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华北电力大学 819 控制原理 2023 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等 全卷八题,经典控制六题加现代控制两题。覆盖多回路方框图与扰动无影响、电网络建模与阶跃响应、参数稳定域与斜坡误差、根轨迹与稳定裕度、描述函数法求稳定条件、离散系统脉冲传函与稳定范围、状态转移矩阵与状态解、状态空间建模与极点配置。卷面逐题印分值。

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1一、方框图与扰动无影响条件#

思路
  • 用梅森公式求输入与扰动两通道的闭环传函和特征方程,再令扰动通道传函为零求补偿环节。
本卷考法
  • 用梅森公式写多回路系统的闭环传递函数与特征式
本卷实例
  • 关键一步:找出全部回路并判断两两是否接触
  • 关键一步:列特征式与前向通路的余子式
  • 中间结果:特征式等于一减去各回路增益之和
  • 卡点:源图回路编号与接触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
  • 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写多回路系统的闭环传递函数与特征式
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 把多回路结构图按信号流向逐层等效
本卷实例
  • 关键一步:区分局部反馈回路与主通路,自内向外等效
  • 中间结果:等效后化为两条前向通路与三个回路
  • 卡点:回路增益正负号需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过把多回路结构图按信号流向逐层等效
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
本卷考法
  • 分别求给定输入与扰动输入作用下的闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:求某通道时把另一输入置零再列前向通路
  • 中间结果:两通道分母相同而分子由各自通路决定
  • 卡点:扰动通道前向通路的方向与符号易取反
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
  • 本卷考过分别求给定输入与扰动输入作用下的闭环传递函数
  • 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

2二、电网络建模与阶跃响应#

思路
  • 由 RLC 电路的串并联阻抗求传递函数,代入参数后用拉氏反变换求阶跃响应。
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由两级 RC 网络的串并联关系求输入输出传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用复阻抗写出各支路并联阻抗
  • 关键一步:按分压关系写输出电压比
  • 中间结果:传递函数分母含两个电容决定的状态量
  • 卡点:电路图元件编号需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过由两级 RC 网络的串并联关系求输入输出传递函数
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式
本卷考法
  • 把电路阻抗表达式整理为标准传递函数形式
本卷实例
  • 关键一步:通分整理成 s 的降幂有理分式
  • 中间结果:代入参数后分母为二阶多项式
  • 卡点:分母各项系数并项时易出错
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
  • 本卷考过把电路阻抗表达式整理为标准传递函数形式
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由二阶传递函数求单位阶跃输入下的输出响应
本卷实例
  • 关键一步:把输出响应拆成部分分式再逐项反变换
  • 中间结果:响应由稳态项与两个衰减指数项叠加
  • 卡点:第2问末尾印成响应等于零,疑为OCR误植
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 全响应由零输入响应与零状态响应两部分叠加而成
  • 零输入响应的形式由特征根决定,系数由初始条件定
  • 零状态响应用卷积或拉氏变换法求,也可查典型输入的响应表
  • 初值条件要区分零时刻前后的跳变,含输入导数项的方程会在零时刻产生跳变
步骤
  • 写出微分方程并取拉氏变换,把初始条件作为等效输入移到等号右端
  • 分别求零输入解与零状态解,再相加得全响应
  • 用初始条件定常数,必要时用终值核对稳态值
  • 检查求得的解在零时刻是否等于给定初值
通用考法
  • 本卷考过由二阶传递函数求单位阶跃输入下的输出响应
  • 由微分方程与初始条件求系统的全响应
  • 分别求零输入响应与零状态响应
  • 判断给定初值下响应是否单调或是否有极值
常见易错
  • 只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 分子含输入导数时忽略零时刻的跳变,导致初值对不上
公式

