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1、现代控制理论实验指导书西安文理学院物理与机电工程学院目录前言1实验一系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换3实验二多变量系统的能控性和能观测性分析7实验三多变量系统的稳定性分析13实验四系统设计：状态观测器的设计17前言这是一本为工科高年级学生编写的实验指导书，作为控制系统领域各门控制课程的配套实验教材。一、现代控制理论实验的任务“现代控制理论”是全日制本科自动化专业的重要专业课程，它的实践性教学环节，对学生理解和掌握现代控制理论起着至关重要的直接影响作用。现代控制理论实验的主要任务是使学生通过实验进一步理解和掌握现代
2、控制理论的基本概念、基本原理和控制系统的分析与设计方法。它是现代控制理论课程教学的一部分，其主要目标如下：（1）深刻理解现代控制理论的基本理论；（2）初步掌握控制系统的分析与设计方法；（3）学习和掌握现代计算机技术及其辅助工具的运用，提高计算机的应用能力与水平；（4）提高实际应用能力和动手操作能力，培养严肃认真、一丝不苟的科学态度。二、实验的要求现代控制理论实验是一个专业性较强的实践环节，要求有专门的实验场所和实验设备；并且要求参加实验者必须具备必要的相关理论基础知识，对所做实验的前提条件及制约因素有足够的认识和理解；
3、同时要求参加实验者具有较强的观察思考能力、研究分析能力和创新能力。三、现代控制理论实验的实现方法现代控制理论课程的实验方法比较灵活，实验方案和思路也比较多。众多厂家和高校都研制开发出了各种实验箱以及相应的实验平台，但大多数受到实验场所、实验设备等教学条件的制约。按照加强理论、巩固基础、培养学生的观察思考能力和创新能力的指导思想，本实验指导书主要通过“计算机软件仿真”的实现方法去完成实验，使学生加深对所学理论的理解和认识。四、对参加实验学生要求（1）认真阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确每次实验的目的，了解实
4、验所涉及的相关软件的操作，熟悉实验的内容和方法。（2）爱护实验设备，遵守实验室的规章制度，服从实验指导教师和实验室管理教师的安排和管理。五、对实验报告的要求（1）标明实验名称、实验内容、实验目的，以及实验时间、实验地点、同组实验人员等。（2）注明实验所用的设备、软件及实验的步骤和方法。（3）认真分析所得的实验结果，得出明确的实验结论。并注明该结论所依据的原理和理论。（4）字迹工整，书写规范，并使用统一的实验报告纸。实验一系统的传递函数阵和状态空间表达式的转换1.0实验设备PC计算机1台（要求P4-1.8G以上），MAT
5、LAB6.X软件1套。1.1实验目的①学习多变量系统状态空间表达式的建立方法、了解统状态空间表达式与传递函数相互转换的方法；②通过编程、上机调试，掌握多变量系统状态空间表达式与传递函数相互转换方法。1.2实验原理说明设系统的模型如式(1.1)示。(1.1)其中:A为n×n维系数矩阵；B为n×m维输入矩阵；C为p×n维输出矩阵；D为传递阵，一般情况下为0，只有n和m维数相同时，D=1。系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式(1.2)示。(1.2)式(1.2)中，表示传递函数阵的分子阵，其维数是p×m；表示传递函数
6、阵的按s降幂排列的分母。(即：则：,函数的用法如下例所示：例如：若给定系统的传函为MATLAB程序如下：>>num=[0612610];den=[12311];>>printsys(num,den)执行结果为num/den=6s^3+12s^2+6s+10----------------------------）s^4+2s^3+3s^2+s+11.3实验步骤①根据所给系统的传递函数或（A、B、C阵），依据系统的传递函数阵和状态空间表达式之间的关系如式(1.2)，采用MATLAB的file.m编程。注意：ss2tf和t
7、f2ss是互为逆转换的指令。②在MATLAB界面下调试程序，并检查是否运行正确。③举例说明程序的运行过程[例1-1]已知SISO系统的状态空间表达式为(1.3)式所示，求系统的传递函数。，(1.3)程序:%首先给A、B、C阵赋值；A=[010;001;-4-3-2];B=[1;3;-6];C=[100];D=0;%状态空间表达式转换成传递函数阵的格式为：[num,den]=ss2tf(a,b,c,d,u)[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,1)程序运行结果:num=01.00005.00003.0000de
8、n=1.00002.00003.00004.0000从程序运行结果得到:系统的传递函数为:……………………(1.4)[例1-2]从系统的传递函数(1.4)式求状态空间表达式。程序:num=[0153];%在给num赋值时，在系数前补0，使num和den赋值的个数相同；den=[1234];[A,B,C,D]=tf2ss(num,d
