←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

南开大学 809 控制综合基础 2022 年真题思维导图

985 院校共 9 题

难度:中等偏难 全卷 9 道大题,经典控制 4 题、现代控制 5 题,含两道证明与连续动态规划,题量适中但每题的体系跨度大

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

1一、信号流图与多输入传函#

思路
  • 由系统结构图画信号流图,再用梅森公式分别求参考输入与扰动输入到输出的传递函数
本卷考法
  • 由系统结构图画信号流图并用梅森公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:把方框与比较点改画成节点和带增益的有向支路
  • 中间结果:先数清回路数与两两不接触回路,再写出特征式
  • 卡点:系统结构图以图给出,需回原卷核对图;四条回路中只有两条互不接触
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
  • 本卷考过由系统结构图画信号流图并用梅森公式求闭环传函
  • 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
  • 本卷考过余子式里漏掉或重复计入与前向通路接触的回路
  • 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
本卷考法
  • 分别求参考输入与扰动输入到输出的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:求扰动传函时令参考输入为零,从扰动点重新找前向通路
  • 中间结果:两种输入共用同一个特征式,差别只在前向通路与余子式
  • 卡点:扰动到输出的前向通路与参考输入的不同,需回原卷核对信号流图
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
  • 本卷考过分别求参考输入与扰动输入到输出的传递函数
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 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、根轨迹、稳定域与稳态误差#

思路
  • 由开环传函画根轨迹,用与虚轴交点定稳定增益范围,再按叠加原理求阶跃叠加斜坡下的稳态误差
本卷考法
  • 绘制三个实极点、无零点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把开环化成尾一形式,先理清根轨迹增益与开环增益的倍数关系
  • 中间结果:三个开环极点均为实数,需定实轴段、渐近线与分离点
  • 卡点:参数是开环增益,画图用的是根轨迹增益,两者差一个比例系数
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
  • 本卷考过绘制三个实极点、无零点的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过渐近线夹角公式中的奇数倍写成了偶数倍
  • 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
  • 由与虚轴交点求使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 jω 代入特征方程,再把实部与虚部分别令为零
  • 中间结果:由虚部方程解出振荡频率,再回实部方程定临界增益
  • 卡点:零解只是增益为零的平凡解,临界增益对应非零振荡频率
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
  • 本卷考过由与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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论,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
  • 输入为阶跃叠加斜坡时求系统稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:按叠加原理把输入拆成阶跃与斜坡,分别求各自引起的误差
  • 中间结果:一型系统的阶跃误差分量为零,斜坡分量等于速度误差系数倒数
  • 卡点:必须先把稳定增益范围代进去,否则终值定理不能用
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
  • 本卷考过输入为阶跃叠加斜坡时求系统稳态误差
  • 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
  • 本卷考过组合输入时漏掉某一分量
  • 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

3三、对数频率特性与串联滞后校正#

思路
  • 先由单位斜坡下的误差要求反求开环增益,再画对数幅频渐近线求截止频率与裕度,最后设计滞后校正
本卷考法
  • 由单位斜坡下给定的稳态误差反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:一型系统的速度误差系数就是开环增益,用它把误差条件换成增益
  • 中间结果:求出增益后要回代特征式,检查该系统此刻是否稳定
  • 卡点:题给误差只用来定增益,不能据此认为该增益下闭环稳定
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
  • 本卷考过由单位斜坡下给定的稳态误差反求开环增益
  • 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
  • 本卷考过未判稳就套用终值定理
  • 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
  • 绘制开环对数幅频渐近曲线
本卷实例
  • 关键一步:先按型别定低频段斜率,再按开环增益定低频段高度
  • 中间结果:在每个转折频率处改变一次斜率,得到分段的渐近幅频线
  • 卡点:低频段延长线与零分贝线的交点不是增益,要按型别折算
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
  • 本卷考过绘制开环对数幅频渐近曲线
  • 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把累加写成了替换
  • 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
  • 求截止频率、相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:幅值为一处的频率即截止频率,代入相频得相角裕度
  • 中间结果:相位等于负一百八十度处的频率用于算幅值裕度
  • 卡点:两个特征频率定义不同,代错会把结论的方向弄反
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
  • 本卷考过求截止频率、相角裕度与幅值裕度
  • 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
  • 目标截止频率低于原系统时设计串联滞后校正
本卷实例
  • 关键一步:在新截止频率处预留相角余量,反推滞后网络的两个转角频率
  • 中间结果:由该频率处需要衰减的分贝数确定网络的分度系数
  • 卡点:由误差条件定出的增益下系统可能不稳定,要靠校正解决
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
  • 本卷考过目标截止频率低于原系统时设计串联滞后校正
  • 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
  • 本卷考过滞后网络转折频率取得过高,抵消了增益改善
  • 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

4四、零阶保持器采样系统#

思路
  • 含零阶保持器的采样系统,求开环与闭环脉冲传函、稳定增益范围与阶跃叠加斜坡下的稳态误差
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把零阶保持器与后续连续部分合成一个整体后再做 z 变换
  • 中间结果:连续部分含重极点,部分分式展开时要保留一个二次项
  • 卡点:离散系统结构图以图给出,需回原卷核对图;采样开关位置决定变换对象
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开环与闭环脉冲传函
  • 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
  • 本卷考过把没被采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 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
  • 用朱利判据求使离散闭环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后列朱利表,逐条检验三个边界条件
  • 中间结果:三个条件分别给出增益的上界、下界与绝对值界
  • 卡点:取交集时漏掉绝对值界,会把稳定域算大
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
  • 本卷考过用朱利判据求使离散闭环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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于一
  • 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
  • 求阶跃叠加斜坡输入下离散系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理先求位置误差系数与速度误差系数
  • 中间结果:速度分量里带采样周期因子,位置分量在一型系统下为零
  • 卡点:先把稳定范围判清,不稳定时终值定理不成立
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
  • 本卷考过求阶跃叠加斜坡输入下离散系统的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过直接套连续域的静态误差系数公式
  • 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

