MATLAB是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理等领域。
本课程设计就是在MATLAB软件计算环境中，利用其元素集运算和矩阵的运算的功能，绘制出系统各个激励相应的响应图形，通过观察对比实现了对系统线性性质即其齐次性和可加性的验证。
关键词：MATLAB；齐次性；可加性；线性
1 课题描述 (1)
2设计原理 (1)
3设计过程 (2)
3.1软件介绍 (2)
3.2设计内容 (3)
3.3设计步骤 (3)
4程序运行结果及分析 (4)
总结 (8)
参考文献 (9)
1 课题描述
线性系统是一个既具有分解特性，又具有零状态线性和零输入线性的系统，线性性质（可加性和齐次性）是线性系统所具有的本质特性， 线性离散系统的数学模型是线性差分方程。 MATLAB 是MATrix LABoratory 的缩写，早期主要用于现代控制中复杂的矩阵、向量的各种运算。MATLAB 以矩阵作为基本编程单元，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。
本课题是利用MATLAB 元素集运算和矩阵的运算实现了对系统线性性质(齐次性和可加性)的验证。
开发工具: MATLAB
2设计原理
设计原理如下：
系统的激励()x n 与响应()y n 之间的关系可简记为 ()()y n T x n =????
式中T 是算子，它的意思是()x n 经过算子T 所规定的运算，得到()y n 。它可理 解为，激励()x n 作用于系统所引起的响应为()y n 。 线性性质包含两个内容：齐次性和可加性。
设a 为任意常数，若系统的激励()x n 增大a 倍时，其响应()y n 也增大a 倍， 即
()()T ax n aT x n =???????? （2.1）
则称该系统是齐次的或均匀的。
若系统对于激励()1x n 、()2x n 之和的响应等于各个激励所引起的响应之和， 即
()()()()1212T x n x n T x n T x n +=+???????????? (2.2) 则称该系统是可加的。可加性是指，当有多个激励（多个激励用集合符号简记为
(){}x n 作用于系统时，系统的总响应等于各个激励单独作用（其余激励为零）时
所引起的响应之和。
3设计过程
3.1软件介绍
MATLAB 是一种科学计算软件，适用于工程应用个领域的分析设计与复杂计算，它使用方便，输入简捷，运算高效且内容丰富，很容易由用户自行扩展。因此，当前已成为美国和其他发达国家大学教学和科学研究中最常用且必不可少的工具。
MATLAB 以矩阵作为基本编程单元，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。MATLAB 集科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有良好的用户界面，并有良好的帮助功能。MATLAB 不仅流行于控制界，在机械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。MATLAB 语言的特点1．编程效率高 2．用户使用方便 3．扩充能力强 4．语句简单，内涵丰富 5．高效方便的矩阵和数组运算 6．方便的绘图功能
数字信号处理的主要对象是数字信号,且是采用运算的方法达到处理目的,因此,其实现方法不同于模拟信号的实现方法,基本上可以分为两种实现方法,即软件实现方法和硬件实现的方法。而硬件实现指的是选用合适的DSP 芯片,配有适合芯片语言及任务要求的软件,实现某种信号处理功能的一种方法。数字信号处理的特点1.灵活性2.高精度和高稳定性3.便于大规模集成4.对数字信号可以存储、运算；系统可以获得高性能指标
3.2设计内容
设系统差分方程为()()()18.0-+=n y n x n y ，用MATLAB 编程验证系统的线性性质。
1.分别产生输入序列()()n R n x n 3218.0=，()()202-=n n x δ，()()()n x n x n x 21335+=，计算并图示系统对上述三个序列的响应序列()n y 1，()n y 2和()n y 3；
2.计算并图示()()()n y n y n y 2135+=,观察()n y 和()n y 3的波形，判断其正确性，并用线性系统理论解释。
3.3设计步骤
在MATLAB 环境下设计程序如下：
clear;close all;
N=64;n=0:N-1;m=20;
B=1; %设定系统参数 A=[1,-0.8];
x1=0.8.^n; %产生输入信号()1x n x=[(n>=0)&(n<32)]; %用矩形窗截取 x1=x1.*x;
y1=filter(B,A,x1); %对()1x n 的响应()n y 1 x2=[(n-m)==0];
y2=filter(B,A,x2); %对()2x n 的响应()n y 2 x3=5*x1+3*x2;
y3=filter(B,A,x3); %对()()1253x n x n +的响应()n y 3 y=5*y1+3*y2; %()()()1253y n y n y n =+ stem(n,y1,'.') %绘制()n y 1的图形
ylabel('y1(n)');
figure(2) %绘制()n y 2的图形 stem(n,y2,'.') ylabel('y2(n)');
figure(3) %绘制()n y 3的图形 stem(n,y3,'.') ylabel('y3(n)');
figure(4) %绘制()()()1253y n y n y n =+的图形
stem(n,y,'.') ylabel('y(n)');
4程序运行结果及分析
在MATLAB 软件中运行程序，显示出()n y 1，()n y 2,()n y 3, ()n y 四个图形
图4.1 序列()()n R n x n
3218.0=的响应序列()n y 1的图形
图4.2 序列()()202-=n n x δ的响应序列()n y 2的图形
图4.3 序列()()()n x n x n x 21335+=的响应序列()n y 3的图形
图4.4 序列()()()1253y n y n y n =+的图形
通过观察以上四个输出图形，我们可以非常直观的看出并且图4.1和图4.2的叠加等于图4.4即()n y =5()n y 1+3()n y 2。根据系统线性理论原理设a 为任意常数，若系统的激励
()
x n 增大a 倍时，其响应()
y n 也增大a 倍，即
()()T a x
n a T x n =
????????，则称该系统是齐次的或均匀的，由此可见此差分方程所
表示的系统具有齐次性。
我们还可以观察到图4.4和图4.3是相同的即()n y 3=()n y ，并且图4.1和图4.2的叠加等于图4.4或者直接说是4.3即()n y 3=5()n y 1+3()n y 2。根据系统
线性理论原理对于激励
()
1x n 、
()
2x n 之和的响应等于各个激励所引起的响应之
和，即()()()()1212T x n x n T x n T x n +=+????????????，则称该系统是可加的，由此可见
此系统具有可加性。
总结以上结论，该系统具有可加性和齐次性，根据系统线性理论，线性系统是一个既具有分解特性，又具有零状态线性和零输入线性的系统，线性性质（可加性和齐次性）是线性系统所具有的本质特性， 线性离散系统的数学模型是线
性差分方程，我们即可得出此系统是一个线性系统的结论。
总结
经过一周的课程设计，我学到了很多东西。对于以前不理解的知识，通过试验的学习得到了理解，学会的知识也得到了进一步深化。课程设计在刚接触的时候感觉很难，但我并没有被困难所吓倒。我积极地复习课本上与课程设计相关知识，又从图书馆借来有关Matlab语言的书籍，从中收获了不少知识，模糊的实验步骤渐渐清晰起来。
课程设计虽然结束了，但它带来的影响却是无穷尽的。它不仅锻炼了我们的动手能力，也增强了我们的理解和学习能力。特别是对Matlab的应用，不再仅仅的局限于搬抄课本上的程序，而是自己去思考去设计实验的源程序，更具有挑战性，也使我的Matlab知识得到了提高，对于后续的学习会更加有帮助。
参考文献
[1] 高西全，丁玉美.《数字信号处理》（第二版）.西安电子科技大学出版社，2000.
