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中国科学技术大学 845 控制原理 2023 年真题思维导图

985 院校共 6 题

难度:难 6 题;直流电机建模与闭环设计、含 PD 补偿的频域设计、一阶对象根轨迹法 PI 设计、能控标准型五类稳定性、状态反馈与降维观测器、观测器增广系统能控性证明

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1一、直流电机传动系统建模与闭环设计#

思路
  • 分别以励磁电压和电枢电压为输入建立直流电机方框图与传递函数,忽略电气时间常数降阶,再构成闭环算稳态误差并选控制器型别
直流电机等机电系统 建模与机电系统
本卷考法
  • 分别建立磁场控制与电枢控制直流电机的方框图与传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按电磁转矩、反电动势、机械运动与积分依次列写各环节关系
  • 关键一步:磁场控制时电枢电流视为常数,电枢控制时励磁电流视为常数,使模型线性化
  • 中间结果:传函分母含电气时间常数与机电时间常数两个一阶因子
  • 中间结果:忽略电气时间常数后降为一阶因子与积分环节串联
  • 卡点:漏掉反电动势与电磁转矩的耦合项;两时间常数数量级搞反;需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由电枢回路电压方程与转矩平衡方程联立
  • 反电动势与转速成正比,电磁转矩与电枢电流成正比
  • 机电时间常数由电气与机械两方面参数共同决定
步骤
  • 写出电枢回路电压平衡方程
  • 写出转矩平衡方程(含负载与粘性摩擦)
  • 消去电枢电流,得到转速或转角对电压的传递函数
通用考法
  • 本卷考过分别建立磁场控制与电枢控制直流电机的方框图与传递函数
  • 求直流电机转速或位置对电枢电压的传递函数
  • 分析机电时间常数与电气时间常数的数量级关系
常见易错
  • 漏掉反电动势与电磁转矩的耦合项
  • 把电气时间常数与机电时间常数混淆
公式
本卷考法
  • 判断单位负反馈电枢控制系统的型别并分析阶跃下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写等效开环传函,数积分环节个数定型别
  • 关键一步:一型系统对阶跃输入稳态误差为零
  • 中间结果:电枢控制闭环等效开环为一型
  • 中间结果:阶跃误差为零,速度误差为有限值
  • 卡点:把开环增益与静态误差系数混为一谈;数错积分环节个数
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
  • 本卷考过判断单位负反馈电枢控制系统的型别并分析阶跃下的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 说明无稳态位置误差地跟踪速度信号所需的改进措施
本卷实例
  • 关键一步:跟踪速度信号需把开环型别提高到二型
  • 关键一步:单纯增加积分环节会降低稳定裕度,须配合零点
  • 中间结果:提高型别可消除速度信号的位置误差
  • 中间结果:引入零点可补偿积分带来的相位滞后
  • 卡点:只谈误差减小不检查稳定性;把增加积分的影响单一化
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过说明无稳态位置误差地跟踪速度信号所需的改进措施
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式
本卷考法
  • 确定应采用的串联控制器类型并说明理由
本卷实例
  • 关键一步:积分作用可提高型别,比例作用提供零点改善稳定
  • 关键一步:两者合成即比例积分控制器
  • 中间结果:PI 控制器同时兼顾型别与相位
  • 中间结果:闭环稳态误差为零且系统仍稳定
  • 卡点:把 PI 的相位影响说成超前;积分增益过大引起振荡
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过确定应采用的串联控制器类型并说明理由
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式