5五、简答题#

思路
  • 四小问覆盖能控性的意义、非奇异变换的不变量、观测器与状态反馈的分离性、采样对能控能观的影响
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 说明要求系统能控的原因并讨论采样后能控能观是否保持
本卷实例
  • 关键一步:从控制输入能否把状态驱动到任意目标状态说明能控性的意义
  • 中间结果:非奇异变换下特征值与能控能观性都保持不变
  • 卡点:采样后是否保持能控能观,要看特征值实部与采样周期的配合
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
  • 本卷考过说明要求系统能控的原因并讨论采样后能控能观是否保持
  • 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
本卷考法
  • 列举线性定常系统经非奇异变换后保持不变的量
本卷实例
  • 关键一步:抓住传递函数、特征值、能控能观性三类量在变换前后的对应关系
  • 中间结果:非奇异变换只换状态坐标,不改变输入输出之间的传递关系
  • 卡点:状态向量本身会变,答成不变就反了
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
  • 本卷考过列举线性定常系统经非奇异变换后保持不变的量
  • 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
  • 本卷考过把状态变量本身的具体取值当成不变量
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 说明带观测器的状态反馈控制器为何可分离设计
本卷实例
  • 关键一步:指出观测器与状态反馈可分别独立设计、互不影响
  • 中间结果:闭环特征式等于状态反馈与观测器两部分特征式之积
  • 卡点:分离性针对观测器加状态反馈这一结构,别推广到任意用法
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
  • 本卷考过说明带观测器的状态反馈控制器为何可分离设计
  • 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

6六、由传递函数求约当标准型#

思路
  • 先分解分母确定重极点结构,再按重极点留数与求导公式做部分分式,写出约当标准型实现
本卷考法
  • 由传递函数写出约当标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:先解分母的特征根,识别二重极点与单极点的搭配
  • 中间结果:重极点对应的两个系数要用留数公式与求导公式分别求
  • 卡点:二重极点要配一个约当块,不要当成两个独立实极点
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写出约当标准型实现
  • 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
  • 本卷考过友矩阵中系数的符号写反
  • 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

7七、能控性判别与状态反馈极点配置#

思路
  • 先构造能控性判别阵判秩,再按期望极点写出目标特征式,比较系数求状态反馈阵,并讨论解的唯一性
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能控性判别阵并计算秩判断能控性
本卷实例
  • 关键一步:依次算输入阵及其与状态阵的乘积,拼成能控性判别阵
  • 中间结果:判别阵为三阶方阵,满秩即系统完全能控
  • 卡点:矩阵列按从左到右的顺序相乘,别把列块顺序拼反
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
  • 本卷考过构造能控性判别阵并计算秩判断能控性
  • 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
  • 本卷考过只算到二阶就下结论,漏掉最后一个列块
  • 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
  • 设计状态反馈阵把闭环极点配置到给定位置
  • 讨论单输入系统反馈解是否唯一
本卷实例
  • 关键一步:写出引入反馈后的特征多项式,与期望极点展开式逐次幂比较系数
  • 中间结果:三个待求增益与三个系数一一对应,联立即可解出
  • 卡点:单输入系统状态反馈解通常唯一,符号写反会导致多解
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阵把闭环极点配置到给定位置
  • 本卷考过讨论单输入系统反馈解是否唯一
  • 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

8八、最优控制的李雅普诺夫证明#

思路
  • 取二次型李雅普诺夫函数,利用代数黎卡提方程把导数化成负定二次型,证明最优闭环渐近稳定
本卷考法
  • 由性能指标与代数黎卡提方程证明最优闭环渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:取二次型函数,导数用黎卡提方程把二次项配成负定形式
  • 中间结果:导数等于状态二次型与加权控制二次型之和的相反数
  • 卡点:还要用完全能控与加权阵正定排除导数恒为零的非零状态
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
  • 本卷考过由性能指标与代数黎卡提方程证明最优闭环渐近稳定
  • 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
  • 本卷考过黎卡提方程里的项顺序写错,导致解阵不对称
  • 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
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系统大范围渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:先验证候选函数正定且径向无界,再讨论导数的定号性
  • 中间结果:导数在整个状态空间负定,对应大范围渐近稳定
  • 卡点:只证导数非正只能得稳定,要渐近稳定还得排除恒为零
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系统大范围渐近稳定
  • 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
  • 本卷考过只判断函数正定就下结论,没检查导数
  • 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、连续动态规划求最优控制#

思路
  • 按连续动态规划设性能指标为状态二次型,得到代数黎卡提方程,解出反馈律、最优指标与最优轨线
本卷考法
  • 用连续动态规划求最优控制、最优指标与最优轨线
本卷实例
  • 关键一步:先对哈密顿函数求极值得控制表达式,再代入写哈密顿-雅可比方程
  • 中间结果:设最优指标为状态二次型后,方程化为一个代数黎卡提矩阵方程
  • 卡点:控制矩阵使控制通道只作用于一个状态,解阵要按对称阵设
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
  • 本卷考过用连续动态规划求最优控制、最优指标与最优轨线
  • 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
  • 本卷考过只找到解阵的非正定解而舍去正定解
  • 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