[2] 陈怀堔，吴大正，高西全.《MATLAB及在电子信息课程中的应用》.电子工业出版社，2006.
[3] 高西全，丁玉美.《数字信号处理（第三版）》.西安科技大学出版社，2001.
线性系统理论Matlab实验报告 1、本题目是在已知状态空间描述的情况下要求设计一个状态反馈控制器，从而使得系统具 有实数特征根，并要求要有一个根的模值要大于5，而特征根是正数是系统不稳定，这样的设计是无意义的，故而不妨设采用状态反馈后的两个期望特征根为-7，-9，这样满足题目中所需的要求。 （1）要对系统进行状态反馈的设计首先要判断其是否能控，即求出该系统的能控性判别矩阵，然后判断其秩，从而得出其是否可控； 判断能控程序设计如下： >> A=[-0.8 0.02;-0.02 0]; B=[0.05 1;0.001 0]; Qc=ctrb(A,B) Qc = 0.0500 1.0000 -0.0400 -0.8000 0.0010 0 -0.0010 -0.0200 Rc=rank(Qc) Rc =2 Qc = 0.0500 1.0000 -0.0400 -0.8000 0.0010 0 -0.0010 -0.0200 得出结果能控型判别矩阵的秩为2，故而该系统是完全可控的，故可以对其进行状态反馈设计。 （2）求取状态反馈器中的K，设的期望特征根为-7，-9； 其设计程序如下： >> A=[-0.8 0.02;-0.02 0]; B=[0.05 1;0.001 0]; P=[-7 -9]; k=place(A,B,P) k = 1.0e+003 * -0.0200 9.0000 0.0072 -0.4500 程序中所求出的k即为所求状态反馈控制器的状态反馈矩阵，即由该状态反馈矩阵所构成的状态反馈控制器能够满足题目要求。 2、（a）要求求该系统的能控型矩阵，并验证该系统是不能控的。
审定成绩： 重庆邮电大学 硕士研究生课程设计报告 （《线性系统理论》） 设计题目：汽车机器人建模 学院名称：自动化学院 学生姓名： 专业：控制科学与工程 仪器科学与技术 班级：自动化1班、2班 指导教师：蔡林沁 填表时间：2017年12月
重庆邮电大学
摘要 汽车被广泛的应用于城市交通中,它的方便、快速、高效给人们带来了很大便利,这大大改变了人们的生活. 研制出一种结构简单、控制有效、行驶安全的城市用无人智能驾驶车辆,将驾驶员解放出来,是大大降低交通事故的有效方法之一,应用现代控制理论设计出很多控制算法,对汽车进行控制是非常必要的，本文以汽车机器人为研究对象，对其进行建模和仿真，研究了其模型的能控能观性、稳定性，并通过极点配置和状态观测器对其进行控制，达到了一定的性能要求。这些研究为以后研究汽车的自动驾驶和路径导航，打下了一定的基础。 关键字:建模、能控性、能观性、稳定性、极点配置、状态观测器
目录 第一章绪论 (1) 第一节概述 (1) 第二节任务分工 (2) 第二章系统建模 (2) 2 系统建模 (2) 2.1运动学模型 (2) 2.2自然坐标系下模型 (4) 2.3具体数学模型 (6) 第三章系统分析 (7) 3.1 能控性 (7) 3.1.1 能控性判据 (7) 3.1.2 能控性的判定 (8) 3.2 能观性 (10) 3.2.1 能观性判据 (10) 3.2.2 能观测性的判定 (12) 3.3 稳定性 (13) 3.3.1 稳定性判据 (13) 3.3.2 稳定性的判定 (14) 第四章极点配置 (15) 4.1 极点配置概念 (15) 4.2 极点配置算法 (15) 4.3 极点的配置 (16) 4.4 极点配置后的阶跃响应 (17) 第五章状态观测器 (18) 5.1概念 (19) 5.2带有观测器的状态反馈 (20) 5.3代码实现 (21) 5.4 极点配置和状态观测器比较 (23)
摘要 神经网络自适应控制是基于自适应的基本原理，利用神经网络的特点设计而成的。它发挥了自适应与神经网络的各自长处，为非线性控制的研究提供了一种新方法。 本文基于Lyapunov稳定性理论，采用神经网络直接自适应控制的思想设计控制器，研究了一类带干扰的不确定非线性系统的控制问题。控制器主要是针对不确定非线性系统中存在的两类未知项——未知函数和未知外界干扰而设计，其中未知函数利用径向基函数神经网络来近似，外界干扰利用非线性阻尼项来抑制，这样可以充分利用神经网络的逼近特性，克服复杂系统难以建模等困难，并且系统稳定性和收敛性在给出的假设的条件下均能得到保证。最后设计程序进行仿真验证，在程序设计中，以高斯函数作为基函数，仿真结果表明在权值和控制的有界性方面取得了一定的效果。 本文第一章到第三章详细介绍了人工神经网络及神经网络控制的发展和研究现状；第四章主要介绍了径向基函数神经网络，并对其逼近能力进行仿真； 在结束语中展望了神经网络控制的发展前景，提出以后的研究方向。 关键词：RBF神经网络，自适应控制，不确定非线性系统 Abstract Neural network adaptive control is proposed combining adaptive control's advantages with neural network's characters and provides a new method for nonlinear control. Based on Lyapunov stability theorem and neural network direct adaptive control idea the control problem of a class of uncertain nonlinear system with disturbance is researched. The controller is designed arming at two kinds of uncertainties existing in nonlinear system--the unknown functions and the uncertain disturbance. In controller. the radial basis function neural network is used as approximation model for the unknown functions. and