。

10，SISO线性定常系统E(A，B，C)，若其传递函数中没有零极点相消现象那么系统一定是既能控又能观测的；若有零极点相消现象那么系统视状态量的选择不同，它有可能是不能控的、不能观测的、亦或是不能控又不能观测的。

现代控制理论复习总纲判断题部分 5题×2＝10一、（10分，每小题1分）试判断以下结论的正确性，若结论是正确的，则在括号里打√，反之打×。

1、具有对角标准形状态空间描述的系统可以看成是由多个一阶环节串联组成的系统。

(× ) 2、传递函数的状态空间实现不唯一的一个主要原因是状态变量选取不唯一。

(√ ) 3、状态变量是用于完全描述系统动态行为的一组变量，因此都具有物理意义。

( × ) 4、输出变量是状态变量的部分信息，因此一个系统状态能控意味着系统输出能控。

(× ) 5、等价的状态空间模型具有相同的传递函数。

(√ )6、若传递函数存在零极相消，则对应的状态空间模型描述的系统是不能控的。

(× )7、若线性系统是李雅普诺夫意义下稳定的，则它是大范围渐近稳定的。

( √ )8、若一线性定常系统的平衡状态是渐近稳定的，则从系统的任意一个状态出发的状态轨迹随着时间的推移都将收敛到该平衡状态。

(√ )9、状态反馈控制可改变系统的稳定性、动态性能，但不改变系统的能控性和能观性。

(× ) 10、如果一个系统的李雅普诺夫函数确实不存在，那么我们就可以断定该系统是不稳定的。

(× ) 11.描述系统的状态方程不是唯一的。

√12.用独立变量描述的系统状态向量的维数不是唯一的。

×13.对单输入单输出系统，如果1()C sI A B --存在零极点对消，则系统一定不可控或者不可观测。

√ 14.对多输入多数出系统，如果1()sI A B --存在零极点对消，则系统一定不可控。

× 15.李雅普诺夫直接法的四个判定定理中所述的条件都是充分条件。

√16.李雅普诺夫函数是正定函数，李雅普诺夫稳定性是关于系统平衡状态的稳定性。

√ 17.线性定常系统经过非奇异线性变换后，系统的可控性不变。

√ 18.用状态反馈进行系统极点配置可能会改变系统的可观测性。