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第一章自动控制的一般概念一．是非题1．开环控制是一种反馈控制（×）2．开环控制的稳定性比闭环控制的稳定性要好（×）3．线形系统的主要特点是具有齐次性和叠加性（√）4．线性定常系统的各项系数是与时间有关的（×）5．闭环控制的控制精度在很大程度上由形成反馈的测量元件的精度决定的（√）6．自动控制就是采用控制装置使被控对象自动的按给定的规律运行，使被控对象的一个或数个物理量能够在一定的精度范围内按给定的规律变化（√）7．自动控制系统有两种最基本的控制形式即开环控制，闭环控制（√）二．选择题1．下述（D）不属于对闭环控制系统的基本要求。
（A）稳定性（B）准确性（C）快速性（D）节能性2．自动控制系统一般由（D）组成（A）输入和输出（B）偏差和反馈（C）控制量和扰动（D）控制器和被控对象3．在组成系统的元件中，（A），即为非线形系统（A）只要有一个元、器件的特性是非线形的（B）有且只有一个元、器件的特性是非线形的（C）两个及两个以上的元、器件的特性是非线形的（D）所有的元器件的特性都是非线形的4．古典控制理论形成于（D）（A）2000年前（B）1000年前（C）100年前（D）20 世纪20-40年代5．对于一个自动控制、系统的性能要求可以该概括为三个方面：（A）快速性和准确性（A）稳定性（B）定常性（C）振荡性（D）抗干扰性6．传递函数的概念除了适用于定常系统之外，还可以描述（A）系统（A）线形时变（B）非线性定常（C）非线形时变（ D ）以上都不是7．在控制系统中被控制的物理量是被控量，直接改变被变量的元件称为（A）（A）执行元件（B）控制元件（C）调节器（D）测量元件8．在通常的闭环控制系统结构中，系统的控制器和控制对象共同构成了（B）（A）开环传递函数（B）前向通道（C）反馈通道（D）闭环传递函数9．下面数学模型中（D）是线形定常系统的外部描述（A）传递函数（B）微分方程（C）频率特性（D）前面三种都是三．填空题1．自动控制系统的两种最基本形式即开环控制，闭环控制。
自动化专业06级《现代控制理论》试卷答案一、（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，则在其左边的括号里打√，反之打×。
（ √ ）1. 相比于经典控制理论，现代控制理论的一个显著优点是可以用时域法直接进行系统的分析和设计。
（ √ ）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，因此都是具有物理意义。
（ × ）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. 互为对偶的状态空间模型具有相同的能控性。
（ × ）7. 一个系统的平衡状态可能有多个，因此系统的李雅普诺夫稳定性与系统受扰前所处的平衡位置无关。
（ √ ）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. 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。
二、（15分）建立一个合理的系统模型是进行系统分析和设计的基础。
已知一单输入单输出线性定常系统的微分方程为：)(8)(6)()(3)(4)(t u t u t u t y t y t y++=++&&&&&& （1）采用串联分解方式，给出其状态空间模型，并画出对应的状态变量图；（7分＋3分） （2）归纳总结上述的实现过程，试简述由一个系统的n 阶微分方程建立系统状态空间模型的思路。
（5分） 解：（1）方法一：由微分方程可得345213486)(222++++=++++=s s s s s s s s G令352113452)(21++⋅+=+++=s s s s s s s G 每一个环节的状态空间模型分别为：⎩⎨⎧=+−=1111x y u x x & 和 ⎩⎨⎧+−=+−=1212223u x y u x x&又因为11y u =， 所以⎩⎨⎧−=+−=212113x x x u x x&&， 212x x y −= 因此，采用串联分解方式可得系统的状态空间模型为：u x x x x⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡0131012121&& []u x x y +⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=2112对应的状态变量图为：方法二： 由微分方程可得32143486)(22++⋅++=++++=s s s s s s s s s G 每一个环节的状态空间模型分别为：⎩⎨⎧+=+−=u x y u x x 11113& 和 ⎩⎨⎧+−=+−=121223u x y u x x&又因为11y u =， 所以⎩⎨⎧+−=+−=ux x x u x x2121133&&， u x