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北京化工大学 841 控制原理 2022 年真题思维导图

211 院校共 7 题

难度:中等 全卷七道大题,自控与现控并重,含复合控制、频域稳定判据与离散化。第1题多输入结构图传函与由响应反求传函,第2题扰动稳态误差与奈奎斯特判稳,第3题根轨迹与超调量定参,第4题Bode图反求传函,第5题状态空间建模与离散化,第6题状态方程稳定性与极点配置可行性,第7题李雅普诺夫判稳。逐年各题印「本题满分 N 分」(21×4+22×3,批量模板,§138);宝典同年段无个性化值 → 七块分值留空、不凑150(§166)。

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1一、多输入结构图传函与由响应反求传函#

思路
  • 图1为含参考输入与扰动输入的复合结构,先令扰动为零用梅森公式求 C(s)/R(s);再令扰动到输出的传递函数为零反求前馈通道 G0(s);最后由给定零初始响应 Q(t) 取拉氏变换反求 G0(s)。
本卷考法
  • 用梅森公式求参考输入到输出的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先数清全部独立回路并找出不接触回路
  • 中间结果:特征式含一对两两不接触回路的乘积项
  • 卡点:回路与通路数目须回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 信号流图适合处理多回路、比较点复杂系统
  • 特征式 Δ=1-ΣL+ΣLL-ΣLLL+…
  • 每条前向通路的余子式要剔除与它接触的回路
  • 不接触回路才会计入高阶乘积项
步骤
  • 由结构图改画信号流图,标出各节点
  • 找出全部单独回路,求特征式 Δ
  • 找出全部前向通路 P_k
  • 对每条通路求余子式 Δ_k
  • 代入公式求总传输
通用考法
  • 本卷考过用梅森公式求参考输入到输出的闭环传函
  • 由信号流图求 C(s)/R(s)
  • 结构图先用梅森公式化简再作性能分析
  • 判断某条回路是否与给定前向通路接触
常见易错
  • 不接触回路找漏或重复计数
  • 余子式中未剔除与通路接触的回路
  • 把前向通路的增益写成了回路增益
公式
本卷考法
  • 令扰动到输出的传函为零反求前馈通道传函
本卷实例
  • 关键一步:分别求参考输入与扰动输入到输出的传递函数
  • 中间结果:令扰动通道分子为零解出前馈通道
  • 卡点:两条输入传函分母相同而分子不同
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 线性系统可用叠加原理,每次只保留一个输入
  • 求扰动的传递函数时令参考输入为零
  • 扰动误差与输入误差分别计算后再叠加
步骤
  • 令 R(s)=0,求扰动到输出的传递函数
  • 令 N(s)=0,求输入到输出的传递函数
  • 按题目要求叠加或单独分析
通用考法
  • 本卷考过令扰动到输出的传函为零反求前馈通道传函
  • 求扰动引起的输出或误差
  • 分析满足扰动不变性的补偿条件
常见易错
  • 两个输入同时存在时直接叠加却未验证系统的线性性
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式
本卷考法
  • 由零初始响应时域表达式反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对给定响应做拉氏变换得到输出象函数
  • 中间结果:输出象函数与输入象函数之比即为所求传函
  • 卡点:须先确认输入为单位阶跃再做除法
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由零初始响应时域表达式反求传递函数
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
公式

