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长安大学 812 自动控制理论(含现控) 2022 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等偏难 8道大题:弹簧阻尼机械系统建模、二阶系统临界稳定与超调量及无稳态误差条件、四阶系统根轨迹与稳定K范围、Bode图绘制与滞后校正的稳定性分析、非线性描述函数法求不自振K范围、采样系统脉冲传函与稳态误差、非线性状态方程李雅普诺夫两法、状态空间传函与能控能观标准型及全维观测器

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1一、弹簧阻尼机械系统建模求传递函数#

思路
  • 对图中有阻尼与两弹簧并联的机械系统作受力分析,由牛顿第二定律列微分方程,再取拉氏变换并置零初始条件求位移对力的传递函数
本卷考法
  • 由弹簧阻尼机械系统求位移对力的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按并联关系先求两弹簧的等效弹性系数
  • 中间结果:由牛顿第二定律列二阶微分方程
  • 卡点:质量块受力方向以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由弹簧阻尼机械系统求位移对力的传递函数
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 本卷考过阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 对质量块列写力平衡运动方程
本卷实例
  • 关键一步:分别写出弹性恢复力与阻尼阻力表达式
  • 中间结果:整理成位移对力的二阶微分方程
  • 卡点:两弹簧连接方式的等效关系需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 依据牛顿第二定律或达朗贝尔原理列方程
  • 三种基本元件:质量 m、粘性阻尼 f、弹簧 k
  • 同一方向取正,反向取负,逐项列出合力
步骤
  • 选定正方向并作受力分析
  • 分别写出质量、阻尼、弹簧对应的力
  • 按 F=ma 列写运动方程
  • 取拉氏变换整理成传递函数
通用考法
  • 本卷考过对质量块列写力平衡运动方程
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 两质量块经弹簧阻尼连接的系统建模
常见易错
  • 本卷考过弹簧串并联等效关系算错
  • 阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
公式

2二、二阶系统临界稳定、超调量与无稳态误差条件#

思路
  • 由方框图写闭环特征方程,前馈环节为零时用劳斯判据求临界增益;由超调量指标定阻尼比后与特征方程系数比对求增益;再令误差传函恒为零求所需前馈环节
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求系统临界稳定时的增益
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并补全缺项
  • 中间结果:令劳斯表首列某元素为零求临界增益
  • 卡点:临界振荡频率需由辅助方程核验
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求系统临界稳定时的增益
  • 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
  • 本卷考过首列出现零后仍按常规继续算
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量指标求阻尼比与主导极点增益
本卷实例
  • 关键一步:由给定超调量反解阻尼比
  • 中间结果:按主导极点位置与特征多项式系数比对
  • 卡点:主极点与第三个闭环根的距离需核对
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
  • 本卷考过由超调量指标求阻尼比与主导极点增益
  • 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
  • 本卷考过超调量公式中漏乘100%
  • 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
本卷考法
  • 求使系统无稳态误差所需的前馈环节
本卷实例
  • 关键一步:写出误差传函并令其分子恒为零
  • 中间结果:解出前馈环节与对象参数的关系式
  • 卡点:前馈不改变闭环特征方程,稳定性不变
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过求使系统无稳态误差所需的前馈环节
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 本卷考过只谈误差为零而不检查闭环稳定性
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式

3三、四阶系统根轨迹与稳定K范围#

思路
  • 由单位反馈开环传函按根轨迹法则画四阶系统根轨迹,求渐近线、分离点与虚轴交点,再由劳斯判据得系统稳定时增益的取值范围
本卷考法
  • 按绘制法则画四阶系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出四重开环极点并求渐近线交点
  • 中间结果:由夹角公式补全四条渐近线
  • 卡点:实轴根轨迹段判据需逐段核对
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四阶系统根轨迹
  • 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
  • 本卷考过渐近线夹角公式中的2k+1写成2k
  • 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:令dK/ds为零得含s的三次方程
  • 中间结果:用实轴段判据剔除增根
  • 卡点:分离点处的临界增益需回代校验
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
  • 本卷考过求出驻点后不筛选保留不在轨迹上的解
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及稳定K范围
本卷实例
  • 关键一步:令劳斯表首列为零求临界增益
  • 中间结果:由辅助方程解出交点频率
  • 卡点:交点增益与劳斯判据需互相验证
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交点及稳定K范围
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论
  • 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

