←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

天津大学 812 自动控制理论(含现控) 2021 年真题思维导图

985 院校共 8 题

难度:中等 共 8 个大题:第一题 5 个简答横跨最小实现、矩阵指数、调节时间、两类根轨迹实轴判据与对偶原理;第二题信号流图与梅森公式;第三题 RLC 网络与参数根轨迹;第四题串联校正(源文标注不全);第五题方框图建模与稳定域;第六题化对角阵与可测性;第七题状态反馈积分解耦;第八题饱和非线性相平面与稳态误差。经典控制与现代控制并重,含图题多。

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、2、3、4、5一、简答:最小实现、状态转移与对偶#

思路
  • 五个独立小问:最小实现的条件;矩阵指数乘积 e^At·e^Bt 与 e^(A+B)t 是否恒等;二阶欠阻尼系统调节时间定义及阻尼比与超调量关系(源文注同2020年一(1));180°与0°根轨迹实轴段判据;对偶原理及其与原系统能控能观性的关系。
本卷考法
  • 说明最小实现的定义与条件
本卷实例
  • 关键一步:先要求实现能控且能观,再在同类实现中取维数最低者
  • 中间结果:最小实现是传函矩阵维数最低的能控且能观实现
  • 卡点:把能控能观与最小实现混为一谈,缺任一性都不合格
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
  • 本卷考过说明最小实现的定义与条件
  • 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
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 判断矩阵指数乘积与和矩阵指数是否恒等
本卷实例
  • 关键一步:把两矩阵指数乘积的恒等条件归结为 A 与 B 是否可交换
  • 中间结果:仅当 AB 等于 BA 时恒等成立,否则一般不成立
  • 卡点:误用标量指数律;矩阵乘法次序不可交换
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
  • 本卷考过判断矩阵指数乘积与和矩阵指数是否恒等
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 叙述调节时间定义并写阻尼比与超调量关系
本卷实例
  • 关键一步:以响应进入并保持在终值误差带内的最短时间定义调节时间
  • 中间结果:超调量随阻尼比增大而减小,由指数式决定
  • 卡点:误差带取 2% 还是 5% 要按题意;超调量公式漏乘 100%
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
  • 本卷考过叙述调节时间定义并写阻尼比与超调量关系
  • 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
本卷考法
  • 叙述 180°与 0°根轨迹实轴段判据
本卷实例
  • 关键一步:数某点右侧开环实数零极点个数之和,按奇偶判断实轴段
  • 中间结果:180°根轨迹取奇数,0°根轨迹取偶数
  • 卡点:两种判据的奇偶条件写反;零极点计数漏数
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
  • 本卷考过叙述 180°与 0°根轨迹实轴段判据
  • 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
  • 比较零度根轨迹与 180°根轨迹的相角条件
本卷实例
  • 关键一步:把正反馈或参数为正的情形归为零度根轨迹,相角条件取 0°
  • 中间结果:零度根轨迹与 180°根轨迹的实轴判据奇偶恰好相反
  • 卡点:零度根轨迹仍沿用 180°相角条件;起点终点判断出错
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
  • 本卷考过比较零度根轨迹与 180°根轨迹的相角条件
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 叙述对偶原理并说明能控能观的对应关系
本卷实例
  • 关键一步:把原系统 A 转置、B 与 C 互换且转置得到对偶系统
  • 中间结果:对偶系统的能控性对应原系统能观性,反之亦然
  • 卡点:只转置矩阵而不交换 B、C;对应关系写反
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
  • 本卷考过叙述对偶原理并说明能控能观的对应关系
  • 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

二二、信号流图与梅森公式#

思路
  • 由两个受控方程写出各支路传递关系,画出信号流图,再用梅森增益公式分别求 C/R 与 F/R;含两条前向通道与一条反馈回路,注意不接触回路的余子式。
本卷考法
  • 由受控方程组画信号流图并用梅森公式求传函
本卷实例
  • 关键一步:先由方程写出 F/E 与 B/C 两条支路传函,再据流图列前向通道与回路
  • 中间结果:两条前向通道各有一条余子式,回路增益为负的乘积
  • 卡点:余子式要剔除与通路接触的回路;OCR 变量写串需回原卷核对
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
  • 本卷考过由受控方程组画信号流图并用梅森公式求传函
  • 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