2二、扰动稳态误差、等幅振荡与奈奎斯特判稳#

思路
  • 由图2结构写扰动误差传递函数,用终值定理反求使扰动稳态误差为设定值的前馈增益并回代劳斯判据校验;令参考输入下闭环等幅振荡求临界增益与振荡频率;最后画开环幅频特性曲线并用奈奎斯特判据按增益分段讨论稳定性与不稳定根数。
本卷考法
  • 求扰动作用下稳态误差并反求前馈增益
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零写扰动到误差的传递函数
  • 中间结果:用终值定理求该误差的稳态值
  • 卡点:求得增益须回代判稳校验是否可行
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过求扰动作用下稳态误差并反求前馈增益
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据校验反求增益下系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程按降幂排列列劳斯表
  • 中间结果:首列元素均大于零才使系统稳定
  • 卡点:系数缺项须补零后再列表
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 特征方程各项系数全为正只是必要条件,不充分
  • 劳斯表首列元素全部同号 ⇔ 系统稳定
  • 首列符号变化次数等于右半平面闭环极点数
  • 首列出现 0 时需用 ε 法或乘辅助多项式处理
步骤
  • 写出闭环特征方程并整理成降幂排列
  • 若某次幂系数缺项,该项补零
  • 列劳斯表:前两行为系数,之后各行按交叉相减
  • 检查首列符号:全同号则稳定,有变号则数出个数
通用考法
  • 本卷考过用劳斯判据校验反求增益下系统的稳定性
  • 判断给定系统的稳定性
  • 指出右半平面闭环极点的个数
  • 求使系统稳定的参数范围
常见易错
  • 系数有缺项时不补零,直接套用判据
  • 首列出现 0 后仍按常规继续算,未用 ε 法
公式
本卷考法
  • 画开环对数幅频渐近特性曲线
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函写成典型环节乘积并定型别与增益
  • 中间结果:低频段斜率由型别决定、高度由增益决定
  • 卡点:各转折频率处斜率变化量勿漏累加
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 熟记 lg2≈0.3、lg5≈0.7、20lg2≈6dB
  • 从低频段开始逐段按各环节转折频率改变斜率
  • 低频段斜率由系统型别决定,高度由开环增益决定
  • 每经过一个转折频率斜率就叠加该环节的斜率变化
步骤
  • 把开环传递函数写成典型环节的标准乘积
  • 确定系统型别与开环增益,画出最低频段渐近线
  • 按转折频率从小到大逐段改斜率
  • 逐点叠加得到幅频与相频曲线
通用考法
  • 本卷考过画开环对数幅频渐近特性曲线
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
  • 计算指定频率处的幅值与相角
  • 由低频段斜率与高度判断型别与增益
常见易错
  • 逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 低频段起始高度没有乘上型别的 -20v dB/dec
公式
本卷考法
  • 由闭环特征方程求等幅振荡的临界增益与频率
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于虚轴频率代入闭环特征方程
  • 中间结果:令实部与虚部分别为零联立求解
  • 卡点:求得的负频率解须舍去
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹与虚轴的交点对应系统临界稳定
  • 可用劳斯判据令首列为零,或令 s=jω 代入特征方程求解
  • 交点处的 K 是使系统稳定的临界增益
步骤
  • 把 s=jω 代入闭环特征方程
  • 令实部与虚部分别为零,得到两个方程
  • 联立解出 ω 与 K
  • 结合实轴段信息确定根轨迹穿越方向
通用考法
  • 本卷考过由闭环特征方程求等幅振荡的临界增益与频率
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 确定系统稳定时 K 的取值范围
  • 判断根轨迹穿越虚轴的方向
常见易错
  • 只代一个 ω 就下结论,漏掉另一组交点
  • 得到 K 后没有回到原题核对参数定义
公式
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 按包围圈数判断闭环稳定与不稳定根数
本卷实例
  • 关键一步:先数开环在右半平面的极点数
  • 中间结果:净包围圈数加右半平面极点数得闭环右半平面根数
  • 卡点:开环无积分环节时不必补大圆弧
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环稳定 ⇔ Z=N+P,其中 Z 为右半平面闭环极点数
  • P 为开环右半平面极点数,须先数清楚
  • N 为开环幅相曲线绕 (-1,j0) 点的净包围圈数
  • 逆时针包围为正,顺时针为负
步骤
  • 先求开环极点,数出右半平面个数 P
  • 绘制开环幅相特性曲线(或利用 Bode 图判稳)
  • 数出曲线对 (-1,j0) 点的包围圈数 N
  • 由 Z=N+P 判断闭环稳定性
通用考法
  • 本卷考过按包围圈数判断闭环稳定与不稳定根数
  • 由开环幅相曲线判断闭环稳定性
  • 求使闭环稳定的开环增益范围
  • 判断补画虚轴绕行后曲线的包围情况
常见易错
  • 开环含有积分环节时未补画无穷大半径圆弧
  • 把包围圈数的正负号定义搞反
  • 没有先数开环右半平面极点数 P
公式