4四、Bode图绘制与串联滞后校正的稳定性分析#

思路
  • 分别写出校正前与校正装置的幅频相频表达式并画渐近幅频特性;由幅值为1求各自截止频率、由该处相角求相角裕度;再比较校正前后的稳定性
本卷考法
  • 画校正前后的开环对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:由各转折频率逐段叠加斜率
  • 中间结果:得到两条折线型渐近幅频曲线
  • 卡点:转折频率处的斜率变化需逐段核对
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
  • 本卷考过画校正前后的开环对数渐近幅频特性
  • 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
  • 本卷考过逐段改斜率时忘记累加而是替换
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 计算校正前后的截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅值为1的条件分别解出两截止频率
  • 中间结果:按相频表达式累加各环节相角
  • 卡点:估算频率处的相角需按题面精度
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
  • 本卷考过计算校正前后的截止频率与相角裕度
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率用反
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 分析串联滞后校正装置对稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:由分子分母时间常数判断为滞后网络
  • 中间结果:比较校正前后相角裕度的变化
  • 卡点:校正装置的转折频率与增益需按源文核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过分析串联滞后校正装置对稳定性的影响
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 本卷考过把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式

5五、非线性系统描述函数法求不自振K范围#

思路
  • 先按给定参数写出死区继电特性的描述函数与负倒描述函数极值,再写线性部分幅相特性,由两条曲线无交点列不等式求不产生自振的增益范围
本卷考法
  • 由给定参数写死区非线性描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按死区继电输入输出关系分段积分
  • 中间结果:得含振幅与门限高度的描述函数
  • 卡点:非线性参数与门限以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过由给定参数写死区非线性描述函数
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 本卷考过把饱和特性与死区特性混为一谈
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求负倒描述函数的极值点
本卷实例
  • 关键一步:对负倒描述函数求导找极值
  • 中间结果:极值处振幅与门限成固定比例
  • 卡点:振幅趋于门限与无穷时曲线走向需讨论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过求负倒描述函数的极值点
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 本卷考过画的是N(A)而不是负倒描述函数
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式
本卷考法
  • 由无交点条件列不等式求K范围
本卷实例
  • 关键一步:把负倒曲线与线性部分幅相曲线画于复平面
  • 中间结果:令相角负一百八十度处幅值小于负倒极值
  • 卡点:增益边界与非线性参数需回代验证
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 自振条件为 G(jω)N(A)=-1,即线性部分特性与负倒描述函数曲线相交
  • 交点给出自振频率 ω 与自振幅值 A
  • 负倒描述函数曲线上幅值增大的方向决定自振是否稳定
  • 交点处两条曲线的走向关系决定极限环稳定性
步骤
  • 求线性部分的频率特性 G(jω)
  • 求非线性环节的负倒描述函数 -1/N(A) 并确定 A 的增大方向
  • 在同一复平面上画两条曲线并求交点
  • 由交点处的走向判断自振是否存在且稳定,读出 ω 与 A
通用考法
  • 本卷考过由无交点条件列不等式求K范围
  • 判断系统是否产生自持振荡
  • 求自振频率与自振幅值
  • 分析参数变化对自振的影响
常见易错
  • 本卷考过未标注振幅增大方向就判断稳定性
  • 画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
  • 未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 把交点频率当成截止频率
公式

6六、采样系统脉冲传函与稳态误差#

思路
  • 对含零阶保持器的连续部分作z变换求开环脉冲传函,由闭环脉冲传函与特征方程判稳;再对单位阶跃输入用终值定理求稳态误差
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把连续部分与零阶保持器合并后展开部分分式
  • 中间结果:逐项查表得开环与闭环脉冲传函
  • 卡点:采样开关位置需按结构图核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 脉冲传递函数是零初始条件下输出与输入 z 变换之比
  • 连续环节串联时若中间没有采样开关,不能直接相乘
  • 闭环脉冲传递函数的写法取决于采样开关的位置
  • G(z)=Z[G(s)] 中的保持器要一并计入
步骤
  • 确定采样开关位置并画出离散化结构图
  • 对包含保持器的连续部分整体做 z 变换
  • 按串并联或反馈等效写出脉冲传递函数
通用考法
  • 本卷考过求含零阶保持器的闭环脉冲传递函数
  • 求开环或闭环脉冲传递函数
  • 比较不同采样开关位置对结果的影响
  • 由连续传递函数求脉冲传递函数
常见易错
  • 本卷考过把无采样开关隔开的环节直接相乘
  • 把两个无采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 忘记把零阶保持器计入 G(z)
公式
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环特征方程判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并求其特征根
  • 中间结果:由特征根模小于1判定稳定
  • 卡点:边界增益处的稳定性需单独核对
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
  • 本卷考过由闭环特征方程判断离散系统稳定性
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求单位阶跃输入下的离散稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写出误差脉冲传函并乘输入z变换
  • 中间结果:由z趋于1取极限得稳态误差
  • 卡点:输入幅值与采样周期需按题面代入
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过求单位阶跃输入下的离散稳态误差
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 本卷考过未判稳就直接用终值定理
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
公式