nonlinear damping term is used to counteract the disturbances. so neural network's better approximation capabilities can be utilized richly and the modeling difficulties can be avoided. Meanwhile. the controlled system's stability and convergence can be guaranteed under some assumptions. At last the program is designed to verify the effectiveness of the controller. In presented programs. Guassian function is used as basis function. Simulation results show that
电子通讯与控制职务说明书格式 第九研究室部门职务说明书电子控制与通讯岗位职务说明书岗位编号：205-905 编写日期：2003-11-27 岗位名称：电子通讯与控制在岗人数：6～7 所在部门：第九研究室编写人：直接上级：第九研究室主任.项目负责人直接下级：直接下级人数：审定人：本职概述：从事光电子和红外热成像技术及产品有关的电子通讯与控制组件的设计与研究工作。 跟踪.分析.报告国内外有关电子通讯与控制组件设计技术和热成像处理电子学的最新进展，了解和掌握电子电路加工与制造工艺技术.电子设计.产品和市场的动态。 职责一：参与产品开发或技术研究总体方案论证平均占工作时间百分比：15% 工作任务结合国内外电子控制技术和市场发展动态，及时报告.申请拟开展立项论证研究的课题结合总体方案论证的需求开展相关电子控制与通讯系统设计方案可行性论证，开展国内外相关技术调研建议.实施与信号处理论证研究直接相关的内部技术分析研讨会或关键技术的演示验证试验编制并提交产品开发或技术研究项目的电子控制与通讯系统论证报告工作权限工作责任工作频次工作关系内部关系外部关系建议权执行权有限责任每2～3年一次每次5～7周项目负责人.总体设计.光机结构设计.电子信号处理.可靠性预计
第七.第等专业研究室和试制研究中心职责二：设计输入控制平均占工作时间百分比：20% 工作任务根据总体下达的光机设计技术要求，制定电子通讯与控制系统的总体设计方案（基本组成.结构.布局和性能）确定电子通讯与控制组部件的技术性能要求，明确所选用元器件的电气特性.使用环境和工艺制造条件。 按照上级设计师系统下达的电子通讯与控制性能指标要求，制定电子通讯与控制系统的设计规范，明确规定电子通讯与控制系统的输入信号.控制输入与输出.功率输入.输出信号.噪声控制要求.通讯接口标准.通道带宽.通道增益和传递函数.环境适应性等性能设计方面的技术要求。 工作权限工作责任工作频次工作关系内部关系外部关系执行权全部每2～3年一次每次2～3个月项目负责人.总体设计.光机结构设计.电子信号处理.可靠性预计 第研究室和试制研究中心职责三：设计输出控制平均占工作时间百分比：40 % 工作任务按计划开展项目与产品的技术研究和电子电路设计工作根据产品研制或技术设计工作需要，组织开展关键技术试验.实验和联合技术攻关，制定联合攻关的技术方案报告或关键技术和产品的试验.实验大纲。 在保证产品研制工作质量的条件下，严格控制各项研制成本在产品研制的各阶段要注意收集和积累能够反映产品研制工作进展和技术状态控制的各种相关资料（包括文字材料.图片.音频和
一、Fisher 线性判别 Fisher 线性判别是统计模式识别的基本方法之一。它简单，容易实现，且计算量和存储量小，是实际应用中最常用的方法之一。Fisher 判别法Fisher 在1936年发表的论文中首次提出的线性判别法。Fisher 判别法的基本思想是寻找一个最好的投影，当特征向量x 从d 维空间映射到这个方向时，两类能最好的分开。这个方法实际上涉及到特征维数的压缩问题。 一维空间的Fisher 线性判别函数为： 2 1212 ()()F m m J w S S -= + （1） i m = ∑x N 1,i=1,2 （2） 2,1,)()(=--=∑∈i m x m x S T i x i i i ξ （3） 其中，1m 和2m 是两个样本的均值，1S ，2S 分别为各类样本的的类内离散度。投影方向w 为： )(211 m m S w w -=- （4） 12w S S S =+ （5） 在Fisher 判决函数中，分子反应了映射后两类中心的距离平方，该值越大，类间可分性越好；分母反应了两类的类内的离散度，其值越小越好；从总体上讲，()F J w 的值越大越好，在这种可分性评价标准下，使()F J w 达到最大值的w 即为最佳投影方向。
1.1、 Fisher线性判别实验流程图
1.2 Fisher线性判别mtalab代码 data=importdata('C:\Users\zzd\Desktop\data-ch5.mat'); data1=data.data; data2=https://www.doczj.com/doc/c618139362.html,bel; sample1=data1(1:25,:); sample2=data1(51:75,:); sample=[sample1 sample2]; sp_l=data2(26:75); test1=data1(26:50,:); test2=data1(76:100,:); test=[test1 test2]; lth=zeros(50,50); sample_m1=mean(sample1); sample_m2=mean(sample2); m1=sample_m1'; m2=sample_m2'; sb=(m1-m2)*(m1-m2)'; s1=zeros(2); for n=1:25 temp = (sample1(n,:)'-m1)*(sample1(n,:)'-m1)'; s1=s1+temp; end; s2=zeros(2); for n=1:25 temp = (sample2(n,:)'-m2)*(sample2(n,:)'-m2)'; s2 = s2+temp; end; sw=s1+s2; vw=inv(sw)*(m1-m2); a_m1 = vw'*m1; a_m2 = vw'*m2; w0 = (a_m1+a_m2)/2;