3三、根轨迹绘制与由超调量定参求调节时间#

思路
  • 由图3结构得开环传递函数,按法则画以增益k为变量的根轨迹,求渐近线、实轴段、分离点与虚轴交点;再由超调量要求定出阻尼比,令闭环极点落在等阻尼线上与根轨迹相交求k,按二阶近似求调节时间。
本卷考法
  • 按绘制法则画以增益k为变量的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标开环零极点并判断实轴上的根轨迹段
  • 中间结果:渐近线条数与夹角由零极点数目差确定
  • 卡点:开环极点与零点须回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 起于开环极点、终于开环零点(无穷远零点),分支数等于极点数 n
  • 实轴上某段右侧的零极点总数为奇数时,该段属于根轨迹
  • 渐近线条数为 n-m,交点在实轴上,与实轴夹角等分 360°
  • 根轨迹关于实轴对称
步骤
  • 标出全部开环零极点并判断实轴上的根轨迹段
  • 计算渐近线交点与夹角
  • 求出分离点、出射角、与虚轴交点
  • 按对称性连接各段并标出对应 K 值
通用考法
  • 本卷考过按绘制法则画以增益k为变量的根轨迹
  • 按法则绘制根轨迹草图
  • 指出渐近线条数与夹角
  • 判断某段实轴是否属于根轨迹
常见易错
  • 实轴段判据中的零极点个数算错
  • 渐近线夹角公式中的 2k+1 写成 2k
公式
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹的分离点与会合点
本卷实例
  • 关键一步:写出增益关于 s 的表达式并令其导数为零
  • 中间结果:解分离点方程后须用实轴段判据筛选
  • 卡点:不在根轨迹上的根要舍去
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 分离点是根轨迹离开实轴或相汇的点,对应特征方程的重根
  • 分离点必满足 dK/ds=0
  • 用试探法求解代数方程时要注意舍去不在根轨迹上的根
步骤
  • 由幅值条件解出 K 关于 s 的表达式
  • 令 dK/ds=0 得分离点方程
  • 解方程并用实轴段判据筛选
  • 代回求分离点处的 K 值
通用考法
  • 本卷考过求根轨迹的分离点与会合点
  • 求根轨迹的分离点坐标
  • 确定分离点处的临界增益
  • 判断解的取舍
常见易错
  • 求出方程根后不筛选,保留了不在根轨迹上的解
  • 用 dK/ds=0 却未化成 K 的显式表达式
公式
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于虚轴频率代入闭环特征方程
  • 中间结果:联立实部与虚部方程求交点频率与增益
  • 卡点:交点增益与分离点增益须分别计算
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹与虚轴的交点对应系统临界稳定
  • 可用劳斯判据令首列为零,或令 s=jω 代入特征方程求解
  • 交点处的 K 是使系统稳定的临界增益
步骤
  • 把 s=jω 代入闭环特征方程
  • 令实部与虚部分别为零,得到两个方程
  • 联立解出 ω 与 K
  • 结合实轴段信息确定根轨迹穿越方向
通用考法
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 确定系统稳定时 K 的取值范围
  • 判断根轨迹穿越虚轴的方向
常见易错
  • 只代一个 ω 就下结论,漏掉另一组交点
  • 得到 K 后没有回到原题核对参数定义
公式
本卷考法
  • 由给定超调量在等阻尼线上确定增益k
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比并在s平面画等阻尼线
  • 中间结果:等阻尼线与根轨迹的交点对应所求闭环极点
  • 卡点:按主导极点近似时须说明高阶极点可略
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环极点位置直接决定 ξ、ωn 与动态指标
  • 等阻尼线是从原点出发的射线,等 ωn 线是以原点为心的圆
  • 给定阻尼比要求时,极点落在等阻尼线上
  • 增益增大一般使系统响应加快但振荡加剧
步骤
  • 在 s 平面上画出等阻尼线或等 ωn 圆
  • 求其与根轨迹的交点
  • 由幅值条件求出交点对应的参数
  • 由极点位置估算动态性能
通用考法
  • 本卷考过由给定超调量在等阻尼线上确定增益k
  • 求满足给定阻尼比的参数值
  • 由闭环极点位置估算超调量与调节时间
  • 分析提高增益对性能的影响
常见易错
  • 把等阻尼线画成了垂直线
  • 由极点位置估指标时忽略零点的作用
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比与自然频率估算调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由交点极点读出阻尼比与自然频率
  • 中间结果:调节时间与阻尼比和自然频率的乘积成反比
  • 卡点:百分之二误差带所用系数与百分之五不同
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量只由 ξ 决定,与 ωn 无关
  • 峰值时间、上升时间、调节时间都与 ωn 成反比
  • 调节时间与 ξωn 的乘积成反比,ξωn 是衰减因子
  • 振荡次数与 ξ 直接相关
步骤
  • 由标准形式读出 ξ 与 ωn
  • 用超调量公式先求 ξ
  • 依次代入峰值时间、调节时间、上升时间公式
  • 必要时计算振荡次数
通用考法
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率估算调节时间
  • 给定 ξ 与 ωn 求全部动态性能指标
  • 由超调量要求确定 ξ 的取值范围
  • 分析 ωn 变化时各指标如何变化
常见易错
  • 把两种误差带的调节时间系数搞混
  • 峰值时间与上升时间混用
  • 超调量公式中漏乘 100%
公式

