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南开大学 809 控制综合基础 2016 年真题思维导图

985 院校共 9 题

难度:中等偏难 控制综合基础,九个大题:参数根轨迹与性能分析、参数稳定域与特征值左侧约束、延迟系统奈奎斯特稳定范围、采样系统稳定与最少拍控制、现代控制问答、传递函数矩阵最小实现、状态观测器设计、无约束最优控制、反馈不改变能控能观性证明。含图题为第一、二、四、五题

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一一、参数根轨迹与性能分析#

思路
  • 结构图含可变参数 a,先画参数根轨迹,再由根轨迹求临界稳定的 a 值、稳定取值范围,以及阶跃响应有超调与无超调时 a 的范围和等幅振荡频率。
本卷考法
  • 以参数 a 为变量画参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征式整理成一加 a 乘某个传递函数为零的标准形式
  • 中间结果:参数根轨迹的起点与终点由原系统的开环零极点互换
  • 卡点:结构图为插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过以参数 a 为变量画参数根轨迹
  • 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
  • 本卷考过整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 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
  • 由根轨迹与虚轴交点求临界 a 值与稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:令特征式为零代入纯虚根求出交点频率与临界 a
  • 中间结果:临界 a 把参数轴划分为稳定的区间
  • 卡点:要取根轨迹落在左半平面的那段对应稳定
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
  • 本卷考过由根轨迹与虚轴交点求临界 a 值与稳定范围
  • 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 omega 就下结论,漏掉另一组交点
  • 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
  • 由根轨迹判断有无超调并求 a 的范围
本卷实例
  • 关键一步:无超调对应闭环极点全为负实根,有超调对应共轭复根
  • 中间结果:分离点对应有无超调的分界 a 值
  • 卡点:等幅振荡频率取自虚轴交点对应的频率
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
  • 本卷考过由根轨迹判断有无超调并求 a 的范围
  • 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
  • 本卷考过把等阻尼线画成了垂直线
  • 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

二二、参数稳定域与特征值左侧约束#

思路
  • 开环传函含未知常数 a,先列闭环特征式用劳斯判据求稳定 a 的范围,再平移虚轴求特征值全在 s 等于负一左侧的 a 范围。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求使闭环稳定的 a 范围
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函写闭环特征式再列劳斯表
  • 中间结果:令劳斯表首列各元同号得 a 的不等式组
  • 卡点:a 与增益出现在同一系数里要分别讨论
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使闭环稳定的 a 范围
  • 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
  • 本卷考过系数有缺项时不补零,直接套用判据
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 平移虚轴后求特征值全在 s 等于负一左侧的 a 范围
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 d 减一作代换后重新列劳斯表
  • 中间结果:在 d 平面按劳斯判据得新的 a 不等式组
  • 卡点:平移后的新特征式系数要重新展开再判
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
  • 本卷考过平移虚轴后求特征值全在 s 等于负一左侧的 a 范围
  • 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
  • 本卷考过只列出部分首列元素的不等式,漏掉某个约束
  • 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

三三、延迟系统奈奎斯特稳定范围#

思路
  • 开环为一阶惯性环节串纯延迟,先画奈奎斯特图,再由曲线与负实轴交点求系统稳定时延迟时间 tau 的取值范围。
本卷考法
  • 求含纯延迟系统稳定时延迟时间的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:纯延迟只改变相位不改变幅值,据此写幅相表达式
  • 中间结果:由曲线与负实轴的临界交点写相位条件
  • 卡点:相位里的 tau 乘 omega 要换算角度与弧度
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 延迟环节 e^{-τs} 的幅值为 1、相位为 -τω,只恶化相位
  • 延迟会显著缩小稳定域,τ 越大越难稳定
  • 频域判据需用相位裕度扣除延迟引起的附加滞后
步骤
  • 写出含延迟的开环传递函数
  • 分别求幅值与相位表达式
  • 在相频特性中扣除 τω 的滞后量
  • 按稳定裕度或奈氏判据求临界 τ 或临界 K
通用考法
  • 本卷考过求含纯延迟系统稳定时延迟时间的取值范围
  • 求使系统稳定的最大延迟时间
  • 求含延迟系统的临界开环增益
  • 分析延迟对稳定裕度的影响
常见易错
  • 本卷考过把延迟环节当成惯性环节处理
  • 把延迟环节当成惯性环节处理
  • 相位计算时忘记角度与弧度换算
公式
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈奎斯特图判断含延迟闭环系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先确认开环无右半平面极点再按包围情况判稳
  • 中间结果:延迟增大使曲线不断卷入临界点
  • 卡点:延迟较大时曲线可能多次包围临界点
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
  • 本卷考过由奈奎斯特图判断含延迟闭环系统的稳定性
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数 P
  • 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