目录 题目一 (2) （一）状态反馈加积分器校正的输出反馈系统设计 (2) (1)建立被控对象的状态空间模型，并判断系统性质 (2) (2)状态反馈增益矩阵和积分增益常数的设计 (4) (3)全维观测器设计 (6) (4)如何在闭环调速系统中增加限流环节 (8) （二）二次型最优全状态反馈控制和按负载扰动前馈补偿的复合控制系统设计 (8) (1)线性二次型最优全状态反馈设计 (8) (2)降维观测器设计 (13) 题目二 (15) (1)判断系统是否存在最优控制律 (15) (2)非零给定点的最优控制设计和仿真分析 (16) (3)权矩阵的各权值对动态性能影响分析 (17)
题目一 （一）状态反馈加积分器校正的输出反馈系统设计 (1)建立被控对象的状态空间模型，并判断系统性质 1)画出与题目对应的模拟结构图，如图1所示： 图1原始系统结构图 取状态变量为1x =n ，2x =d I ，3x =d u ，控制输入u=c u 1222212333375375111 T L e la la la s s s C x x T GD GD C x x x x RT T RT K x x u T T ?=-???=--+???=-+?? 将已知参数代人并设输出y=n=1x ，得被控对象的状态空间表达式为 L x Ax Bu ET y Cx =++= 其中，2 37500039.768011=-3.696-17.85727.05600-588.2351 00 T e la la la s C GD C A RT T RT T ???? ? ???????=- -?????? ??????-??? ? ，
1绪论 1.1计算机控制系统 计算机控制系统是在自动化控制技术和计算机技术的飞速发展的基础上产生的，20世纪50年代中期，经典控制理论已经发展成熟，并在不少工程技术领域得到了成功的应用。随着复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的要求。现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础，而计算机技术的发展为新型控制方法的实现提供了非常有效的手段，两者的结合极大的推动了自动控制技术的发展。进而计算机控制系统广泛的应用于工厂生产，逐渐融入于生产中，各类大型工厂均离不开计算机控制系统。 1.1.1系统的分类 按系统性能分：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常系统和时变系统；确定系统和不确定系统。 1、线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果微分方程的系数为常数，则为定常系统；如果系数随时间而变化，则为时变系统。今后我们所讨论的系统主要以线性定常连续系统为主。 2、线性定常离散系统：离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式。这类系统用差分方程来描述。 3、非线性系统：系统中有一个元部件的输入输出特性为非线性的系统。 1.1.2系统的数学模型 在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有：传递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。 1.2计算机模拟控制系统 模拟控制系统由给定输入、模糊控制器、控制对象、检测变送装置、反馈信号与给定输入的相加环节等组成。模拟控制系统的各处均为连续信号，在模拟系统中，给定值与反馈值经过比较器比较产生偏差，控制器对偏差进行调节计算，产生控制信号驱动执行机构，从而被控参数的值达到预期值。其典型结构如下图所示：
一. 极点配置原理 假设原系统的状态空间模型为： ???=+=Cx y Bu Ax x 若系统是完全可控的，则可引入状态反馈调节器，且： 这时，闭环系统的状态空间模型为： ()x A BK x Bv y Cx =-+?? =? 二. 状态观测器设计原理 假设原系统的状态空间模型为： ???=+=Cx y Bu Ax x 若系统是完全可观的，则可引入全维状态观测器，且： ??(y y)??x Ax Bu G y Cx ?=++-??=?? 设?x x x =-，闭环系统的状态空间模型为： ()x A GC x =- 解得： (A GC)t (0),t 0x e x -=≥ 由上式可以看出，在t 0≥所有时间内，如果(0)x =0，即状态估计值x 与x 相等。如果(0)0x ≠，两者初值不相等，但是()A GC -的所有特征值具有负实部，这样 x 就能渐进衰减至零，观测器的状态向量?x 就能够渐进地逼近实际状态向量x 。状态逼近的速度取决于G 的选择和A GC -的特征配置。 三. 状态观测的实现 为什么要输出y 和输入u 对系统状态x 进行重构。 u Kx v =-+
证明 输出方程对t 逐次求导，并将状态方程x Ax Bu =+代入整理，得 2(n 1)(n 2)(n 3)21n n y Cx y CBu CAx y CBu CABu CA x y CBu CABu CA Bu CA x -----=??-=??--=????----=? 将等号左边分别用z 的各分量12,, ,n z z z 表示，有 121(n 1)(n 2)(n 3) 2 n n n y C z y CBu CA z z y CBu CABu x Qx z CA y CBu CABu CA Bu -----?? ???????? -?? ????? ? ? ?????==--==?? ????????????????????----?? ? 如果系统完全能观，则 rankQ n = 即 1?(Q Q)T T x Q z -= （类似于最小二乘参数估计） 综上所述，构造一个新系统z ，它是以原系统的输出y 和输入u ，其输出经过变 换1(Q Q)T T Q -后得到状态向量?x 。也就是说系统完全能观，状态就能被系统的输入输出以及各阶倒数估计出来。 四. 实例 给定受控系统为 再指定期望的闭环极点为12,341,1,2i λλλ*** =-=-±=-，观测器的特征值为 12,33,32i λλ=-=-±，试设计一个观测器和一个状态反馈控制系统，并画出系统 的组成结构图。 []0100000101000100 05 021000x x u y x ???? ????-????=+????????-???? =