2二、含 PD 补偿的频域分析与设计#

思路
  • 先画最小相位开环的奈奎斯特图判稳并求增益范围,再用 Bode 图法设计 PD 补偿满足误差、截止频率与相角裕度,最后判断小时间常数环节能否忽略
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 画最小相位开环的奈奎斯特图并判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先求相位穿越频率使虚部为零,得与负实轴交点幅值
  • 关键一步:开环无右半平面极点,交点在负一临界点右侧即稳定
  • 中间结果:稳定条件化为开环增益小于两时间常数之和除以乘积
  • 中间结果:临界值由交点幅值方程解出
  • 卡点:不先数 P 就套判据;相位穿越频率求错;把临界点位置判反
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
  • 本卷考过画最小相位开环的奈奎斯特图并判断闭环稳定性
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由稳态误差、截止频率与相角裕度三项指标设计 PD 补偿
本卷实例
  • 关键一步:由速度误差要求定开环增益下限
  • 关键一步:在指定截止频率处由幅值条件定微分时间常数,再验证相角裕度
  • 中间结果:增益下限由速度误差限得到
  • 中间结果:补偿后相角裕度满足大于 60 度的要求
  • 卡点:补偿角漏算附加相角损失;把截止频率与穿越频率用反
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
  • 本卷考过由稳态误差、截止频率与相角裕度三项指标设计 PD 补偿
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 用 Bode 图法设计 PD 形式的串联超前补偿并说明抑制高频噪声的办法
本卷实例
  • 关键一步:PD 补偿提供超前相角,抵消原系统的相位滞后
  • 关键一步:对高频噪声敏感时,在微分环节前串联低通滤波器
  • 中间结果:补偿传函为一阶微分形式
  • 中间结果:引入低通后高频增益被压低,噪声放大被抑制
  • 卡点:把 PD 当滞后校正设计;只提高增益不看裕度
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 Bode 图法设计 PD 形式的串联超前补偿并说明抑制高频噪声的办法
  • 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
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 判断时间常数很小的惯性环节能否被忽略
本卷实例
  • 关键一步:比较该环节时间常数与系统过渡过程时间的数量级
  • 关键一步:时间常数远小于过渡过程时间时该极点远离虚轴,可按主导极点忽略
  • 中间结果:该惯性环节的阶跃过渡时间约为三倍时间常数
  • 中间结果:相对设计指标很小,故可忽略
  • 卡点:只看时间常数大小不折算过渡时间;忽略零点对近似的影响
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过判断时间常数很小的惯性环节能否被忽略
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式

3三、一阶对象根轨迹法 PI 设计#

思路
  • 先由开环阶跃输出曲线测量增益、时间常数与过渡时间,再按超调量与稳态误差要求用根轨迹法设计 PI 控制器并校核过渡时间
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由开环阶跃输出曲线测量一阶对象的增益、时间常数与过渡时间
本卷实例
  • 关键一步:稳态值除以输入幅值得增益
  • 关键一步:由曲线上升到 63.2% 稳态值的时刻读时间常数,过渡时间取四倍时间常数
  • 中间结果:输出曲线单调上升,无超调
  • 中间结果:98% 稳态值对应过渡时间约为四倍时间常数
  • 卡点:把 63.2% 时刻记成 50%;增益不为一时直接读稳态值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过由开环阶跃输出曲线测量一阶对象的增益、时间常数与过渡时间
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量指标确定阻尼比并取闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:由相对超调量小于 5% 解出阻尼比
  • 关键一步:由过渡时间指标反解阻尼乘自然频率,确定闭环共轭极点位置
  • 中间结果:阻尼角为反余弦阻尼比,取略小于其上限的值留裕量
  • 中间结果:闭环极点实部由过渡时间与阻尼乘自然频率共同确定
  • 卡点:只满足超调量不看过渡时间;把误差带系数用错
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
  • 本卷考过由超调量指标确定阻尼比并取闭环极点
  • 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
  • 用根轨迹法设计 PI 控制器零点位置并求比例与积分增益
本卷实例
  • 关键一步:把 PI 写成比例乘零点加一除以 s,与对象串联得等效开环
  • 关键一步:按要求的闭环极点代入特征方程,令实部虚部为零解增益
  • 中间结果:零点在开环极点左侧时闭环为一对共轭主导极点
  • 中间结果:零点在开环极点右侧时闭环为两个实极点
  • 卡点:极点代入方程后实虚部配错;把开环零点位置与闭环极点位置搞混
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
  • 本卷考过用根轨迹法设计 PI 控制器零点位置并求比例与积分增益
  • 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
本卷考法
  • PI 控制器两种零点布置方案的设计与校核
本卷实例
  • 关键一步:方案一根轨迹法把闭环极点配到等阻尼线上
  • 关键一步:方案二取主导极点近似,用期望特征多项式比较系数
  • 中间结果:方案一得一对共轭极点,方案二得两个实极点
  • 中间结果:两种方案的增益分别由实部与虚部方程解出
  • 卡点:把积分时间当积分增益;两方案零极点左右关系写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过PI 控制器两种零点布置方案的设计与校核
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式