三三、RLC 网络与参数根轨迹#

思路
  • 由图写出 RLC 电路输出电压对输入的传函,代入 LC=1、RC=K 得含参数 K 的二阶系统;再画参数根轨迹,由分离点与临界参数判断单位阶跃响应振荡的收敛性。题面含图未读图。
本卷考法
  • 由 RLC 电路网络求输出电压对输入的传函
本卷实例
  • 关键一步:用复阻抗列出分压关系并化简为 s 的有理分式
  • 中间结果:分母为二阶特征多项式,系数由 L、C、R 组成
  • 卡点:电容阻抗误写成 Cs;电路连接方式需回原卷核对图
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 RLC 电路网络求输出电压对输入的传函
  • 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
  • 把含参数 K 的闭环特征方程整理成等效开环画根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程解出含 K 的等效开环,标出开环极点与零点
  • 中间结果:等效开环含一对共轭虚轴极点与原点处一个零点
  • 卡点:参数未提到标准位置;等效后相角条件仍按 180°判断
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
  • 本卷考过把含参数 K 的闭环特征方程整理成等效开环画根轨迹
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求实轴上的分离点及该点对应的临界参数
本卷实例
  • 关键一步:由各开环极点向分离点的幅角之和等于奇数倍 180°列方程
  • 中间结果:所求两根中只有一个落在实轴根轨迹段上
  • 卡点:保留不在根轨迹上的根;分离点参数要用幅值条件另算
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 分离点是根轨迹离开实轴或相汇的点,对应特征方程的重根
  • 分离点必满足 dK/ds=0
  • 用试探法求解代数方程时要注意舍去不在根轨迹上的根
步骤
  • 由幅值条件解出 K 关于 s 的表达式
  • 令 dK/ds=0 得分离点方程
  • 解方程并用实轴段判据筛选
  • 代回求分离点处的 K 值
通用考法
  • 本卷考过求实轴上的分离点及该点对应的临界参数
  • 求根轨迹的分离点坐标
  • 确定分离点处的临界增益
  • 判断解的取舍
常见易错
  • 求出方程根后不筛选,保留了不在根轨迹上的解
  • 用 dK/ds=0 却未化成 K 的显式表达式
公式
本卷考法
  • 由根轨迹判断单位阶跃响应振荡是否收敛
本卷实例
  • 关键一步:看闭环极点随 K 增大在复平面上的走向,判断是否进入左半平面
  • 中间结果:K 小于分离点对应值时为一对共轭复根,振荡收敛
  • 卡点:只凭图形判断不代临界参数;振荡与单调的分界在分离点
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单位阶跃响应振荡是否收敛
  • 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

四四、串联校正(源文标注不全)#

思路
  • 先按给定指标验算未校正二阶系统的阻尼比、超调量与调节时间,再判断组合输入下稳态误差能否达到要求;随后设计串联超前或滞后校正并画 Bode 图说明改善效果。源文标注本题不全。
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
  • 由开环传函化为二阶标准形式求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函写成 wn² 除以 s(s+2ξwn) 的形式再比对系数
  • 中间结果:由分子常数项与分母一次项系数联立定出两参数
  • 卡点:s 项系数未归一化;把开环增益当成闭环增益
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
  • 本卷考过由开环传函化为二阶标准形式求阻尼比与自然频率
  • 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
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验算超调量和调节时间
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比算超调量,再代入调节时间公式核指标
  • 中间结果:两项动态指标要各自验算,不能只看其中一项
  • 卡点:误差带取值决定调节时间系数;超调量公式漏乘 100%
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验算超调量和调节时间
  • 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
本卷考法
  • 判断组合输入下给定稳态误差要求能否满足
本卷实例
  • 关键一步:先定系统型别,再按输入各分量判断阶跃、斜坡与加速度误差
  • 中间结果:对加速度分量的稳态误差为无穷大时,有限误差要求无法满足
  • 卡点:未判稳就套稳态误差公式;组合输入漏掉某一分量
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
  • 本卷考过判断组合输入下给定稳态误差要求能否满足
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按给定相角裕度与指标设计串联超前校正装置
本卷实例
  • 关键一步:由相角裕度要求算出需补偿的超前角,再定转折频率
  • 中间结果:校正装置为一个一阶微分环节与一个惯性环节之比
  • 卡点:未扣除截止频率变化带来的附加相角损失;源文指标不全
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
  • 本卷考过按给定相角裕度与指标设计串联超前校正装置
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 说明滞后校正的适用场合并与超前校正比较
本卷实例
  • 关键一步:滞后校正靠降低截止频率换取裕度,低频增益基本不变
  • 中间结果:滞后校正可改善稳态精度,但会牺牲响应速度
  • 卡点:两个转折频率顺序写反;源文未给全设计指标
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
  • 本卷考过说明滞后校正的适用场合并与超前校正比较
  • 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
  • 绘制校正前后对数幅频特性并说明改善效果
本卷实例
  • 关键一步:按典型环节分解,由积分环节个数定低频斜率再逐段叠加
  • 中间结果:校正后中频段斜率变缓,截止频率与相位裕度随之变化
  • 卡点:逐段改斜率要累加不是替换;低频起始高度按型别折算
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
  • 本卷考过绘制校正前后对数幅频特性并说明改善效果
  • 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
  • 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