一、实验意义及目的 掌握Fisher分类原理，能够利用Matlab编程实现Fisher线性分类器设计， 熟悉基于Matlab算法处理函数，并能够利用算法解决简单问题。 二、算法原理 Fisher准则基本原理：找到一个最合适的投影周，使两类样本在该轴上投影之间的距离尽可能远，而每一类样本的投影尽可能紧凑，从而使分类效果为最佳。 内容： （1）尝试编写matlab程序，用Fisher线性判别方法对三维数据求最优方向w的通用函数（2）对下面表1-1样本数据中的类别w1和w2计算最优方向w （3）画出最优方向w 的直线，并标记出投影后的点在直线上的位置 （4）选择决策边界，实现新样本xx1=（-0.7，0.58，0.089）,xx2=（0.047，-0.4，1.04）的分类 三、实验内容 （1）尝试编写matlab程序，用Fisher线性判别方法对三维数据求最优方向w的通用函数程序清单： clc clear all %10*3样本数据 w1=[-0.4,0.58,0.089;-0.31,0.27,-0.04;-0.38,0.055,-0.035;-0.15,0.53,0.011;- 0.35,.47,0.034;0.17,0.69,0.1;-0.011,0.55,-0.18;-0.27,0.61,0.12;-0.065,0.49,0.0012;- 0.12,0.054,-0.063]; w2=[0.83,1.6,-0.014;1.1,1.6,0.48;-0.44,-0.41,0.32;0.047,-0.45,1.4;0.28,0.35,3.1;- 0.39,-0.48,0.11;0.34,-0.079,0.14;-0.3,-0.22,2.2;1.1,1.2,-0.46;0.18,-0.11,-0.49]; W1=w1';%转置下方便后面求s1
线性系统理论实验报告 学院：电信学院 姓名：邵昌娟 学号：152085270006 专业：电气工程
线性系统理论Matlab实验报告 1、由分析可知系统的状态空间描述，因系统综合实质上是通过引入适当状态反馈矩阵K，使得闭环系统的特征值均位于复平面S的期望位置。而只有当特征根均位于S的左半平面时系统稳定。故当特征根是正数时系统不稳定，设计无意义。所以设满足题目中所需要求的系统的期望特征根分别为λ1*=-2，λ2*=-4。 (a) 判断系统的能控性，即得系统的能控性判别矩阵Q c，然后判断rankQ c，若rank Q c =n=2则可得系统可控；利用Matlab判断系统可控性的程序如图1(a)所示。由程序运行结果可知：rank Q c =n=2，故系统完全可控，可对其进行状态反馈设计。 (b) 求状态反馈器中的反馈矩阵K，因设系统的期望特征根分别为λ1*=-2，λ2*=-4；所以利用Matlab求反馈矩阵K的程序如图1(b)所示。由程序运行结果可知：K即为所求状态反馈控制器的状态反馈矩阵，即由该状态反馈矩阵所构成的状态反馈控制器能够满足题目要求。 图1(a) 系统的能控性图1(b) 状态反馈矩阵 2、(a) 求系统的能控型矩阵Q c，验证若rank Q c 研 究 生 课 程 论 文 (2014-2015学年第一学期) 线性系统的基本特性 研究生： 线性系统理论的研究对象为线性系统。线性系统是最为简单和最为基本的一类动态系统。线性系统理论是系统控制理论中研究最为充分、发展最为成熟和应用最为广泛的一个分支。线性系统理论中的很多概念和方法，对于研究系统控制理论的其他分支，如非线性系统理论、最优控制理论、自适应控制理论、鲁棒控制理论、随机控制理论等，同样也是不可缺少的基础。 线性系统的一个基本特征是其模型方程具有线性属性即满足叠加原理。叠加原理是指，若表系统的数学描述为L ，则对任意两个输入变量u 1和u 2以及任意两个非零有限常数c 1和c 2必成立关系式： 11221122()()()L c u c u c L u c L u +=+ 对于线性系统，通常还可进一步细分为线性时不变系统（linear time-invariant systems)和线性时变系统（linear time-varying systems)两类。 线性时不变系统也称为线性定常系统或线性常系数系统。其特点是，描述系统动态过程的线性微分方程或差分方程中，每个系数都是不随时间变化的函数。从实际的观点而言，线性时不变系统也是实际系统的一种理想化模型，实质上是对实际系统经过近似化和工程化处理后所导出的一类理想化系统。但是，由于线性时不变系统在研究上的简便性和基础性，并且为数很多的实际系统都可以在一定范围内足够精确地用线性时不变系统来代表，因此自然地成为线性系统理论中的主要研究对象。 线性时变系统也称为线性变系数系统。其特点是，表征系统动态过程的线性微分方程或差分方程中，至少包含一个卷数为随时间变化的函数。在视实世界中，由于系统外部和内部的原因，参数的变化是不可避免的，因此严格地说几乎所有系统都属于时变系统的范畴。但是，从研究的角度，只要参数随时间 分数: ___________ 任课教师签字：___________ 华北电力大学研究生结课作业 学年学期：第一学年第一学期 课程名称：线性系统理论 学生姓名： 学号： 提交时间：目录 弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计 1 研究背景及意义 弹簧、阻尼器、质量块是组成机械系统的理想元件。由它们组成的弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统，在生活中具有相当广泛的用途，缓冲器就是其中的一种。缓冲装置是吸收和耗散过程产生能量的主要部件，其吸收耗散能量的能力大小直接关系到系统的安全与稳定。