x y +−=213 因此，采用串联分解方式可得系统的状态空间模型为：u x x x x⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡1133012121&& []u x x y +⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=2113对应的状态变量图为（2）单输入单输出线性时不变系统传递函数的一般形式是1110111)(a s a sa sb s b s b s b s G n n nn n n n +++++++=−−−−L L若，则通过长除法，传递函数总可以转化成0≠n b )(s G d s a s c d a s a s a s c s c s c s G n n n n n +=++++++++=−−−−)()()(01110111L L 将传递函数c (s )/a (s )分解成若干低阶(1阶)传递函数的乘积，然后根据能控标准型或能观标准型写出这些低阶传递函数的状态空间实现，最后利用串联关系，写出原来系统的状态空间模型。
2008年建设工程质量、投资、进度控制真题答案解析1．答案：C【解析】建设工程质量的特性主要表现在六个方面，即：适用性、耐久性、安全性、可靠性、经济性和与环境的协调性。
其中适用性是指工程满足使用目的的各种功能；耐久性是指工程在规定条件下，满足规定功能要求使用的年限，也就是工程竣工后的合理使用年限；安全性是指工程在建成后在使用过程中保证结构安全、保证人身和环境免受危害的程度；可靠性是指工程在规定的时间和条件下完成规定功能的能力；经济性是指工程从规划、勘察、设计、施工到整个工程产品使用寿命周期内的成本和消耗费用；与环境的协调性是指工程与其周围生态环境协调，与所在地区的经济环境协调以及与周围已建工程相协调，以适应可持续发展的要求。
所以应选择C 。
2．答案：A【解析】施工图一经审查批准，不得擅自修改。
如遇特殊情况需要进行涉及审查主要内容的修改时，必须报请原审批部门，由原审批部门委托审查机构审查后再批准实施。
因为涉及建筑主体和承重结构变动的装修工程，虽是装修工程，但是是涉及主体和承重结构的装修工程，是属于特殊情况，必须经审查机构审查。
3．答案：C【解析】民用建筑主体结构的耐用年限分为四级（15～30年、30～50年、50～100年、100年以上）。
年以上）。
4．答案：B【解析】法定的国家级工程质量检测机构出具的检测报告，在国内具有最终裁定，在国外具有代表国家的性质。
定，在国外具有代表国家的性质。
5．答案：C【解析】监理工程师对资质审核的重点包括：勘察、设计单位资质证书类别和等级及所规定的使用业务范围与拟建工程的类型、规模、地点、行业特性及要求的勘察、设计任务是否相符，资质证书的有效期是否已过期，其资质年检结论是否合格；检查勘察设计单位的营业执照，重点是有效期和年检情况。
没有包括注册证书的情况。
的情况。
6．答案：B【解析】监理单位对勘察质量控制中的工作方法有５项，其中第二项是审核勘察单位的勘察实施方案，重点审核其可行性和精确性。
现代控制理论基础（习题）1-4. 两输入1u 、2u ，两输出1y 、2y 的系统，其模拟结构图如下所示，试求其状态空间表达式和传递函数阵。
解：状态方程111220312135133442423x a x a x a x b u x x x a x a x a x b u xx x =---+⎧⎪=⎨=---+⎪=+⎩输出方程为{1224y xy x ==整理有1261125342001000000001100001000001a a a b u x x u a a a b y x ⎧---⎛⎫⎛⎫⎪⎪ ⎪⎛⎫⎪ ⎪ ⎪=+ ⎪⎪ ⎪ ⎪---⎪⎝⎭⎪ ⎪⎨⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎛⎫⎪= ⎪⎪⎝⎭⎩求传函：1121126153420010000()()00010000001001000000010001100b G s sI A b s a a a b s a s a a b s --⎛⎫ ⎪⎛⎫ ⎪=-⎪ ⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭+⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪-⎛⎫ ⎪ ⎪=⎪⎪ ⎪+⎝⎭⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭125342616122234534213415622346242260100det()det 001100(1)(1)det 0(1)det 1101()()()()s a a a s sI A a s a a s a a s a a s a a s a s a a s s a s s a a a a a s s a s a a s a s a a sa s a +++⎛⎫ ⎪- ⎪-= ⎪+ ⎪--⎝⎭+⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪=-⋅-⋅++-⋅⋅+ ⎪ ⎪⎪ ⎪---⎝⎭⎝⎭=+-++++++-=+432222346241313441564221313562414232446()()()()a s a a a a s a a s a a s a s a a s a a s s a a s a a a a a a s a a a a s a a a a -+++++++-=+++-+++++-121223141243()b a b a G s b a b a ⎛⎫= ⎪⎝⎭322134a s a s a s =++ 4153(1)a a s a=-+ 236a a s =- 243126a s a s a a =++- 213141622511321222621()det()(1)b s a b s a b a b s G s sI A a b s b a b s a b s a b a b ⎛⎫++-= ⎪--+++-⎝⎭1-5. 系统的动态特性由下列微分方程描述（1）5732y y y y u u +++=+（2）57332y y y y u u u +++=++列写其相应的状态空间表达式，并画出相应的模拟结构图。
现代控制理论⾮线性动态系统的稳定性和鲁棒控制理论研究上世纪50年代，Kallman成功的将状态空间法引⼊到系统控制理论中，从⽽标志着现代控制理论研究的开始。
现代控制理论的研究对象是系统的数学模型，它根据⼈们对系统的性能要求，通过对被控对象进⾏模型分析来设计系统的控制律，从⽽保证闭环系统具有期望的性能。
其中，线性系统理论已经形成⼀套完整的理论体系。
过去⼈们常⽤线性系统理论来处理很多⼯程问题，并在⼀定范围内取得了⽐较满意的效果。
然⽽，这种处理⽅法是以忽略系统中的动态⾮线性因素为代价的。
实际中很多物理系统都具有固有的动态⾮线性特性，如库仑摩擦、饱和、死区、滞环等，这些⾮线性动态⾮线性特性的存在常常使系统的控制性能下降，甚⾄变得不稳定。
这就使得利⽤线性系统理论处理⾮线性动态系统⾯临巨⼤的困难。
此外，在控制系统运⾏过程中，环境的变化或者元件的⽼化，以及外界⼲扰等不确定因素也会造成系统实际参数和标称值之间出现较⼤差别。
因此，基于标称数学模型所设计的控制律⼀般很难达到期望的性能指标，甚⾄会使系统不稳定。
综上所述，研究不确定条件下⾮线性动态系统的鲁棒稳定性及鲁棒控制间题具有重要的理论意义和迫切的实际需要。
⾮线性动态系统是指按确定性规律随时间演化的系统，⼜称动⼒学系统，其理论来源于经典⼒学，⼀般由微分⽅程来描述。
美国数学家Birkhoff[1]发展了法国数学家Poincare在天体⼒学和微分⽅程定性理论⽅⾯的研究，奠定了动态系统理论的基础。
在实际动态系统中，对象往往受到各种各样的不确定的影响，所以其数学模型⼀般不可能精确得到。
因此，我们只能⽤近似的标称数学模型来描述被控对象，并据此来设计控制系统,动态系统鲁棒控制由此产⽣。
所谓鲁棒性就是指系统预期⾮线性动态系统的稳定性和鲁棒控制理论研究的设计品质不因不确定性的存在⽽遭到破坏的特性，鲁棒控制是⾮线性动态系统控制理论研究的⼀个⾮常重要的分⽀。
现代控制理论的发展促进了对动态系统的研究，使它的应⽤从经典⼒学扩⼤到⼀般意义下的系统。
现代控制理论试卷 1一、(10分)判断以下结论，若是正确的，则在括号里打√，反之打×(1)用独立变量描述的系统状态向量的维数是唯一。
（）(2)线性定常系统经过非奇异线性变换后，系统的能观性不变。
（）(3)若一个系统是李雅普诺夫意义下稳定的，则该系统在任意平衡状态处都是稳定的。
（）(4)状态反馈不改变被控系统的能控性和能观测性。
（）(5)通过全维状态观测器引入状态反馈来任意配置系统的闭环极点时，要求系统必须同时能控和能观的。
（）二、（12分）已知系统1001010,(0)00121x x x⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪==⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，求()x t.三、(12分) 考虑由下式确定的系统：2s+2(s)=43Ws s++，求其状态空间实现的能控标准型和对角线标准型。
四、（9分）已知系统[]210020,011003x x y⎡⎤⎢⎥==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦，判定该系统是否完全能观？五、(17分) 判断下列系统的能控性、能观性；叙述李亚普诺夫稳定性的充要条件并分析下面系统的稳定性.[]xy u x x 11103211=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=六、（17分）已知子系统1∑ 111121011x x u -⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦，[]1110y x = 2∑ []22222110,01011x x u y x -⎡⎤⎡⎤=+=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦求出串联后系统的状态模型和传递函数.七、（15分）确定使系统2001020240021a x x u b -⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦为完全能控时，待定参数的取值范围。