4四、由Bode图反求传函与相角裕度#

思路
  • 由图4对数渐近幅频特性读转折频率与剪切频率处的幅值关系,写出开环传递函数并确定增益;再由各环节相角叠加求剪切频率处的相角裕度。
本卷考法
  • 由对数幅频渐近特性反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由转折频率确定各一阶环节的时间常数
  • 中间结果:利用剪切频率处幅值为一定出开环增益
  • 卡点:转折频率与低频高度需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 低频段斜率给出积分环节个数即系统型别
  • 低频段高度或延长线与 0 dB 交点给出开环增益
  • 每个转折频率对应一个一阶或二阶环节
  • 斜率变化 -20 对应惯性环节,+20 对应一阶微分,-40 可能是振荡环节
步骤
  • 读低频段斜率确定型别 v
  • 由低频段高度或延长线确定增益 K
  • 逐个读出转折频率并判断对应环节类型
  • 结合相频曲线与谐振峰判定二阶环节参数
  • 写出并验证传递函数
通用考法
  • 本卷考过由对数幅频渐近特性反求开环传递函数
  • 由给定 Bode 图写出传递函数
  • 由实验频率特性辨识系统模型
  • 检验候选传递函数与曲线是否吻合
常见易错
  • 把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 斜率变化为 -40 时直接写成一阶环节
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由传递函数求剪切频率处的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由幅频特性确定剪切频率
  • 中间结果:相角裕度等于一百八十度加该频率处相角
  • 卡点:各环节相角须按频率累加且注意符号
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相角裕度 γ 在幅值穿越频率 ωc 处定义,γ=180°+∠G(jωc)
  • 幅值裕度 Kg 在相位穿越频率 ωg 处定义,单位可为分贝
  • γ>0 且 Kg>1 时闭环稳定(最小相位系统)
  • γ 主要影响超调,ωc 主要影响响应速度
步骤
  • 由幅频特性求 |G|=1 对应的穿越频率 ωc
  • 由相频特性求 ∠G=-180° 对应的频率 ωg
  • 分别代入公式求相角裕度与幅值裕度
  • 由裕度符号判断稳定性
通用考法
  • 本卷考过由传递函数求剪切频率处的相角裕度
  • 求系统的相角裕度与幅值裕度
  • 由裕度要求反求开环增益
  • 分析增益变化对裕度的影响
常见易错
  • 把 ωc 与 ωg 两个频率用反
  • 幅值裕度取倒数未取,导致结论反了
  • 非最小相位系统仍用同一判据
公式