3三、参数稳定域、斜坡误差与根轨迹#

思路
  • 由结构图求开环传函与闭环特征方程,用劳斯判据写参数稳定条件,再求斜坡误差并绘制根轨迹。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由结构图求开环传函并写含参数的闭环特征方程
本卷实例
  • 关键一步:按信号流向把内回路等效后再与主通路串联
  • 中间结果:特征方程为二阶且系数含增益与时间常数
  • 卡点:反馈通道为积分环节,型别判断易错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过由结构图求开环传函并写含参数的闭环特征方程
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据写出参数满足的稳定取值关系
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并要求首列各元为正
  • 中间结果:稳定条件化为一组乘积大于零的不等式
  • 卡点:参数均大于零的前提要一并说明
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳定条件是一组关于参数的不等式
  • 区间端点通常对应临界稳定,即根落在虚轴上
  • 稳定域是不等式组的交集
步骤
  • 由劳斯表首列各元素大于零列出不等式组
  • 逐个解不等式并取交集
  • 检查端点是否为临界稳定
通用考法
  • 本卷考过用劳斯判据写出参数满足的稳定取值关系
  • 求使系统稳定的参数上界或下界
  • 判断某参数取值是否满足稳定要求
  • 比较不同参数对稳定域大小的影响
常见易错
  • 只列出部分首列元素的不等式,漏掉某个约束
  • 取交集时把端点是否包含搞错
公式
本卷考法
  • 求一型系统在单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先由开环传函判断系统型别
  • 关键一步:再用静态速度误差系数求误差
  • 中间结果:误差由开环增益与积分时间常数组成
  • 卡点:须在稳定前提下才能用终值定理
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态误差由系统型别与输入类型共同决定
  • 0 型对阶跃有差、Ⅰ型对斜坡有差、Ⅱ型对加速度有差
  • 低型别系统对高阶输入的误差为无穷大
步骤
  • 判断系统型别并联立稳定性检查
  • 写出输入信号的拉氏变换
  • 用终值定理求 e_ss,或直接查表
  • 必要时按叠加原理分别计算各分量
通用考法
  • 本卷考过求一型系统在单位斜坡输入下的稳态误差
  • 求给定输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 比较不同型别系统的跟踪能力
常见易错
  • 未判稳就使用终值定理
  • 输入为组合信号时漏掉某一分量
  • Ⅰ型系统求阶跃误差时误代入速度误差公式
公式
本卷考法
  • 参数取定值后绘制增益变化时的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:求等效开环零点与极点
  • 关键一步:定实轴区间、渐近线与分离点
  • 中间结果:两条根轨迹中一条终止于无穷远
  • 卡点:等效开环零点来自反馈通道,别漏
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
  • 本卷考过参数取定值后绘制增益变化时的根轨迹
  • 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

4四、根轨迹与稳定裕度#

思路
  • 由结构图求开环传函,用根轨迹与虚轴交点判稳,再计算幅值裕量与相角裕量。
本卷考法
  • 绘制含一个开环零点的三阶系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由零极点定实轴区间、渐近线与分离点
  • 中间结果:三条根轨迹中两条趋于无穷远
  • 卡点:分离点方程的各根需舍去不在轨迹上的
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
  • 本卷考过绘制含一个开环零点的三阶系统根轨迹
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由虚轴交点求使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于 jω 代入闭环特征方程
  • 关键一步:实部虚部分别为零后联立
  • 中间结果:除原点外没有其他虚轴交点
  • 卡点:根轨迹不过虚轴时稳定范围为全增益
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
  • 本卷考过由虚轴交点求使系统稳定的增益范围
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求幅值裕量与相角裕量并判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由相频等于负一百八十度求幅值穿越频率
  • 关键一步:由幅值等于一求剪切频率
  • 中间结果:穿越频率与剪切频率由渐近线分段求解
  • 卡点:源文答案段裕量数值前后矛盾,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求幅值裕量与相角裕量并判断稳定性
  • 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、描述函数法求稳定条件#

思路
  • 由死区继电特性求负倒描述函数及其极值,与线性部分奈奎斯特曲线比较,用不交条件求死区与继电器幅值的稳定关系。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由死区继电特性的描述函数求负倒描述函数及极值
本卷实例
  • 关键一步:写出负倒描述函数随振幅变化的表达式
  • 关键一步:求其对振幅的极值点与极值
  • 中间结果:负倒描述函数在振幅为某倍死区时取极值
  • 卡点:负倒描述函数是有极值的曲线,不是单调射线
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
  • 本卷考过由死区继电特性的描述函数求负倒描述函数及极值
  • 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
  • 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
  • 由两曲线不相交求系统稳定的参数条件
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分相频等于负一百八十度处的幅值
  • 关键一步:令其小于负倒描述函数极值的绝对值
  • 中间结果:稳定条件化为死区与继电器幅值的不等式
  • 卡点:比较的是两曲线的最不利间距,不能只比交点
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
  • 本卷考过由两曲线不相交求系统稳定的参数条件
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 说明死区与继电器幅值对自振的影响
本卷实例
  • 关键一步:死区增大使负倒描述函数极值点外移
  • 关键一步:继电器幅值增大则线性部分相对缩小
  • 中间结果:两参数共同决定系统是否自振
  • 卡点:参数变化方向易与曲线平移方向搞反
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
  • 本卷考过说明死区与继电器幅值对自振的影响
  • 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
  • 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

