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1、2-1 思考题：（1）数学模型的微分方程，状态方程，传递函数，零极点增益和部分分式五种形式，各有什么特点？（2）数学模型各种形式之间为什么要互相转换？（3）控制系统建模的基本方法有哪些？他们的区别和特点是什么？（4）控制系统计算机仿真中的“实现问题”是什么含意？（5）数值积分法的选用应遵循哪几条原则？答：（1）微分方程是直接描述系统输入和输出量之间的制约关系，是连续控制系统其他数学模型表达式的基础。状态方程能够反映系统内部各状态之间的相互关系，适用于多输入多输出系统。传递函数是零极点形式和部分分式形式的基础。零极点增益形式可用于分析系统的稳定性和快速性。利用部分分式形式可直接分析系统的动态过程
2、。（2）不同的控制系统的分析和设计方法，只适用于特定的数学模型形式。（3）控制系统的建模方法大体有三种：机理模型法，统计模型法和混合模型法。机理模型法就是对已知结构，参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理的分析简化建立起来的各物理量间的关系。该方法需要对系统的内部结构和特性完全的了解，精度高。统计模型法是采用归纳的方法，根据系统实测的数据，运用统计规律和系统辨识等理论建立的系统模型。该方法建立的数学模型受数据量不充分，数据精度不一致，数据处理方法的不完善，很难在精度上达到更高的要求。混合法是上述两种方法的结合。（4）“实现问题”就是根据建立的数学模型和精度，采用某种数值计算方法，将模
3、型方程转换为适合在计算机上运行的公式和方程，通过计算来使之正确的反映系统各变量动态性能，得到可靠的仿真结果。（5）数值积分法应该遵循的原则是在满足系统精度的前提下，提高数值运算的速度和并保证计算结果的稳定。2-2.用matlab语言求下列系统的状态方程、传递函数、零极点增益、和部分分式形式的模型参数，并分别写出其相应的数学模型表达式：(1) G（s）= (2) =y=0 2 0 2 X（1） 解：（1）状态方程模型参数:编写matlab程序如下 num=1 7 24 24; den=1 10 35 50 24; A B C D=tf2ss(num,den) 得到结果：A=,B=,C=,D=0所
4、以模型为: =X+u,y=X (2) 零极点增益:编写程序 num=1 7 24 24; den=1 10 35 50 24; Z P K=tf2zp(num,den)得到结果Z= -2.7306 + 2.8531 , -2.7306 - 2.8531i ,-1.5388 P= -4, -3 ,-2 ,-1 K=1 (3) 部分分式形式:编写程序 num=1 7 24 24; den=1 10 35 50 24; R P H=residue(num,den) 得到结果R= 4.0000 ,-6.0000, 2.0000, 1.0000 P= -4.0000, -3.0000 , -2.0000
5、 ,-1.0000 H= G(s)=（2）解：（1）传递函数模型参数：编写程序 A=2.25 -5 -1.25 -0.52.25 -4.25 -1.25 -0.250.25 -0.5 -1.25 -11.25 -1.75 -0.25 -0.75； B=4 2 2 0; C=0 2 0 2; D=0; num den=ss2tf(A,B,C,D) 得到结果num = 0 4.0000 14.0000 22.0000 15.0000den =1.0000 4.0000 6.2500 5.2500 2.2500 (2) 零极点增益模型参数:编写程序 A=2.25 -5 -1.25 -0.52.25
6、-4.25 -1.25 -0.250.25 -0.5 -1.25 -11.25 -1.75 -0.25 -0.75； B=4 2 2 0; C=0 2 0 2; D=0; Z,P,K=ss2zp(A,B,C,D) 得到结果Z =-1.0000 + 1.2247i -1.0000 - 1.2247i -1.5000P= -0.5000 + 0.8660i -0.5000 - 0.8660i -1.5000 -1.5000 K = 4.0000 表达式 （3）部分分式形式的模型参数：编写程序 A=2.25 -5 -1.25 -0.52.25 -4.25 -1.25 -0.250.25 -0.5 -
7、1.25 -11.25 -1.75 -0.25 -0.75； B=4 2 2 0; C=0 2 0 2; D=0; num den=ss2tf(A,B,C,D) R,P,H=residue(num,den) 得到结果R = 4.0000 -0.0000 0.0000 - 2.3094i 0.0000 + 2.3094iP = -1.5000 -1.5000 -0.5000 + 0.8660i -0.5000 - 0.8660iH =2-3.用欧拉法求下面系统的输出响应y(t)在0t1上，h=0.1时的数值。 要求保留4位小数，并将结果与真解比较。解：欧拉法（前向欧拉法,可以自启动）其几何意义：
8、把f(t,y)在区间内的曲边面积用矩形面积近似代替。利用matlab提供的m文件编程，得到算法公式。如下所示（1） m文件程序为 h=0.1;disp(函数的数值解为); %显示 中间的文字%disp(y=); %同上%y=1;for t=0:h:1 m=y; disp(y); %显示y的当前值% y=m-m*h;end保存文件q2.m 在matalb命令行中键入 q2 得到结果 函数的数值解为y= 1 0.9000 0.8100 0.7290 0.6561 0.5905 0.5314 0.4783 0.4305 0.3874 0.3487（2）另建一个m 文件求解在t0,1的数值 （ %是的
9、真解%）程序为h=0.1;disp(函数的离散时刻解为);disp(y=);for t=0:h:1 y=exp(-t); disp(y);end 保存文件q3.m在matalb命令行中键入 q3 函数的离散时刻解为y= 1 0.9048 0.8187 0.7408 0.6703 0.6065 0.5488 0.4966 0.4493 0.4066 0.3679比较欧拉方法求解与真值的差别欧拉10.90000.81000.72900.65610.59050.53140.47830.43050.38740.3487真值10.90480.81870.74080.67030.60650.54880.4
10、9660.44930.40660.3679误差0-0.0048-0.00070.01180.01420.01600.01740.01830.0188-0.0192-0.0192显然误差与为同阶无穷小，欧拉法具有一阶计算精度，精度较低，但算法简单。2-4用二阶龙格库塔法求解2-3的数值解，并于欧拉法求得的结果比较。解：我们经常用到 预报-校正法 的二阶龙-格库塔法， 此方法可以自启动，具有二阶计算精度，几何意义：把f(t,y)在区间内的曲边面积用上下底为和、高为h的梯形面积近似代替。利用matlab提供的m文件编程，得到算法公式。如下所示 （1）m文件程序为 h=0.1;disp(函数的数值解为
11、);disp(y=);y=1;for t=0:h:1 disp(y); k1=-y; k2=-(y+k1*h); y=y+(k1+k2)*h/2;end 保存文件q4.m在matlab的命令行中键入 q4 显示结果为 函数的数值解为y= 1 0.9050 0.8190 0.7412 0.6708 0.6071 0.5494 0.4972 0.4500 0.4072 0.3685（2） 比较欧拉法与二阶龙格-库塔法求解.（误差为绝对值）真值10.90480.81870.74080.67030.60650.54880.49660.44930.40660.3679龙库10.90500.81900.74120.67080.60710.54940.49720.45000.40720.3685误差00.00020.00030.00040.00050.00060.00060.00060.00070.00060.0006明显误差为得同阶无穷小，具有二阶计算精度，