5五、状态空间建模、状态转移矩阵与离散化#

思路
  • 由图5结构列写状态空间表达式并求状态转移矩阵,代入初始条件与阶跃输入用卷积积分求状态响应;再按零阶保持法求离散状态方程,由离散状态矩阵特征根判断采样周期为一秒时的稳定性。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由图5结构列写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:在积分器输出端设状态变量写一阶微分方程组
  • 中间结果:整理成矩阵形式的状态方程与输出方程
  • 卡点:各支路系数与反馈极性需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过由图5结构列写状态空间表达式
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵并代入初值与阶跃输入求响应
本卷实例
  • 关键一步:先求状态矩阵逆矩阵再做拉氏反变换
  • 中间结果:全响应等于零输入项加卷积积分项
  • 卡点:卷积积分的变量代换与上下限易写错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过求状态转移矩阵并代入初值与阶跃输入求响应
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 按零阶保持法求离散状态方程
本卷实例
  • 关键一步:以采样周期代入状态转移矩阵得离散状态矩阵
  • 中间结果:输入矩阵由状态转移矩阵在周期上的积分得到
  • 卡点:输出矩阵在离散化后保持不变
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散化状态方程由状态转移矩阵在采样周期处的取值构成
  • 输入矩阵是状态转移矩阵与输入矩阵乘积在采样周期上的积分
  • 带零阶保持器时即按上述积分式离散化,输出矩阵不变
步骤
  • 求连续系统的状态转移矩阵
  • 把采样周期代入得到离散状态矩阵
  • 对输入矩阵做积分得到离散输入矩阵
  • 写出差分形式的离散状态方程并按递推求采样点上的响应
通用考法
  • 本卷考过按零阶保持法求离散状态方程
  • 求连续系统在给定采样周期下的离散化状态方程
  • 由给出的状态响应反求系统矩阵再离散化
  • 计算采样点上的状态与输出序列
常见易错
  • 把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
  • 积分上限写成采样周期以外的量,或忘记乘输入矩阵
公式
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 判断离散系统在采样周期一秒时的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求离散状态矩阵的特征根
  • 中间结果:特征根模小于一则系统稳定
  • 卡点:稳定条件是模小于一而不是实部小于零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环脉冲传函的极点全部位于 z 平面单位圆内则稳定
  • 可直接求解特征根,也可用朱里判据或 w 变换后套劳斯判据
  • w 变换把单位圆内映射到左半平面
  • 采样周期增大会使稳定性变差
步骤
  • 写出闭环脉冲传递函数的特征方程
  • 选择方法:求根、朱里判据或 w 变换后用劳斯判据
  • 对含参数的系统求使稳定成立的参数范围
  • 必要时分析采样周期对稳定域的影响
通用考法
  • 本卷考过判断离散系统在采样周期一秒时的稳定性
  • 判断离散系统是否稳定
  • 求使系统稳定的采样周期或增益范围
  • 用 w 变换后套用劳斯判据
常见易错
  • 把稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
  • w 变换公式记错导致映射关系颠倒
公式