6六、离散系统脉冲传函与稳定范围#

思路
  • 由差分方程求数字控制器的 z 传函,与对象 z 变换相乘得开环脉冲传函,用朱莉判据求稳定增益范围。
本卷考法
  • 由差分方程求数字控制器的脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对差分方程在零初始条件下取 z 变换
  • 关键一步:整理成输出与输入 z 变换之比
  • 中间结果:控制器为含零点与极点的 z 有理式
  • 卡点:源文把 z 负一次幂OCR成z平方,需按差分方程还原
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最少拍系统指在典型输入下经过有限拍达到无稳态误差
  • 设计需要满足可实现性与稳定性约束
  • 最少拍系统的闭环脉冲传递函数由输入类型确定
  • 最少拍设计通常导致很大的控制量,需加限制
步骤
  • 确定输入类型及对应的误差传函形式
  • 按无稳态误差要求构造闭环脉冲传递函数
  • 由 D(z)=Φ(z)/[G(z)(1-Φ(z))] 求数字控制器
  • 检验可实现性、稳定性与控制量大小
通用考法
  • 本卷考过由差分方程求数字控制器的脉冲传递函数
  • 设计最少拍数字控制器
  • 比较不同输入类型下的最少拍数
  • 分析最少拍系统存在的问题
常见易错
  • 忽略 D(z) 必须是物理可实现的因果系统
  • 闭环传函构造时未满足稳定性约束条件
公式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求采样系统开环脉冲传函与闭环特征方程
本卷实例
  • 关键一步:把保持器与连续对象合并作 z 变换
  • 关键一步:控制器与对象 z 传函相乘得开环
  • 中间结果:开环脉冲传函含一个积分环节对应的极点
  • 卡点:零阶保持器要与连续对象合并后再变换
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
  • 本卷考过求采样系统开环脉冲传函与闭环特征方程
  • 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
  • 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
  • 用朱莉判据求离散系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征多项式
  • 关键一步:按朱莉判据列边界条件不等式组
  • 中间结果:稳定范围由三个不等式取交集得到
  • 卡点:朱莉判据条件多,漏一条会放大稳定范围
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
  • 本卷考过用朱莉判据求离散系统稳定的增益范围
  • 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

7七、状态转移矩阵与状态方程的解#

思路
  • 由状态转移矩阵在零时刻的导数求状态矩阵,再用全响应公式求给定初始条件与阶跃输入下的状态解。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵求状态矩阵并求给定输入下的状态解
本卷实例
  • 关键一步:对转移矩阵求导并取零时刻值得 A
  • 关键一步:用零输入响应加卷积积分求全响应
  • 中间结果:状态解由初始响应与输入卷积两部分叠加
  • 卡点:源文答案段 A 阵OCR成重复项,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由状态转移矩阵求状态矩阵并求给定输入下的状态解
  • 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

8八、状态空间建模、稳定性与极点配置#

思路
  • 由方框图自选状态变量建状态空间模型,判渐进稳定性与能控性,再设计状态反馈把极点配置到期望位置。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统方框图自选状态变量建立状态空间模型
本卷实例
  • 关键一步:取各积分器输出为状态变量
  • 关键一步:按环节关系列写一阶微分方程组
  • 中间结果:状态矩阵系数由各支路增益决定
  • 卡点:方框图接线与增益正负需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由系统方框图自选状态变量建立状态空间模型
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统特征根判断系统是否渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵特征方程并判断根的位置
  • 中间结果:特征方程含零根,只是李雅普诺夫意义下稳定
  • 卡点:有零根不能判渐近稳定
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
  • 本卷考过由系统特征根判断系统是否渐近稳定
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统能控性以决定能否任意配置极点
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性判别矩阵并求秩
  • 中间结果:能控性矩阵满秩说明可配置极点
  • 卡点:不满秩时需做能控分解而非直接配置
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
  • 本卷考过判断系统能控性以决定能否任意配置极点
  • 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
  • 用状态反馈把闭环极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:写期望特征多项式
  • 关键一步:与 A 减 BK 的特征多项式比较系数
  • 中间结果:三个增益由三个系数方程联立解出
  • 卡点:比较系数前先确认系统能控
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
  • 本卷考过用状态反馈把闭环极点配置到指定位置
  • 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