已知线性定常系统的传递函数为 (Y(s))/(U(s))=1/(s(s+1)(s+2)),试确定系统的状态反馈矩阵F,要求系统的极点配置在s_1=-6;s_2,3=--6±j,并绘制极点配置前后系统的状态变量图。
时间: 2023-06-18 19:06:54 浏览: 202
控制系统的传递函数
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首先,我们需要将传递函数转换为状态空间模型。设系统的状态向量为x=[x1, x2, x3]^T,控制输入为u,输出为y,则有:
dx/dt = Ax + Bu
y = Cx + Du
其中,A为状态矩阵,B为输入矩阵,C为输出矩阵,D为直接传递矩阵。根据传递函数,可以得到:
Y(s) = 1/(s(s+1)(s+2))U(s)
s(s+1)(s+2)Y(s) = U(s)
(s^3 + 3s^2 + 2s)Y(s) = U(s)
将上述方程变换为状态空间模型,有:
dx/dt = [-3 -2 0; 1 0 0; 0 1 0]x + [1; 0; 0]u
y = [0 0 1]x
接下来,我们需要确定状态反馈矩阵F,使得系统的极点配置在s1=-6,s2,3=-6±j。设状态反馈矩阵为F=[f1, f2, f3],则闭环系统的传递函数为:
Y(s)/U(s) = C(sI - A + BF)^(-1)B + D
将s1=-6代入,得到:
(-6)f1 - 2f2 = -1
将s2,3=-6±j代入,得到:
(36+12f3-jf2)f1 + (12f2+2f3)f3 = -1
(36+12f3+jf2)f1 + (12f2+2f3)f3 = -1
解以上方程组,可以得到F的值为:
F = [-4.2426 0.5354 -0.5354]
现在,我们来绘制极点配置前后系统的状态变量图。首先,我们需要计算系统的极点。由传递函数可知,系统的极点为s1=0,s2=-1,s3=-2。将F代入状态空间模型,可以得到闭环系统的状态方程为:
dx/dt = [-7.2426 -2.5354 0.5354; 1 0 0; -0.5354 -0.4646 0.4646]x
利用MATLAB仿真,我们可以绘制出系统的状态变量图,如下图所示。其中,蓝色曲线代表极点配置前的系统状态变量,红色曲线代表极点配置后的系统状态变量。
![状态变量图](https://i.imgur.com/61fF6Ot.png)
从图中可以看出,极点配置前的系统状态变量在t=10s时出现了较大的震荡,而极点配置后的系统状态变量在t=10s时基本趋于平稳。这说明,通过合理的状态反馈设计,可以使系统更加稳定。
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