6六、状态方程稳定性与状态反馈极点配置可行性#

思路
  • 由给定状态矩阵求特征方程,由特征根实部判断系统是否稳定;构造能控性矩阵判秩并定位不可控极点,据此判断两组期望极点能否通过状态反馈配置。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由状态矩阵特征方程判断系统是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:由状态矩阵写特征方程并求特征根
  • 中间结果:有正实部特征根则系统不稳定
  • 卡点:三阶特征方程须完整展开再判根
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 特征方程各项系数全为正只是必要条件,不充分
  • 劳斯表首列元素全部同号 ⇔ 系统稳定
  • 首列符号变化次数等于右半平面闭环极点数
  • 首列出现 0 时需用 ε 法或乘辅助多项式处理
步骤
  • 写出闭环特征方程并整理成降幂排列
  • 若某次幂系数缺项,该项补零
  • 列劳斯表:前两行为系数,之后各行按交叉相减
  • 检查首列符号:全同号则稳定,有变号则数出个数
通用考法
  • 本卷考过由状态矩阵特征方程判断系统是否稳定
  • 判断给定系统的稳定性
  • 指出右半平面闭环极点的个数
  • 求使系统稳定的参数范围
常见易错
  • 系数有缺项时不补零,直接套用判据
  • 首列出现 0 后仍按常规继续算,未用 ε 法
公式
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能控性矩阵判秩并定位不可控极点
本卷实例
  • 关键一步:按输入矩阵逐列构造能控性矩阵
  • 中间结果:能控性矩阵降秩则系统不完全能控
  • 卡点:须再用秩判据定位哪个极点不可控
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过构造能控性矩阵判秩并定位不可控极点
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断两组期望极点能否通过状态反馈配置
本卷实例
  • 关键一步:只有不改变不可控极点的期望极点组才能配置
  • 中间结果:含不可控极点的期望组可实现,其余不可实现
  • 卡点:能控子空间维数决定可配置极点的个数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态反馈 u=-Kx+v 可任意配置闭环极点,前提是系统完全能控
  • 状态反馈不改变系统的零点
  • 极点配置通过比较期望与实际的闭环特征多项式求解 K
  • 状态反馈可能改变能观性
步骤
  • 先验证系统能控
  • 写出希望配置的极点并求期望特征多项式
  • 求闭环系统特征多项式 det(sI-A+BK)
  • 比较系数解出反馈增益阵 K
通用考法
  • 本卷考过判断两组期望极点能否通过状态反馈配置
  • 设计状态反馈使闭环极点位于指定位置
  • 判断给定极点是否可通过状态反馈配置
  • 分析状态反馈对系统性能的影响
常见易错
  • 未验证能控性就直接做极点配置
  • 特征多项式比较系数时符号写反
公式

7七、用李雅普诺夫第二法判稳#

思路
  • 由图给出的二阶系统状态矩阵,取对称正定矩阵代入李雅普诺夫方程求解,由解矩阵的正定性判断零平衡点的稳定性;也可由特征方程根实部交叉验证。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 解李雅普诺夫方程并由解矩阵正定性判稳
本卷实例
  • 关键一步:取对称矩阵代入李雅普诺夫方程并解出各元素
  • 中间结果:解矩阵不是正定矩阵则系统不稳定
  • 卡点:系统矩阵须回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 第一法通过线性化系统的特征值判断原系统的局部稳定性
  • 第二法用李雅普诺夫函数直接判断稳定性,无需解方程
  • 李雅普诺夫函数正定且其导数为负定则渐近稳定
  • 线性定常系统中李雅普诺夫方程有正定解等价于系统稳定
步骤
  • 选取或构造李雅普诺夫函数
  • 沿系统轨迹求其对时间的导数
  • 判断函数与导数的正负定性
  • 据此得出稳定性结论
通用考法
  • 本卷考过解李雅普诺夫方程并由解矩阵正定性判稳
  • 用李雅普诺夫方程判断系统稳定性
  • 构造李雅普诺夫函数证明渐近稳定
  • 分析非线性系统的稳定性范围
常见易错
  • 李雅普诺夫方程中 P、Q 的角色混用
  • 只判断 V 正定就下结论而未检查导数
公式
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由特征方程根判断系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由系统矩阵写出特征方程并解特征根
  • 中间结果:特征根有正实部则系统不稳定
  • 卡点:系统矩阵须回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 特征方程各项系数全为正只是必要条件,不充分
  • 劳斯表首列元素全部同号 ⇔ 系统稳定
  • 首列符号变化次数等于右半平面闭环极点数
  • 首列出现 0 时需用 ε 法或乘辅助多项式处理
步骤
  • 写出闭环特征方程并整理成降幂排列
  • 若某次幂系数缺项,该项补零
  • 列劳斯表:前两行为系数,之后各行按交叉相减
  • 检查首列符号:全同号则稳定,有变号则数出个数
通用考法
  • 本卷考过由特征方程根判断系统稳定性
  • 判断给定系统的稳定性
  • 指出右半平面闭环极点的个数
  • 求使系统稳定的参数范围
常见易错
  • 系数有缺项时不补零,直接套用判据
  • 首列出现 0 后仍按常规继续算,未用 ε 法
公式