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北京理工大学 810 自动控制原理 2024 年真题思维导图

985 院校共 9 题合计 150 分

难度:中等偏上 9道大题覆盖RLC电路建模与状态空间、矩阵幂与能控性证明、参数根轨迹、相角裕度与滞后校正、由超调量和峰值时间反求参数、差分方程与离散系统稳定性、描述函数与奇点、李雅普诺夫稳定性、无限时间二次型与终端约束最优控制;含现控与最优控制,计算与证明并重,含图题较多。

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1一、电路系统建模15 分#

思路
  • 由图1的RLC电路按伏安关系列微分方程;取零初始拉氏变换求传函;再以电感电流和电容电压为状态写状态空间模型。题面含图未读图。
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由RLC电路的伏安关系建立微分方程
本卷实例
  • 关键一步:按电容电流等于电容乘电压导数、电感电压等于电感乘电流导数列方程
  • 关键一步:消去支路电流与中间电压,整理成输出对输入的微分方程
  • 中间结果:微分方程最高含输出的二阶导数,输入也含一二阶导数
  • 卡点:电路图未读图,元件连接与电压电流正方向需回原卷核对图
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RLC电路的伏安关系建立微分方程
  • 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
  • 由电路微分方程求输出对输入的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对微分方程取零初始条件下的拉氏变换
  • 关键一步:整理成输出与输入象函数之比
  • 中间结果:传函分子分母均为s的多项式,阶次由电路阶数决定
  • 卡点:把电容复阻抗误写成电容乘s;忽略零初始条件的前提
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
  • 本卷考过由电路微分方程求输出对输入的传递函数
  • 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
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 以电感电流与电容电压为状态写状态空间模型
本卷实例
  • 关键一步:状态个数取储能元件个数,对每个状态写一阶导数方程
  • 关键一步:按状态与输入整理成矩阵形式,再写输出方程
  • 中间结果:状态矩阵为二阶方阵,输出含输入直通项
  • 卡点:输出方程漏掉直通项;把支路电流也当成状态变量
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
  • 本卷考过以电感电流与电容电压为状态写状态空间模型
  • 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

2二、状态空间方法20 分#

思路
  • 由最小多项式求矩阵幂;用PBH判据与反证法证明分块系统的能控性命题;再由给定状态矩阵设计状态反馈,把闭环传函化为指定一阶形式。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由最小多项式把矩阵幂展开成有限项(借位)
本卷实例
  • 关键一步:由最小多项式知A减二倍单位阵为幂零阵
  • 关键一步:把A写成二倍单位阵加幂零阵后按二项式展开
  • 中间结果:幂零阵的平方为零,高次幂展开式只剩两项
  • 卡点:本题是矩阵幂而非状态转移矩阵,属借位;幂零阶数由最小多项式次数决定
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
  • 本卷考过由最小多项式把矩阵幂展开成有限项(借位)
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用PBH判据与反证法证明分块系统的能控性命题
本卷实例
  • 关键一步:假设子系统不能控,取不满足PBH判据的左特征向量
  • 关键一步:把它扩充到全系统,导出与全系统能控矛盾
  • 中间结果:矛盾说明原假设不成立,命题得证
  • 卡点:分块维数与题给记号要一一对应;反证方向容易写反
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
  • 本卷考过用PBH判据与反证法证明分块系统的能控性命题
  • 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
  • 设计状态反馈使闭环传函化为给定一阶形式
本卷实例
  • 关键一步:先判能控性,再设状态反馈增益阵
  • 关键一步:把闭环特征多项式与目标分母多项式比较系数
  • 中间结果:闭环极点由一组系数方程确定,增益阵可解出
  • 卡点:目标传函为一阶,需借重极点配置实现;比较系数时符号易错
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
  • 本卷考过设计状态反馈使闭环传函化为给定一阶形式
  • 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

3三、根轨迹方法15 分#

思路
  • 开环传函含可变参数T,整理成以T为参数的等效开环后按根轨迹法则绘制;再由给定阻尼比在根轨迹上定位闭环极点,写出闭环传函。
本卷考法
  • 以时间常数T为参数绘制广义根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程整理成1加T乘等效开环等于0的形式
  • 关键一步:以T为可变参数按根轨迹法则绘图
  • 中间结果:等效开环的零点为原点、极点为一对共轭复根
  • 卡点:参数未完整提到分子位置;零度与一百八十度根轨迹条件用错
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
  • 本卷考过以时间常数T为参数绘制广义根轨迹
  • 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
  • 由给定阻尼比在根轨迹上定位极点并写闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比算等阻尼线与负实轴的夹角
  • 关键一步:在根轨迹上与等阻尼线求交点得闭环极点
  • 中间结果:交点对应一组T与闭环极点,代入即得闭环传函
  • 卡点:等阻尼线画成垂直线;写闭环传函时漏掉分子
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
  • 本卷考过由给定阻尼比在根轨迹上定位极点并写闭环传函
  • 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