四四、采样系统稳定与最少拍控制#

思路
  • 含零阶保持器的离散系统,先求开环脉冲传递函数并用 z 域条件求稳定 K 范围,再按单位斜坡输入的最少拍要求设计数字控制器 D(z)。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含零阶保持器的结构图求开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把连续部分与零阶保持器乘积整体作 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函的极点数与连续部分阶数相关
  • 卡点:采样开关位置需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由含零阶保持器的结构图求开环脉冲传递函数
  • 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
  • 本卷考过忘记把零阶保持器计入开环脉冲传函
  • 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 z 域条件求使系统稳定的开环增益范围
本卷实例
  • 关键一步:令闭环脉冲传函的全部极点在单位圆内
  • 中间结果:由极点模小于 1 得增益 K 的不等式
  • 卡点:采样周期 T 已知可直接代入判据
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 z 域条件求使系统稳定的开环增益范围
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
  • 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
本卷考法
  • 按单位斜坡输入的最少拍要求设计数字控制器
本卷实例
  • 关键一步:先按输入类型构造期望闭环脉冲传函
  • 中间结果:控制器由期望闭环传函与开环脉冲传函反解
  • 卡点:最少拍设计要兼顾闭环稳定性与可实现性
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
  • 本卷考过按单位斜坡输入的最少拍要求设计数字控制器
  • 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
  • 本卷考过忽略控制器必须是物理可实现的因果系统
  • 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