7七、非线性状态方程的李雅普诺夫两法#

思路
  • 先令状态导数为零求唯一平衡点,求雅可比矩阵用第一法判断;再取二次型正定函数沿非线性方程求导,由导数负定性判大范围渐近稳定并讨论参数符号
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 求平衡点并作小偏差线性化
本卷实例
  • 关键一步:令两状态导数同时为零求平衡点
  • 中间结果:在平衡点处求偏导得线性化矩阵
  • 卡点:参数符号决定结论,需分类讨论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过求平衡点并作小偏差线性化
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 本卷考过未先求平衡点就直接展开
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 分别用李雅普诺夫第一法与第二法判稳
本卷实例
  • 关键一步:第一法解特征方程、第二法取二次型函数求导
  • 中间结果:导数中一次项相消只剩高次项决定符号
  • 卡点:参数为正时导数符号改变需另判
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
  • 本卷考过分别用李雅普诺夫第一法与第二法判稳
  • 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
  • 本卷考过特征值实部为零时仍直接下结论
  • 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

8八、状态空间传函、能控能观标准型与全维观测器#

思路
  • 由状态空间表达式求传递函数;分别写能控标准型与能观标准型;再由能观性构造全维观测器,比较期望极点多项式与观测器特征多项式解出增益阵
本卷考法
  • 由三阶状态空间表达式求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按C(sI-A)逆B求传函
  • 中间结果:分子分母由伴随矩阵与特征多项式给出
  • 卡点:状态矩阵元素需回原卷核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由状态空间求传递函数为 C(sI-A)^{-1}B+D
  • 传递函数只反映能控能观子系统,含零极点对消
  • 系统的特征值等于传递函数的极点
  • 同一传递函数对应的状态空间实现不唯一
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 按公式求 G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D
  • 与已知传递函数比对,判断是否发生零极点对消
通用考法
  • 本卷考过由三阶状态空间表达式求传递函数
  • 由状态空间表达式求传递函数
  • 判断状态空间实现是否存在零极点对消
  • 比较不同实现对应的传递函数是否相同
常见易错
  • 本卷考过漏掉直接传递项D
  • 漏掉直接传递项 D
  • 把特征值个数与传递函数极点数直接等同而不检查对消
公式
本卷考法
  • 写能控标准型与能观标准型
本卷实例
  • 关键一步:按分母多项式系数写能控标准型
  • 中间结果:转置并整理得能观标准型
  • 卡点:两种标准型的输出矩阵写法需区分
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 同一传递函数可对应无穷多个状态空间实现
  • 常用能控标准型、能观标准型与对角标准型
  • 能控标准型的 A 阵为友矩阵形式
  • 最小实现要求系统既能控又能观
步骤
  • 把传递函数化为真分式,分离直接项 D
  • 按标准型规则写出 A、B、C、D
  • 必要时用线性变换换成其他标准型
通用考法
  • 本卷考过写能控标准型与能观标准型
  • 由传递函数写出能控标准型
  • 由传递函数写出能观标准型
  • 判断给定的实现是否为最小实现
常见易错
  • 本卷考过友矩阵中系数符号写反
  • 真分式化分时直接项 D 处理错误
  • 友矩阵中系数符号写反
公式
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计全维状态观测器并写表达式
本卷实例
  • 关键一步:先判能观性再写观测器特征多项式
  • 中间结果:比较期望极点多项式解出增益矩阵
  • 卡点:观测器方程与结构图需按题面约定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态观测器用输出与输入重构状态,前提是系统能观
  • 极点配置法与龙伯格观测器是两种常用形式
  • 观测器误差动态由 A-LC 的特征值决定
  • 观测器极点通常取得比系统极点快若干倍
步骤
  • 验证系统能观性
  • 写出观测器方程并求误差动态矩阵
  • 按期望特征多项式比较系数求出 L
  • 校验观测器收敛速度是否合适
通用考法
  • 本卷考过设计全维状态观测器并写表达式
  • 设计全维状态观测器
  • 由期望观测器极点求反馈增益阵 L
  • 分析观测器与状态反馈组合后的系统极点
常见易错
  • 本卷考过把观测器增益阵写成状态反馈增益阵形式
  • 把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 忽略观测器极点过快会放大噪声
公式