4四、频率响应分析20 分#

思路
  • 开环传函含校正环节;先令校正环节为1,定出满足相角裕度的增益;再按串联滞后校正,用斜坡稳态误差与相角裕度要求联立求参数。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度条件求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:令相频在截止频率处等于负一百八十度加给定裕度
  • 关键一步:再由该频率处幅值等于一解出增益
  • 中间结果:截止频率由相角方程单独解出,增益由幅值条件给出
  • 卡点:题面印裕度150度、答案段按50度算,150度对该开环不可实现,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由相角裕度条件求开环增益
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 用斜坡稳态误差与相角裕度要求设计串联滞后校正
本卷实例
  • 关键一步:先由斜坡稳态误差要求定开环增益
  • 关键一步:再按截止频率处幅值条件定滞后网络转折频率比
  • 中间结果:滞后网络两个转折频率分别落在截止频率两侧
  • 卡点:校正环节在截止频率外的相角滞后按题给取负五度;两转折频率顺序易写反
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
  • 本卷考过用斜坡稳态误差与相角裕度要求设计串联滞后校正
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由开环积分环节个数与增益写速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:数开环积分环节个数定系统型别
  • 关键一步:按型别写速度误差系数与增益的关系
  • 中间结果:斜坡稳态误差等于速度误差系数的倒数
  • 卡点:把开环增益与速度误差系数混同;漏数积分环节个数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 型别 v 由开环传递函数中积分环节的个数决定
  • 0 型有位置误差、Ⅰ型有速度误差、Ⅱ型有加速度误差
  • 静态误差系数只与开环传递函数有关
步骤
  • 把开环传递函数写成分式,数出 s 的幂次即型别
  • 按型别选择对应的静态误差系数公式
  • 代入求值
通用考法
  • 本卷考过由开环积分环节个数与增益写速度误差系数
  • 判断系统型别
  • 求静态位置、速度、加速度误差系数
  • 分析增加积分环节对精度的影响
常见易错
  • 把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 数错积分环节个数导致型别判错
公式

5五、动态特性分析10 分#

思路
  • 开环传函含K与A,闭环化为标准二阶;由超调量与峰值时间反求阻尼比与自然频率,解出K、A后计算调节时间。
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与峰值时间反求开环参数
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为标准二阶,写阻尼比与自然频率同K、A的关系
  • 关键一步:由超调量反解阻尼比,由峰值时间反解自然频率
  • 中间结果:两个指标分别定出阻尼比与自然频率,再解出K与A
  • 卡点:两项指标需先验证是否可实现;峰值时间公式漏写根号
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
  • 本卷考过由超调量与峰值时间反求开环参数
  • 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
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计算调节时间
本卷实例
  • 关键一步:按给定百分之二误差带取调节时间系数
  • 关键一步:把阻尼比与自然频率代入调节时间公式
  • 中间结果:调节时间与阻尼比乘自然频率的乘积成反比
  • 卡点:百分之二与百分之五误差带的调节时间系数搞混
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计算调节时间
  • 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

6六、离散时间控制系统15 分#

思路
  • 由差分方程与初始条件做z变换求输出序列;再由离散结构图求脉冲传函,递推前几个采样值并判稳求增益范围。
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由差分方程与初始条件求输出序列
本卷实例
  • 关键一步:对差分方程取z变换并把非零初始条件一并代入
  • 关键一步:解出输出象函数后部分分式展开再取z反变换
  • 中间结果:输出象函数的有理分式对应指数序列与脉冲序列之和
  • 卡点:初始条件非零时不能直接用零初始传函;z反变换分子含z易错位
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过由差分方程与初始条件求输出序列
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散结构图求闭环脉冲传函并递推输出
本卷实例
  • 关键一步:先对连续部分加零阶保持器求开环脉冲传函
  • 关键一步:按闭环结构写闭环脉冲传函后逐拍递推
  • 中间结果:前几个采样值由闭环脉冲传函用长除法逐拍算出
  • 卡点:结构图未读图,采样开关位置与保持器接法需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由离散结构图求闭环脉冲传函并递推输出
  • 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
  • 由闭环特征方程求使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征多项式,用w变换或直接判根是否在单位圆内
  • 关键一步:令稳定条件成立解增益不等式
  • 中间结果:稳定范围由特征根的模小于一给出
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零;采样周期取值漏代入
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求使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、非线性系统分析15 分#