五五、现代控制问答题#

思路
  • 四问:能控子空间与非奇异变换、离散化对能控能观的影响;完全能控与极点任意配置;观测器极点任意配置的条件;分离定理、状态估计反馈与输出动态补偿器。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 第(1)问:判断关于能控子空间与非奇异变换的四个论断
本卷实例
  • 关键一步:逐条判断并用能控能观判据的秩条件说明理由
  • 中间结果:非奇异变换不改变能控性与能观性
  • 卡点:连续系统能控时离散化后可能不能控
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
  • 本卷考过第(1)问:判断关于能控子空间与非奇异变换的四个论断
  • 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
  • 本卷考过把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
  • 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
  • 第(2)问:述完全能控与极点可任意配置的关系
本卷实例
  • 关键一步:由能控性矩阵满秩推出极点可任意配置
  • 中间结果:能控是极点可任意配置的充要条件
  • 卡点:不能控模态的极点不受反馈影响
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
  • 本卷考过第(2)问:述完全能控与极点可任意配置的关系
  • 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
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 第(2)(3)问:述观测器极点可任意配置的条件与分离定理
  • 第(3)问:述输出动态补偿器及其任意配置极点的条件
本卷实例
  • 关键一步:观测器极点可任意配置的充要条件是系统能观
  • 中间结果:带观测器的反馈系统极点由两部分独立组成
  • 卡点:用状态估计替代真实状态不改变输入输出传函
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
  • 本卷考过第(2)(3)问:述观测器极点可任意配置的条件与分离定理
  • 本卷考过第(3)问:述输出动态补偿器及其任意配置极点的条件
  • 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了状态反馈增益阵的形式
  • 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
本卷考法
  • 第(4)问:述动态规划解决离散最优控制的基本思想与最优性原理
本卷实例
  • 关键一步:把多阶决策问题分解为逐拍子问题并从末端倒推
  • 中间结果:最优性原理说明最优策略的子策略仍最优
  • 卡点:变分法难以处理控制或状态的不等式约束
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散最优控制按拍倒推,每一拍都把当前代价与剩余代价一起优化
  • 最优性能指标可写成状态二次型的形式,递推求出系数矩阵
  • 最优控制是状态的线性反馈,反馈系数由递推关系逐拍确定
步骤
  • 写出状态方程与性能指标,确认终端项与阶段代价的形式
  • 从最后一拍开始倒推,求该拍的代价函数与最优控制
  • 把结果代入前一拍继续倒推,直到初始拍
  • 得到各拍的最优控制后,沿状态方程正向递推求出最优轨线
通用考法
  • 本卷考过第(4)问:述动态规划解决离散最优控制的基本思想与最优性原理
  • 用动态规划法求各拍的最优控制与最优轨线
  • 写出倒推过程中的代价函数与最优控制表达式
  • 由给定初值计算最优控制的数值
常见易错
  • 本卷考过倒推时漏掉当前拍的阶段代价或被控量二次项
  • 倒推时漏掉当前拍的阶段代价或被控量二次项
  • 求最优控制时忘记把下一拍的状态用状态方程代入当前拍的表达式
公式
本卷考法
  • 第(4)问:述变分法在最优控制求解中的局限性
本卷实例
  • 关键一步:从变分法要求控制可微且无约束来分析其局限
  • 中间结果:控制受限或含不等式约束时不能直接用变分法
  • 卡点:边界条件多个时只用两个会漏掉导数端点条件
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 泛函的极值由欧拉-拉格朗日方程给出,它是变分法的基本必要条件
  • 被积函数不显含自变量时可用首次积分降阶
  • 端点固定的横截条件由给定的边界条件直接给出
步骤
  • 写出被积函数(含状态量、状态量的导数、自变量)
  • 代入欧拉-拉格朗日方程并化简
  • 对被积函数不显含自变量的情形改用首次积分降阶
  • 代入两端边界条件定积分常数,得到极值函数
通用考法
  • 本卷考过第(4)问:述变分法在最优控制求解中的局限性
  • 求给定泛函在给定边界条件下的极值函数
  • 写出欧拉-拉格朗日方程并化简
  • 说明横截条件的作用
常见易错
  • 本卷考过含高阶导数的泛函仍套一阶的欧拉方程
  • 边界条件有多个时只用两个,漏掉导数的端点条件
  • 含高阶导数的泛函仍套一阶的欧拉方程
公式

六六、传递函数矩阵的最小实现#

思路
  • 给出 2x2 传递函数矩阵,先写出各元分式并消去公共因子,再按能控能观判据构造最小实现。
本卷考法
  • 由传递函数矩阵写出其最小实现
本卷实例
  • 关键一步:先求各元的最小公分母写出严真有理矩阵
  • 中间结果:最小实现阶数等于能控且能观子系统的维数
  • 卡点:矩阵实现要求各通道用同一组状态变量
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
  • 本卷考过由传递函数矩阵写出其最小实现
  • 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
  • 本卷考过真分式化分时直接项 D 处理错误
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 按能控能观判据检验实现是否为最小
本卷实例
  • 关键一步:对候选实现检验能控性矩阵与能观性矩阵的秩
  • 中间结果:两个秩都等于实现阶数时该实现最小
  • 卡点:存在零极点对消时该实现不是最小
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
  • 本卷考过按能控能观判据检验实现是否为最小
  • 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
  • 本卷考过只检验能控性而漏检能观性就判定实现最小
  • 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