缓冲器在生活中处处可见，例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器，其缓冲系统的性能直接影响着汽车的稳定与驾驶员安全；另外，天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳定与否直接影响着交会对接的成功。因此，对弹簧-质量-阻尼系统的研究有着非常深的现实意义。 2 弹簧-质量-阻尼模型 数学模型是定量地描述系统的动态特性，揭示系统的结构、参数与动态特性之间关系的数学表达式。其中，微分方程是基本的数学模型，不论是机械的、液压的、电气的或热力学的系统等都可以用微分方程来描述。微分方程的解就是系统在输入作用下的输出响应。所以，建立数学模型是研究系统、预测其动态响应的前提。通常情况下，列写机械振动系统的微分方程都是应用力学中的牛顿定律、质量守恒定律等。 弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统。机械系统如图所示， 图2-1弹簧-质量-阻尼系统机械结构简图 其中、表示小车的质量，表示缓冲器的粘滞摩擦系数，表示弹簧的弹性系数，表示小车所受的外力，是系统的输入即,表示小车的位移，是系统的输出，即，i=1,2。设缓冲器的摩擦力与活塞的速度成正比，其中，， ，，，。系统的建立 由图，根据牛顿第二定律，分别分析两个小车的受力情况，建立系统的动力学模型如下： 对有： 对有： 东南大学自动化学院 实 验 报 告 课程名称： 自动控制基础 实验名称： 状态观测器的设计 院 （系）： 自动化学院 专 业： 自动化 姓 名： 吴静 学 号： 08008419 实 验 室： 机械动力楼417室 实验组别： 同组人员： 实验时间：2011年05月13日 评定成绩： 审阅教师： 一、实验目的 1. 理解观测器在自动控制设计中的作用 2. 理解观测器的极点设置 3. 会设计实用的状态观测器 二、实验原理 如果控制系统采用极点配置的方法来设计，就必须要得到系统的各个状态，然后才能用状态反馈进行极点配置。然而，大多数被控系统的实际状态是不能直接得到的，尽管系统是可以控制的。怎么办？如果能搭试一种装置将原系统的各个状态较准确地取出来，就可以实现系统极点任意配置。于是提出了利用被控系统的输入量和输出量重构原系统的状态，并用反馈来消除原系统和重构系统状态的误差，这样原系统的状态就能被等价取出，从而进行状态反馈，达到极点配置改善系统的目的，这个重构的系统就叫状态观测器。 另外，状态观测器可以用来监测被控系统的各个参量。 观测器的设计线路不是唯一的，本实验采用较实用的设计。 给一个被控二阶系统，其开环传递函数是G （s ）=12 (1)(1)K T s T s ++ ，12 K K K =观测器如图示。 设被控系统状态方程 构造开环观测器，X ∧ Y ∧ 为状态向量和输出向量估值 由于初态不同，估值X ∧ 状态不能替代被控系统状态X ，为了使两者初态跟随，采用输出误差反馈调节，加入反馈量H(Y-Y)∧ ，即构造闭环观测器，闭环观测器对重构造的参数误差也有收敛作用。 也可写成 X =(A-HC)X +Bu+HY Y CX ? ∧ ∧ ∧∧ = 只要（A-HC ）的特征根具有负实部，状态向量误差就按指数规律衰减，且极点可任意配置，一般地，（A-HC ）的收敛速度要比被控系统的响应速度要快。工程上，取小于被控系统最小时间的3至5倍，若响应太快，H 就要很大，容易产生噪声干扰。 实验采用X =A X +Bu+H(Y-Y)? ∧ ∧∧ 结构，即输出误差反馈，而不是输出反馈形式。 取：1212min 35 20,5,2,0.5,0.2K K T T t λ-= =====，求解12g g ?????? 三、实验设备： THBDC-1实验平台 THBDC-1虚拟示波器 Matlab/Simulink 软件 四、实验步骤 按要求设计状态观测器 (一) 在Matlab 环境下实现对象的实时控制 1. 将ZhuangTai_model.mdl 复制到E:\MATLAB6p5\work 子目录下，运行matlab ，打开ZhuangTai_model.mdl 注：‘实际对象’模块对应外部的实际被控对象，在simulink 下它代表计算机与外部接口： ● DA1对应实验面板上的DA1，代表对象输出，输出通过数据卡传送给计算机； ● AD1对应实验面板上的AD1，代表控制信号，计算机通过数据卡将控制信号送给实际对象； Linear Systems Theory: A Structural Decomposition Approach 线性系统理论: 结构分解法 Ben M. Chen （陈本美） 新加坡国立大学 Zongli Lin（林宗利） 美国弗吉尼亚大学 Yacov Shamash (雅科夫 司马诩) 美国纽约州立大学石溪分校 此书献给我们的家人 前两位作者谨以这中译版献给他们的母校 厦门大学 目录 绪论 1 导论和预览 1.1 背景 1.2 各章预览 1.3 符号和术语 2 数学基础 2.1 导论 2.2 矢量空间和子空间 2.3 矩阵代数和特性 2.3.1 行列式、逆和求导 2.3.2 秩、特征值和约当型 2.3.3 特殊矩阵 2.3.4 奇异值分解 2.4 范数 2.4.1 矢量范数 2.4.2矩阵范数 2.4.3 连续时间信号范数 2.4.4 离散时间信号范数 2.4.5 连续时间系统范数 2.4.6 离散时间系统范数 3 线性系统理论复习 3.1 导论 3.2 动态响应 3.3 系统稳定性 3.4 可控性和可观性 3.5 系统可逆性 3.6 常态秩、有限零点和无限零点3.7 几何子空间 3.8 状态反馈和输出馈入的特性3.9 练习 4 无驱动和/或无检测系统的分解 4.1 导论 4.2 自治系统 4.3 无驱动系统 4.4 无检测系统 4.5 练习 5. 