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南京理工大学 873 自动控制理论(含现控) 2019 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等偏难 全卷大题一至十共10题,覆盖多回路结构图求闭环传函与输出、由动态指标反求二阶参数与斜坡误差、以参数a为变量的根轨迹、极点实部界与最小相位条件、含右半平面极点开环的奈氏判据、串联超前校正设计、采样系统特征方程判稳、方块图状态空间建模与能控能观、非线性系统原点渐近稳定证明、线性变换不改变渐进稳定的证明;两源均未印任何分值。

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1第1题 多回路结构图求传函与输出#

思路
  • 由结构图用梅森公式求闭环传递函数:列出三条回路与各前向通路增益,写特征式与余子式;题面含图未读图。
本卷考法
  • 用梅森公式求多回路闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:列出三条回路与前向通路增益
  • 中间结果:特征式含互不接触回路对的乘积
  • 卡点:余子式中未剔除与通路接触的回路;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求多回路闭环传函
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路结构图逐层化简求输出表达式
本卷实例
  • 关键一步:由内环到外环逐步等效化简
  • 中间结果:闭环传函求出后代入输入得输出表达式
  • 卡点:化简内环时把外环信号当成常数
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
  • 本卷考过多回路结构图逐层化简求输出表达式
  • 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

2第2题 由动态指标反求参数与斜坡误差#

思路
  • 由结构图写闭环传函并化为二阶标准形式,由超调量与调节时间反求增益与时间常数,再按型别求斜坡稳态误差。题面含图未读图。
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与调节时间反求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:超调量式先定阻尼比,调节时间式再定自然频率
  • 中间结果:阻尼比只由超调量确定
  • 卡点:两种误差带的调节时间系数搞混;需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由超调量与调节时间反求阻尼比与自然频率
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由动态指标反求增益与时间常数
本卷实例
  • 关键一步:把闭环标准形式系数与待求参数对应
  • 中间结果:一次项与常数项分别定出两个参数
  • 卡点:只满足单项指标就下结论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由动态指标反求增益与时间常数
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式
本卷考法
  • 求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:按开环型别写速度误差系数
  • 中间结果:斜坡误差等于输入斜率除以速度误差系数
  • 卡点:把输入斜率漏乘进误差
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

3第3题 以参数a为变量的根轨迹#

思路
  • 把闭环特征方程整理成以a为参变量的等效根轨迹方程,按法则绘出根轨迹;再用阻尼比条件在根轨迹上确定a的值。
本卷考法
  • 以开环增益a为参变量绘制参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成1加a乘某式等于零的形式
  • 中间结果:等效开环零极点由整理后式子给出
  • 卡点:整理时未把参数完整提到分子位置
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 可变参数不是开环增益时称为参数根轨迹
  • 方法是用等效开环传递函数把参数提到标准位置
  • 正反馈系统或零度根轨迹的相角条件是 0°+360°l
步骤
  • 把特征方程整理成 1+αG*(s)=0 的形式
  • 把 α 以外部分视为等效开环传递函数
  • 按常规根轨迹法则绘制
  • 注意相角条件是否变成 0°
通用考法
  • 本卷考过以开环增益a为参变量绘制参数根轨迹
  • 以时间常数或其他参数为变量绘制根轨迹
  • 绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 比较零度与 180 度根轨迹的差别
常见易错
  • 整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 零度根轨迹仍沿用 180° 相角条件
公式
本卷考法
  • 由阻尼比条件在根轨迹上确定参数a
本卷实例
  • 关键一步:由等阻尼线作射线与根轨迹求交点
  • 中间结果:交点对应满足给定阻尼比的a值
  • 卡点:把等阻尼线画成垂直线
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
  • 本卷考过由阻尼比条件在根轨迹上确定参数a
  • 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
二阶系统标准形式与阻尼比 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环传函写阻尼比的定义式
本卷实例
  • 关键一步:把闭环分母与标准二阶式比较系数
  • 中间结果:阻尼比由一次项系数与自然频率共同决定
  • 卡点:把开环增益误当成闭环传递函数的系数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 标准形式由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 两个参数确定
  • ξ>1 过阻尼、ξ=1 临界阻尼、0<ξ<1 欠阻尼、ξ=0 无阻尼
  • 闭环极点位置只由 ξωn 与 ωn√(1-ξ²) 决定
  • β=arccos ξ 是极点与负实轴的夹角
步骤
  • 把闭环传递函数化成标准二阶形式
  • 比对系数求出 ωn 与 ξ
  • 写出闭环极点表达式
  • 按 ξ 的取值判断响应类型
通用考法
  • 本卷考过由闭环传函写阻尼比的定义式
  • 由闭环传递函数求 ωn 与 ξ
  • 判断响应是过阻尼还是欠阻尼
  • 在 s 平面上标出闭环极点的位置
常见易错
  • 化为标准形式时忘记把 s² 项系数归一化
  • 把开环增益误当成闭环传递函数的系数
公式