七七、状态观测器设计#

思路
  • 给二阶状态方程与输出方程,按期望观测器极点写期望特征多项式,比较系数求观测器增益阵,使观测器极点位于指定位置。
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望极点配置设计全维状态观测器
本卷实例
  • 关键一步:由对偶原理把观测器设计等价为状态反馈极点配置
  • 中间结果:用期望极点写特征多项式与观测器特征式比较系数
  • 卡点:设计前要先验证系统能观
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
  • 本卷考过按期望极点配置设计全维状态观测器
  • 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
  • 本卷考过把观测器特征式误写成状态反馈的特征式
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 验证系统能观以确认观测器极点可任意配置
本卷实例
  • 关键一步:由能观性矩阵的秩等于系统阶数判定系统能观
  • 中间结果:能观是观测器极点可任意配置的前提
  • 卡点:系统不能观时只能配置部分观测器极点
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
  • 本卷考过验证系统能观以确认观测器极点可任意配置
  • 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
  • 本卷考过只算部分列就去判断能观性矩阵的秩
  • 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

八八、无约束最优控制#

思路
  • 一阶线性系统、控制无约束,性能指标为状态与控制的二次型积分,用变分法或极大值原理写正则方程并求最优控制与最优轨线。
本卷考法
  • 用极大值原理求无约束最优控制与最优轨线
本卷实例
  • 关键一步:写哈密顿函数并令其对控制的偏导为零解出控制
  • 中间结果:控制量由协态表示,再联立正则方程组消元
  • 卡点:终端横截条件由终端时刻与终端状态是否固定决定
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
  • 本卷考过用极大值原理求无约束最优控制与最优轨线
  • 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
  • 本卷考过终端自由时仍把协态终值取零以外的值
  • 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
本卷考法
  • 用变分法写欧拉方程处理无约束泛函极值
本卷实例
  • 关键一步:把性能指标写成泛函形式再套欧拉方程
  • 中间结果:解欧拉方程得状态与协态的通解
  • 卡点:用状态初值与横截条件定积分常数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 泛函的极值由欧拉-拉格朗日方程给出,它是变分法的基本必要条件
  • 被积函数不显含自变量时可用首次积分降阶
  • 端点固定的横截条件由给定的边界条件直接给出
步骤
  • 写出被积函数(含状态量、状态量的导数、自变量)
  • 代入欧拉-拉格朗日方程并化简
  • 对被积函数不显含自变量的情形改用首次积分降阶
  • 代入两端边界条件定积分常数,得到极值函数
通用考法
  • 本卷考过用变分法写欧拉方程处理无约束泛函极值
  • 求给定泛函在给定边界条件下的极值函数
  • 写出欧拉-拉格朗日方程并化简
  • 说明横截条件的作用
常见易错
  • 本卷考过边界条件有多个时只用两个,漏掉导数的端点条件
  • 边界条件有多个时只用两个,漏掉导数的端点条件
  • 含高阶导数的泛函仍套一阶的欧拉方程
公式

九九、反馈不改变能控能观性证明#

思路
  • 两问证明:状态反馈不改变系统能控性;输出反馈不改变系统能观性。用秩条件或构造非奇异变换矩阵证明。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 证明经状态反馈后系统能控性不变
本卷实例
  • 关键一步:写出反馈后的能控性矩阵并构造非奇异变换联系前后
  • 中间结果:两个能控性矩阵的秩相同即能控性不变
  • 卡点:证明要对任意反馈阵都成立
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
  • 本卷考过证明经状态反馈后系统能控性不变
  • 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
  • 本卷考过只对某个具体反馈阵验证,未证明对一般 K 成立
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 证明经输出反馈后系统能观性不变
本卷实例
  • 关键一步:由对偶原理把能观性命题转化为对偶系统的能控性命题
  • 中间结果:输出反馈不改变能观性由对偶关系得到
  • 卡点:输出反馈与状态反馈的证明思路不同
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
  • 本卷考过证明经输出反馈后系统能观性不变
  • 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
  • 本卷考过把输出反馈的证明与状态反馈的证明混为一谈
  • 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