五五、系统方框图建模与稳定域#

思路
  • 由系统方框图列写状态方程与输出方程,判断能控性与能观性;再令输入为零,写出闭环特征方程并用劳斯判据求使系统稳定的 K 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
  • 由系统方框图列写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按各方框的输入输出关系列一阶微分方程组,取积分器输出为状态
  • 中间结果:整理得到三阶的系统矩阵、输入矩阵与输出矩阵
  • 卡点:状态变量个数要与系统阶数一致;方框连接需回原卷核对图
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列写状态空间表达式
  • 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 A、B、C 判断系统能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控性矩阵与能观性矩阵并判断是否满秩
  • 中间结果:本题能控性矩阵与能观性矩阵均满秩
  • 卡点:能控性矩阵只算到 A 的 n-1 次幂;两判据构造不能混
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 A、B、C 判断系统能控性与能观性
  • 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
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求闭环系统稳定时 K 的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:写出特征方程按降幂排列列劳斯表,令首列元素同号
  • 中间结果:首列中含 K 的元素给出 K 的下界
  • 卡点:系数缺项要补零;注意本系统闭环分母的符号取法
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求闭环系统稳定时 K 的取值范围
  • 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
  • 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

六六、状态方程化为对角阵与可测性#

思路
  • 由给定的 A、B、C 求传递函数并做部分分式展开,写出对角标准型;再由输出矩阵各列是否为零判断对应状态的能观可测性,数出不可测状态个数。源文该题大题号在 OCR 中丢失,据答案段补定。
本卷考法
  • 由传函部分分式展开写对角标准型状态空间实现
本卷实例
  • 关键一步:先算 C(sI-A) 的逆乘 B 得传函,再按极点做部分分式展开取留数
  • 中间结果:实极点对应系统矩阵对角元,留数对应输出矩阵元素
  • 卡点:重极点应改用约当型;题面矩阵 OCR 残缺需回原卷核对
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
  • 本卷考过由传函部分分式展开写对角标准型状态空间实现
  • 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
  • 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
  • 由对角型输出矩阵判断不可测状态及其个数
本卷实例
  • 关键一步:观察输出矩阵各列,某列为零说明该状态不出现在输出中
  • 中间结果:零列个数即为不可测状态个数
  • 卡点:把可测判据与可控判据混用;零列直接对应不可观模态
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
  • 本卷考过由对角型输出矩阵判断不可测状态及其个数
  • 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

七七、状态反馈积分解耦#

思路
  • 由 A、B、C 计算各输出的相对阶,构造解耦矩阵并判断可解耦性;求出反馈增益阵与输入变换阵后,写出解耦后的状态空间方程与传递函数矩阵。
状态反馈解耦 状态空间分析
本卷考法
  • 设计积分解耦,求反馈增益阵并写解耦后方程
本卷实例
  • 关键一步:按 c 乘 A 的 l 次方乘 B 首次非零的最小 l 定相对阶,再构造解耦矩阵
  • 中间结果:解耦矩阵非奇异时可取反馈阵为负的逆乘 L,输入变换阵取逆,解耦后传函阵为对角阵
  • 卡点:相对阶取成首次出现输入的阶数本身会差一阶;矩阵奇异时不能硬解
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 解耦的目标是让每个输出只被对应的一个输入控制,闭环传递函数矩阵成为对角阵
  • 用输入变换加状态反馈控制律 u 等于负 Kx 加 Fv 实现解耦
  • 解耦矩阵由各通道输出的相对阶与输入矩阵组成,非奇异时才能解耦
  • 解耦后闭环传函矩阵的对角元由配置的极点决定,非对角元为零
步骤
  • 逐个求各输出的相对阶,即输出导数中首次出现输入的阶数减一
  • 用各通道的相对阶对应的行组成解耦矩阵,并检查其是否非奇异
  • 由解耦矩阵的逆求出输入变换矩阵,再由各通道系数求出状态反馈矩阵
  • 写出闭环传递函数矩阵,校验是否已对角化并满足期望极点
通用考法
  • 本卷考过设计积分解耦,求反馈增益阵并写解耦后方程
  • 证明系统能通过输入变换与状态反馈实现解耦
  • 求解耦矩阵与状态反馈阵并写出闭环传递函数矩阵
  • 分析解耦后各通道的极点是否可任意配置
常见易错
  • 相对阶取成输出导数首次出现输入的阶数本身,差一阶
  • 解耦矩阵奇异时仍硬求解,忽略解耦条件不满足
公式

八八、饱和非线性相平面与稳态误差#

思路
  • 由结构图写出饱和非线性的分段特性与误差方程,在相平面上分三段画相轨迹并判断奇点性质,判断稳定性并求稳态误差。题面含图未读图。
本卷考法
  • 由结构图写出饱和非线性的分段输入输出关系
本卷实例
  • 关键一步:按误差绝对值是否超过线性区边界把特性分成三段
  • 中间结果:线性区输出等于误差本身,两侧区输出为常值
  • 卡点:饱和分界与限幅值需回原卷核对图;不要与死区混淆
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
  • 本卷考过由结构图写出饱和非线性的分段输入输出关系
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 按误差区间画相轨迹并判断奇点与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把误差二阶微分方程写成一阶相轨迹斜率方程,分区求奇点
  • 中间结果:线性区奇点为稳定焦点,两侧区无奇点但有渐近线
  • 卡点:相轨迹斜率分子分母易写反;初始误差与初速需回原卷核对
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
  • 本卷考过按误差区间画相轨迹并判断奇点与稳态误差
  • 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