4第4题 极点实部界与最小相位条件#

思路
  • 第一问作坐标平移后用劳斯判据判断极点实部是否均小于给定值;第二问由开环无右半平面极零点给出最小相位条件。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用坐标平移加劳斯判据判断极点实部界
本卷实例
  • 关键一步:令s等于z减平移量后再列劳斯表
  • 中间结果:平移后特征式首列全正即满足实部条件
  • 卡点:系数有缺项时不补零直接套用判据
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
  • 本卷考过用坐标平移加劳斯判据判断极点实部界
  • 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
  • 由分子分母的零点极点位置判定最小相位系统
本卷实例
  • 关键一步:要求开环无右半平面极点且无右半平面零点
  • 中间结果:分母已稳定,条件落在分子系数上
  • 卡点:把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过由分子分母的零点极点位置判定最小相位系统
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈

5第5题 含右半平面极点开环的奈氏判据#

思路
  • 对给定开环绘幅相曲线,注意开环有一个右半平面极点;再由奈氏判据的包围条件确定两增益的取值范围。
本卷考法
  • 绘制含右半平面极点开环的幅相曲线
本卷实例
  • 关键一步:代jω分离实部虚部并分析端点与渐近行为
  • 中间结果:曲线起点与终点相角由积分环节和零极点个数定出
  • 卡点:相角累加时漏掉积分环节的负90度
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 频率特性是传递函数中令 s=jω 得到的复变函数
  • 幅频特性表示各频率正弦输入下的幅值放大倍数
  • 相频特性表示输出相对输入的相位差
  • 频率特性可用幅相曲线、Bode 图或尼柯尔斯图表示
步骤
  • 由传递函数令 s=jω 得到 G(jω)
  • 分别求出幅值 |G(jω)| 与相角 ∠G(jω)
  • 按需要绘制幅相曲线或对数频率特性
通用考法
  • 本卷考过绘制含右半平面极点开环的幅相曲线
  • 求给定传递函数的幅频与相频表达式
  • 计算某频率处的幅值与相角
  • 说明频率特性的物理含义
常见易错
  • 求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
  • 相角累加时漏掉积分环节的 -90°
公式
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏判据确定闭环稳定的两增益条件
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数再按包围圈数列等式
  • 中间结果:稳定要求包围圈数满足闭环右半平面极点数为零
  • 卡点:没有先数开环右半平面极点数P
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
  • 本卷考过由奈氏判据确定闭环稳定的两增益条件
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏条件反求两个参数的稳定域
本卷实例
  • 关键一步:把幅值相交条件化成关于两增益的不等式
  • 中间结果:稳定域由两条不等式共同围成
  • 卡点:取交集时把端点是否包含搞错
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
  • 本卷考过由奈氏条件反求两个参数的稳定域
  • 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

6第6题 串联超前校正设计#

思路
  • 先由稳态正弦输出的幅值与相移反求校正前开环传函;再由超调量要求定阻尼比、斜坡误差定自然频率,得到校正后开环传函,最后相除求超前网络并校验截止频率与裕度。
本卷考法
  • 由稳态正弦输出反求校正前开环传函
本卷实例
  • 关键一步:由稳态输出幅值与相移写出被测系统的频率特性
  • 中间结果:原开环传函由幅值比与相角差定出
  • 卡点:把稳态输出幅值直接当成系统增益
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 频率特性是传递函数中令 s=jω 得到的复变函数
  • 幅频特性表示各频率正弦输入下的幅值放大倍数
  • 相频特性表示输出相对输入的相位差
  • 频率特性可用幅相曲线、Bode 图或尼柯尔斯图表示
步骤
  • 由传递函数令 s=jω 得到 G(jω)
  • 分别求出幅值 |G(jω)| 与相角 ∠G(jω)
  • 按需要绘制幅相曲线或对数频率特性
通用考法
  • 本卷考过由稳态正弦输出反求校正前开环传函
  • 求给定传递函数的幅频与相频表达式
  • 计算某频率处的幅值与相角
  • 说明频率特性的物理含义
常见易错
  • 求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
  • 相角累加时漏掉积分环节的 -90°
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量反求校正后阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:把超调量代入公式反解阻尼比
  • 中间结果:超调量只由阻尼比决定
  • 卡点:超调量公式中漏乘百分号
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
  • 本卷考过由超调量反求校正后阻尼比
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 用校正后与原开环传函相除设计超前网络
本卷实例
  • 关键一步:用校正后传函除校正前传函得校正环节
  • 中间结果:校正环节为零点比极点靠近原点的超前网络
  • 卡点:超前角公式方向取反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超前校正利用相位超前特性提高相角裕度
  • 会使截止频率提高,响应加快
  • 最大超前角出现在两个转折频率的几何中点
  • 最大超前角不超过 60°,否则噪声放大明显
步骤
  • 由未校正系统的相角裕度差额确定所需最大超前角
  • 由最大超前角公式求 α
  • 由 α 与目标截止频率求两个转折频率
  • 写出校正装置传递函数并校验
通用考法
  • 本卷考过用校正后与原开环传函相除设计超前网络
  • 设计串联超前校正装置
  • 计算校正后的相角裕度与截止频率
  • 分析超前校正的局限性
常见易错
  • 计算补偿角时忽略截止频率变化带来的附加相角损失
  • α 的取值与超前角公式方向取反
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正后截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:令开环幅值等于1求截止频率再由相角算裕度
  • 中间结果:截止频率由校正后开环幅频特性定出
  • 卡点:把幅值裕度与相角裕度取反
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
  • 本卷考过求校正后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
  • 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
本卷考法
  • 由斜坡稳态误差要求确定校正后自然频率
本卷实例
  • 关键一步:按速度误差系数把误差限化为自然频率
  • 中间结果:误差限给出校正后开环自然频率
  • 卡点:未判稳就使用终值定理
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
  • 本卷考过由斜坡稳态误差要求确定校正后自然频率
  • 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