正则系统的分解 5.1 导论 5.2 SISO系统 5.3 严格正则系统 5.4 非严格正则系统 5.5 结构化分解特性的证明 5.6 系统矩阵的Kronecker型和Smith型5.7 离散时间系统 5.8 练习 6 奇异系统的分解 6.1 导论 6.2 SISO奇异系统 6.3 MIMO描述系统 6.4 定理6.3.1的证明和性质 6.5 离散时间奇异系统 6.6 练习 7 双线性变换的结构化映射 7.1 导论 7.2 连续到离散时间系统的映射 7.3 离散时间到连续时间系统的映射7.4 定理7.2.1的证明 7.5 练习 8 系统因子分解 8.1 导论 8.2 严格正则系统 8.3 非严格正则系统 8.4 离散时间系统 8.5 练习 9 通过选择传感器/执行器实现的结构配置9.1 导论 9.2 同时有限和无限零点结构配置 9.2.1 SISO系统 9.2.2 MIMO系统 RC 有源带通滤波器设计与仿真 摘要：简要介绍Pspice10.5的特点以及其实现有源滤波器仿真的基本方法，实现了带通滤波器设计，用仿真软件Pspice 对设计结果进行了仿真。 关键词：有源模拟滤波器；Pspice;仿真；设计 引言 随着数字化进程的不断推进，数字滤波器越来越广泛的应用在各个领域之中。但是模拟滤波器凭借自身的优势仍然有很高的研究价值。所有数字系统的前端，一般需要一个对微弱信号预处理的部分；在抽样量化之前，还需要一个对信号最高频率进行限制的处理。这些都只能使用模拟滤波器。RC 有源滤波器是模拟滤波器中最实用、应用范围最广泛的滤波器。其标准化电路的种类很少，仅使用及R 、C 元件，因此非常便于集成，这给推广应用带来革命性影响。因为不使用电感、特别是大型电感，也因为运放在性能的飞速提高的同时价格却一降再降，所以在成本方面有源滤波器已经变得比无源滤波器还有优势。本文基于这一点简单介绍了RC 有源滤波器的结构，以基于实现带通波器设计为例，完成了其设计过程，并利用电子仿真软件Pspice 进行了仿真。 1、OrCAD/Pspice10.5简介 对于仿真技术而言，目前最流行的是以美国伯克利分校开发的Spice 为核心的仿真软件，而以Spice 为核心开发的最好的仿真软件是OrCAD/Pspice10.5。它之所以流行就是因为他能很好地运行在PC 平台上且能很好地进行模拟数字混合信号的仿真，而且能解决很多设计上的实际问题。OrCAD10.5在以前版本的基础上扩展了许多功能，包括供设计输入的OrCADCaptureR ，供类比与混合讯号模拟用的PspiceRA/DBasics ，供电路板设计的 OrCADLayoutR 以及供高密度电路板自动绕线的SPECCTRAR 4U 。新加入的SPECCTRA ，用以支援设计日益复杂的各种高速、高密度印刷电路板设计。 OrCAD/PSpice 10.5软件的功能特点有： （1）对模拟电路不仅可进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析，而且可进行参数扫描分析和统计分析。 （2）以OrCAD/Capture 作为前端，除了以利用Capture 的电路图输入这一基本功能外，还可以实现OrCAD 中设计项目统一管理。 （3）将电路模拟结果和波形显示分析两个模块集成在一起。Probe 只是其中的一个窗口，在屏幕上可同时显示波形和输出文本等内容,Probe 还具有电路性能分析功能。 （4）使用PSpice 优化器能调整电路,在一定的约束条件下，对电路的某些参数进行调整，直到电路的性能达到要求为止。 2、RC 有源滤波器的设计 根据线性系统理论，n 阶滤波器的传递函数的一般形式为 11 10 111)()()(a s a s a s b s b s b s b s U s U s A n n n m m m m i o ++++++++==---- （1） （1）式中，m ≤n ；一个复杂的传递函数可以分解成几个简单的传递函数的乘积。上式中， 若n 为偶数，可分解为n/2个二阶滤波器的级联；而若n 为奇数，则可分解成一个一阶滤波器和(n-1)/2个二阶滤波器的级联。一阶、二阶滤波器是构成高阶滤波器的基本单元，二阶 滤波器单元传递函数可以写为：0 120 122)(a s a s b s b s b s A ++++=，其中分子系数0b 、1b 、2b 决定了 传递函数的零点位置，即决定滤波器类型(低通、高通、带通、带阻)，分母系数1a 、0a 决 毕 业 设 计 （论 文） 设计（论文）题目:_ 三阶随动系统串联校正的频率 __ 特性法设计及仿真研究_______ 单 位（系别）：______自动化系______ 学 生 姓 名：___ 陈海龙_________ 专 业：__电气工程及其自动化__ 班 级：___ 05111106________ 学 号：___ 0511110629______ 指 导 教 师：_______汪纪锋_________ 答辩组负责人：______________________ 填表时间： 20 15 年 6 月 重庆邮电大学移通学院教务处制 编 号：____________ 审定成绩：____________ 重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书 设计(论文)题目三阶随动系统串联校正的频率特性法设计及仿真研究 学生姓名陈海龙系别自动化系专业电气工程及其自动化班级 05111106 指导教师汪纪峰职称教授联系电话 42871150 教师单位自动化系下任务日期__2014 __年_12_月_ 20_ 日 毕业设计(论文)开始后一周内完成。 重庆邮电大学移通学院 毕业设计任务书（简明）技术资料 一、设计题目： 题目16 三阶随动系统串联校正的频率特性法设计及仿真研究 二、系统说明： 设三阶系统开环结构如下 (s)(s)(s)(0.11)(0.21) y k Gp r s s s =++ 三、系统参量： 校正前：系统输入信号：r （t ）；系统输出信号：y （t ）； 校正后：系统输入信号：u （t ）；系统输出信号：y （t ）； 四、设计指标： 1. 设定：在输入为r （t ）=u （t ）=a+bt ，（其中：a=4，b=1 sec. ） 2. 在保证静态速度误差系数Kv =30 1sec.的前提下，其动态期望指标： 040?γ≥ ； 2.3c rad s ω≥ 。 五、设计要求： 基于频率特性法，试设计一个串联校正闭环系统（如图示），以满足系统设计指 标。 重庆邮电大学移通学院 自动化系 指导教师： 汪纪峰 2014.12 实验1 Fisher 线性判别分析实验 一、摘要 Fisher 线性判别分析的基本思想：通过寻找一个投影方向（线性变换，线性组合），将高维问题降低到一维问题来解决，并且要求变换后的一维数据具有如下性质：同类样本尽可能聚集在一起，不同类的样本尽可能地远。 