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考慮線性定常系統(tǒng)和性能指標(biāo)如下：

其中實數(shù)r>0為性能指標(biāo)可調(diào)參數(shù)。試回答
（1）當(dāng)參數(shù)r固定時，求使得性能指標(biāo)J最小化的最優(yōu)狀態(tài)反饋控制器。
（2）當(dāng)參數(shù)r增大時，分析閉環(huán)系統(tǒng)性能的變化。

雙足直立機(jī)器人可以近似為一個倒立擺裝置，如圖所示。假設(shè)倒立擺系統(tǒng)的一個平衡點線性化狀態(tài)空間模型如下：

其中，狀態(tài)變量，y是小車的位移，θ是擺桿的偏移角，u是作用在小車上的動力。試回答

（1）雙足直立機(jī)器人在行走過程中被人推了一把而偏離垂直面，那么根據(jù)倒立擺原理，請問雙足直立機(jī)器人在該擾動推力消失后還能回到垂直面位置嗎？
（2）如果不能，那么請你從控制學(xué)的角度，給出兩種能夠使雙足直立機(jī)器人在擾動推力消失后回到垂直面位置的方法。
（3）請結(jié)合倒立擺模型，簡單敘述雙足直立機(jī)器人能控性的含義。
（4）在狀態(tài)反饋控制器設(shè)計中，需要用到系統(tǒng)的所有狀態(tài)信息，但根據(jù)倒立擺原理，可測量的狀態(tài)信息只有水平移動的位移y，那么你有什么方法可以實現(xiàn)這個狀態(tài)反饋控制器的設(shè)計？你所用方法的條件是什么？依據(jù)是什么？請結(jié)合倒立擺模型，給出你使用方法的實現(xiàn)過程。