7第7题 采样系统特征方程判稳#

思路
  • 已知 z 域闭环特征方程,可根据根模是否均小于一判断稳定性,或作w变换后用劳斯判据判断。
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由z域闭环特征方程判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:可直接求根判模,或w变换后列劳斯表
  • 中间结果:特征根模全部小于一为稳定
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零而非模小于一
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z域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
  • 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

8第8题 方块图状态空间建模与能控能观#

思路
  • 按指定状态变量由方块图列写状态空间表达式,再分别构造能控性、能观性矩阵求参数k的取值范围。题面含图未读图。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 按指定状态变量由方块图建立状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按积分器输出取状态写一阶微分方程
  • 中间结果:输出方程由状态与输入的组合写出
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配;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
  • 本卷考过按指定状态变量由方块图建立状态空间表达式
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控能观矩阵求参数k的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:分别写出能控矩阵与能观矩阵并令其满秩
  • 中间结果:两条件分别约束参数k的取值
  • 卡点:把能控与能观矩阵的构造方式搞混
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
  • 本卷考过由能控能观矩阵求参数k的取值范围
  • 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

9第9题 非线性系统原点渐近稳定#

思路
  • 由状态方程求原点平衡状态,构造正定函数并代入状态方程判断其导数的符号,从而证明原点渐近稳定。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 构造李雅普诺夫函数证明非线性系统原点渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:取二次型函数后代入状态方程判断导数符号
  • 中间结果:构造的函数正定且其导数负定
  • 卡点:只判函数正定而未检查其导数
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
  • 本卷考过构造李雅普诺夫函数证明非线性系统原点渐近稳定
  • 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
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 说明非线性系统与线性系统稳定性分析的差别
本卷实例
  • 关键一步:按原非线性方程直接构造稳定性判据
  • 中间结果:原点为方程的唯一平衡状态
  • 卡点:把非线性项直接线性化后沿用线性结论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 不满足叠加原理,输出与初始条件、输入幅值都有关
  • 可能出现自持振荡即极限环
  • 响应可能对初始条件敏感,出现跳跃谐振
  • 线性系统的稳定性概念需要推广为局部稳定性
步骤
  • 确认系统含明显非线性环节
  • 判断该非线性是本质非线性还是可线性化的弱非线性
  • 按非线性分析方法选择描述函数法或相平面法
通用考法
  • 本卷考过说明非线性系统与线性系统稳定性分析的差别
  • 说明非线性系统与线性系统的本质差别
  • 指出同步振荡、跳跃谐振等特有现象
  • 判断某系统应选用哪种分析方法
常见易错
  • 把非线性环节线性化后直接沿用线性理论的全部结论
  • 认为非线性系统一定不稳定

10第10题 线性变换不改变渐进稳定性的证明#

思路
  • 写出变换前后系统矩阵相似的关系,由相似矩阵特征值相同说明极点不变,从而证明渐进稳定性不变。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 证明非奇异线性变换不改变系统的渐进稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出变换前后系统矩阵相似的关系
  • 中间结果:相似矩阵特征值相同从而稳定性不变
  • 卡点:只写矩阵形式而未说明相似变换保持特征值
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
  • 本卷考过证明非奇异线性变换不改变系统的渐进稳定性
  • 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