Fisher 线性判别分析，就是通过给定的训练数据，确定投影方向W 和阈值y0，即确定线性判别函数，然后根据这个线性判别函数，对测试数据进行测试，得到测试数据的类别。 二、算法的基本原理及流程图 1 基本原理 （1）W 的确定 各类样本均值向量mi 样本类内离散度矩阵i S 和总类内离散度矩阵 w S [ 12w S S S =+ 样本类间离散度矩阵b S 在投影后的一维空间中，各类样本均值T i i m '= W m 。样本类内离散度和总类内离散度 T T i i w w S ' = W S W S ' = W S W 。样本类间离散度T b b S ' = W S W 。 Fisher 准则函数满足两个性质： ·投影后，各类样本内部尽可能密集，即总类内离散度越小越好。 ·投影后，各类样本尽可能离得远，即样本类间离散度越大越好。 根据这个性质确定准则函数，根据使准则函数取得最大值，可求出W ： -1w 12W = S (m - m ) 。 （2）阈值的确定 实验中采取的方法：012y = (m ' + m ') / 2。 \ T x S (x m )(x m ), 1,2 i i i i X i ∈= --=∑T 1212S (m m )(m m )b =-- （3）Fisher线性判别的决策规则 对于某一个未知类别的样本向量x，如果y=W T·x>y0，则x∈w1；否则x∈w2。 2 流程图 方差标准化（归一化处理） 一个样本集中，某一个特征的均值与方差为： 归一化： 三、实验要求 寻找数据进行实验，并分析实验中遇到的问题和结论，写出实验报告。 课程名称： MATLAB及在电子信息课程中的应用实验名称：图像的傅里叶变换及其应用 设计四图像的傅里叶变换及其应用 一、设计目的 通过该设计，掌握傅里叶变换的定义及含义。 二、设计内容及主要的MATLAB 函数 1、图像的离散傅里叶变换 假设),(n m f 是一个离散空间中的二维函数，则该函数的二维傅里叶变换定义为 n j m j e e n m f f 21),()2,1(ωωωω--∞∞-∞∞-∑∑= 其中21ωω和是频域变量，单位是弧度/采样单元。函数),(21ωωf 为函数),(n m f 的频谱。 二维傅里叶反变换的定义为21212121),(),(ωωωωωωπ πωππωd d e e f n m f n j m j ??-=-== 因此，函数),(n m f 可以用无数个不同频率的复指数信号的和表示，在频率),(21ωω处复指数信号的幅度和相位为),(21ωωf MATLAB 提供的快速傅里叶变换函数 1）fft2：用于计算二维快速傅里叶变换，其语法格式为 b=fft2(I)，返回图像I 的二维傅里叶变换矩阵，输入图像I 和输出图像B 大小相同； b=fft2(I,m,n),通过对图像I 剪切或补零，按用户指定的点数计算二维傅里叶变换，返回矩阵B 的大小为m ?n 。 很多MATLAB 图像显示函数无法显示复数图像，为了观察图像傅里叶变换后的结果，应对变换后的结果求模，方法是对变换结果使用abs 函数。 2）fftn ：用于计算n 维快速傅里叶变换，其语法格式为 b=fftn(I)，计算图像的n 维傅里叶变换，输出图像B 和输入图像I 大小相同； b=fftn(I, size)，通过对图像I 剪切或补零，按size 指定的点数计算n 维傅里叶变换，返回矩阵B 的大小为size 。 3) fftshift ：用于将变换后的图像频谱中心从矩阵的原点移到矩阵的中心，其语法格式为 b=fftshift(I)，将变换后的图像频谱中心从矩阵的原点移到矩阵的中心。 Fisher线性判别上机实验报告 班级： 学号： 姓名： 一．算法描述 Fisher 线性判别分析的基本思想：选择一个投影方向（线性变换，线性组合），将高维问题降低到一维问题来解决，同时变换后的一维数据满足每一类内部的样本尽可能聚集在一起，不同类的样本相隔尽可能地远。 Fisher 线性判别分析，就是通过给定的训练数据，确定投影方向W 和阈值w0， 即确定线性判别函数，然后根据这个线性判别函数，对测试数据进行测试，得到测试数据的类别。 线性判别函数的一般形式可表示成0)(w X W X g T += 其中 ????? ??=d x x X 1 ?????? ? ??=d w w w W 21 Fisher 选择投影方向W 的原则，即使原样本向量在该方向上的投影能兼顾类间分布尽可能分开，类内样本投影尽可能密集的要求。 如下为具体步骤： （1）W 的确定 样本类内离散度矩阵i 和总类内离散度矩阵w S 12w S S S =+ T x S (x m )(x m ), 1,2 i i i i X i ∈= --=∑ 样本类间离散度矩阵b S 在投影后的一维空间中，各类样本均值T i i m '= W m 样本类内离散度和总类内离散度 T T i i w w S ' = W S W S ' = W S W 样本类间离散度T b b S ' = W S W Fisher 准则函数为 max 22 212 21~~)~~()(S S m m W J F +-= （2）阈值的确定 w 0 是个常数，称为阈值权,对于两类问题的线性分类器可以采用下属决策规则: 令) ()()(2 1 x x x g g g -=则： 如果g(x)>0,则决策w x 1∈；如果g(x)<0,则决策w x 2∈；如果g(x)=0,则可将x 任意分到某一类，或拒绝。 （3）Fisher 线性判别的决策规则 Fisher 准则函数满足两个性质： 1.投影后，各类样本内部尽可能密集，即总类内离散度越小越好。 2.投影后，各类样本尽可能离得远，即样本类间离散度越大越好。 根据这个性质确定准则函数，根据使准则函数取得最大值，可求出 W ：-1w 12W = S (m - m ) 。 这就是Fisher 判别准则下的最优投影方向。 最后得到决策规则 若 P P m m w w w x x g T ) ()(2112 log ))(21()(大于或小于+-=，则 {1 2w w x ∈ T 1212S (m m )(m m ) b =--线性系统大作业1
弹簧 质量 阻尼系统的建模与控制系统设计
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