思路
  • 由非线性环节的描述函数求负倒特性,与线性部分幅相曲线相交条件讨论避免自振的参数范围;再由二阶非线性方程求奇点并按参数判类型。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由带死区的继电特性写描述函数
本卷实例
  • 关键一步:非线性输入取正弦,按分段特性写输出并展开成基波
  • 关键一步:取基波分量与输入振幅之比得描述函数
  • 中间结果:描述函数含死区阈值,随输入振幅增大而下降
  • 卡点:把描述函数写成频率的函数;分段积分上下限取错
  • 卡点:控制系统方块图为原卷插图,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由带死区的继电特性写描述函数
  • 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
  • 由负倒描述函数与幅相曲线求避免自振的参数条件
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分与负实轴交点及对应幅值
  • 关键一步:令负倒描述函数曲线不与该交点相交得不自振条件
  • 中间结果:避免自振条件写成非线性参数与交点幅值的不等式
  • 卡点:未判断曲线包围方向;死区阈值与线性部分幅值的量纲混淆
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
  • 本卷考过由负倒描述函数与幅相曲线求避免自振的参数条件
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 求二阶非线性方程奇点并按参数判断类型
本卷实例
  • 关键一步:令状态导数为零解奇点
  • 关键一步:在奇点处线性化,由特征根性质按参数讨论奇点类型
  • 中间结果:特征方程含参数k,奇点类型随k的符号与大小改变
  • 卡点:线性化时漏掉二次项对偏导的贡献;只求出一个奇点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过求二阶非线性方程奇点并按参数判断类型
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式

8八、LYAPUNOV稳定性分析15 分#

思路
  • 第一问把二阶方程化为状态方程求平衡点,在平衡点线性化并由特征方程讨论参数c的渐近稳定范围;第二问对给定非线性系统用李雅普诺夫方法求原点大范围渐近稳定的参数范围。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 求平衡点并确定使原点渐近稳定的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:先把二阶方程化为状态方程,令导数为零求平衡点
  • 关键一步:在平衡点处线性化或构造李雅普诺夫函数讨论参数条件
  • 中间结果:平衡点随参数平移,原点稳定性由雅可比矩阵特征方程或李雅普诺夫方程定出
  • 卡点:第一问方程OCR丢二次导号,按二阶方程理解;线性化只对双曲平衡点有效
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
  • 本卷考过求平衡点并确定使原点渐近稳定的参数范围
  • 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

9九、最优控制25 分#

思路
  • 第一问为无限时间二次型最优控制,解代数黎卡提方程求最优反馈;第二问为终端约束下的极小能量问题,用极大值原理求最优控制与最优轨线。
本卷考法
  • 由二次型性能指标求最优控制律与闭环系统
本卷实例
  • 关键一步:写代数黎卡提方程,设对称正定矩阵求解
  • 关键一步:由解阵写最优反馈增益阵
  • 中间结果:最优控制为状态的线性反馈,闭环特征根具负实部
  • 卡点:黎卡提方程项顺序写错导致解阵不对称;舍去正定解取错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 性能指标由状态量的二次型与控制量的二次型加权求和
  • 最优控制是状态的线性反馈,反馈阵由黎卡提方程的解给出
  • 加权阵对状态惩罚越重,闭环响应越快、控制量越大
  • 无限时间问题中黎卡提方程取稳态解
步骤
  • 写出性能指标与状态方程,确定加权阵
  • 写出黎卡提代数方程并列写矩阵元素方程
  • 解出正定的解阵,再由反馈公式得到最优反馈增益
  • 校验闭环稳定性与加权阵的对称正定性
通用考法
  • 本卷考过由二次型性能指标求最优控制律与闭环系统
  • 由性能指标求最优控制律与闭环系统
  • 解黎卡提方程求反馈增益阵
  • 分析加权阵变化对响应快慢与控制量的影响
常见易错
  • 黎卡提方程里的项顺序写错,导致解阵不对称
  • 只找到解阵的非正定解而舍去正定解
公式
本卷考法
  • 由终端约束与能量指标用极大值原理求最优控制与轨线
本卷实例
  • 关键一步:构造哈密顿函数,由极值条件把控制用协态表示
  • 关键一步:写协态方程与终端横截条件后联立状态方程求解
  • 中间结果:协态由两个积分常数表示,控制为时间的一次函数
  • 卡点:终端为约束流形,横截条件不能按固定或自由终端套用
  • 卡点:题干末尾插图未读图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最优控制问题由状态方程、性能指标与控制量约束共同描述
  • 哈密顿函数对控制量取极值是极大值原理的核心条件
  • 协态方程与横截条件由哈密顿函数分别对状态量和终端条件给出
  • 终端自由时横截条件要求终端协态为零
步骤
  • 构造哈密顿函数(性能指标的被积函数加上协态与状态方程的乘积)
  • 由哈密顿函数对控制量取极值解出最优控制与协态的关系
  • 写出协态方程与边界条件,与状态方程联立
  • 求状态与协态的解析解,再回代得最优控制与最优轨线
通用考法
  • 本卷考过由终端约束与能量指标用极大值原理求最优控制与轨线
  • 用极大值原理求使性能指标极小的最优控制与最优轨线
  • 构造哈密顿函数并写出正则方程组
  • 判断终端约束对应的横截条件
常见易错
  • 终端自由时仍把协态终值取零以外的值,或反之错把终端固定当自由
  • 解出控制量后忘记回代状态方程验证
公式