八、（8分）已知非线性系统 ⎩⎨⎧--=+-=2112211sin 2x a x xx x x试求系统的平衡点，并确定出可以保证系统大范围渐近稳定的1a 的范围。
现代控制理论 试卷 1参考答案一、(10分)判断以下结论，若是正确的，则在括号里打√，反之打× (1) 用独立变量描述的系统状态向量的维数是唯一。
信息工程学院现代控制理论课程习题清单3.有电路如图1-28所示。
以电压U(t)为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻 R 2上的电压作为输出量的输出方程。
4.建立图P12所示系统的状态空间表达式。
M 21 f(t)5.两输入u i ，U 2，两输出y i ，y 的系统，其模拟结构图如图1-30所示,练习题 ，输出为，试自选状态变量并列写出其状2.有电路如图所示，设输入为 态空间表达式。
Cri _ l- ------- sR 2 U i U ciL uA------—2R i试求其状态空间表达式和传递函数阵。
6.系统的结构如图所示。
以图中所标记的 x 1、x 2、x 3作为状态变量，推导其状态空间表达式。
其中，u 、y 分别为系统的输入、 输出，1、2试求图中所示的电网络中，以电感L i 、L 2上的支电流x i 、X 2作为状态变量的状态空间表达式。
这里 u 是恒流源的电流值，输出 y 是R 3上的 支路电压。
8.已知系统的微分方程y y 4y 5y 3u ，试列写出状态空间表达式。
9.已知系统的微分方程2y 3y u u ， 试列写出状态空间表达式。
10. 已知系统的微分方程y2y 3y 5y5u 7u ，试列写出状态空间表达式。
7.3均为标量。
11.系统的动态特性由下列微分方程描述y 5 y 7 y 3y u 3u 2u列写其相应的状态空间表达式，并画出相应的模拟结构图。
12. 已知系统传递函数 W(s) 坐 卫 2 ,试求出系统的约旦标准型s(s 2)(s 3)的实现，并画出相应的模拟结构图13. 给定下列状态空间表达式X 1 0 1 0 X 10 X 2 2 30 X 2 1 u X 31 13 X 32X 1y 00 1 x 2X 3(1)画出其模拟结构图；(2)求系统的传递函数14. 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。
总学时：32学时参考教材：《现代控制理论》，俞立编著. 清华大学出版社，2007年4月主要参考书：[1]《现代控制理论与工程》，东南大学王积伟主编高等教育出版社，2003年2月第一版，研究生教学用书；[2]《现代控制理论简明教程》，许世范等，中国矿业大学出版社，1996年1月第一版。
1940—1950年代，以频域方法为基础建立了古典控制理论，其特征是①以传递函数作为描述“受控对象”动态过程的数学模型，进行系统分析与综合；②适用范围仅限于线性、定常（时不变）、确定性的、集中参数的单变量（单输入单输出，简称SISO，Single-Input Single-Output）系统；③能解决的问题是以系统稳定性为核心的动态品质。
主要局限：（1）经典控制理论建立的输入与输出关系，描述的只是系统的外部特性，并不能完全反映系统内部的动态特征；（2）传递函数描述只考虑零初始条件，难以反映非零初始条件对系统性能的影响。
1950年代兴起的航天技术为代表的更加复杂的控制对象是一个多变量系统（多输入多输出，简称MIMO, Mulit-Input Mulit-Output），有的控制对象具有非线性和时变特性，甚至具有不确定的、分布参数特性等。
在控制目标上，希望能解决在某种目标函数意义下的最优化问题，如最少燃料消耗，最小时间等。
所有这些，都给包括“系统建模”和“控制方法”等在内的“理论”和“方法”提出了新问题，这些问题是古典控制理论所不能解决的。
现代控制理论应运而生！1950—1960年代不少科学家为此作出了杰出贡献，其中应特别提到的是庞特里亚金（Понтрягин）的“极值原理”，贝尔曼（Bellman）的“动态规划”，卡尔曼（Kalman）的“滤波”、“能控性和能观性”理论等。
正是这些理论上的突破性成果奠定了现代控制理论的基础，并成为控制理论由“古典控制理论”发展到“现代控制理论”的里程碑。
1960年召开的美国自动化大会上正式确定了“现代控制理论Modern Control Theory”名称。