4四、能控标准型的能控能观与稳定性#

思路
  • 由能控标准型写出 A、B、C,用判别矩阵研究参数对能控能观的影响,按极点实部讨论三种稳定性,最后求输入输出稳定时的状态响应
本卷考法
  • 由能控标准型传递函数写出 A、B、C 矩阵
本卷实例
  • 关键一步:分母系数按能控标准型直接填入友矩阵
  • 关键一步:分子系数决定输出矩阵的组成
  • 中间结果:A 为友矩阵,B 为末位为一的列向量
  • 中间结果:输出矩阵由两个分子系数与零组成
  • 卡点:友矩阵系数符号写反;真分式化分时直通项处理错
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
  • 本卷考过由能控标准型传递函数写出 A、B、C 矩阵
  • 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
  • 研究参数不同取值时系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:能控性矩阵与参数无关,恒满秩
  • 关键一步:能观性矩阵行列式含参数,令其为零得不能观时的取值
  • 中间结果:系统恒能控
  • 中间结果:只有少数特定参数值使系统不能观,其余均可观
  • 卡点:把能控与能观判据矩阵构造搞混;只算到倒数第二个分块就下结论
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
  • 本卷考过研究参数不同取值时系统的能控性与能观性
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 判断李雅普诺夫意义下稳定性与渐近稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程求极点,观察是否含零实部极点
  • 关键一步:零实部为单根则李雅普诺夫稳定;有正实部根则不渐近稳定
  • 中间结果:特征值之一为零,其余为负
  • 中间结果:故李雅普诺夫稳定但不是渐近稳定
  • 卡点:把李雅普诺夫稳定当成渐近稳定;忽略零实部单根条件
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
  • 本卷考过判断李雅普诺夫意义下稳定性与渐近稳定性
  • 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
本卷考法
  • 判断输入输出稳定性并区分与李雅普诺夫稳定的差别
本卷实例
  • 关键一步:由传函看极点实部,全部为负才输入输出稳定
  • 关键一步:特殊取值时零极点对消,传函降阶后再判
  • 中间结果:只有参数取零时传函极点全为负,输入输出稳定
  • 中间结果:其余取值传函含非负实部极点,输入输出不稳定
  • 卡点:忽略零极点对消使传函阶数低于状态维数;把两种稳定等同
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
  • 本卷考过判断输入输出稳定性并区分与李雅普诺夫稳定的差别
  • 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
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求输入输出稳定时单位阶跃零初值下的状态响应与输出响应
本卷实例
  • 关键一步:对 sI 减 A 的逆做拉氏反变换得状态转移矩阵
  • 关键一步:阶跃输入的零状态响应为状态转移矩阵与输入的卷积积分
  • 中间结果:响应含时间 t 项与两个指数项
  • 中间结果:输出响应由输出矩阵乘状态响应得到
  • 卡点:卷积积分上下限或变量写错;漏掉直接传递项;答案段 A 阵与输出式需回原卷核对
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
  • 本卷考过求输入输出稳定时单位阶跃零初值下的状态响应与输出响应
  • 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

5五、状态反馈与降维观测器#

思路
  • 先验能控性后用极点配置求状态反馈增益,再验能观性并按标准形作变换设计一维降维观测器
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈使两个闭环极点都位于负二
本卷实例
  • 关键一步:先构造能控性矩阵确认满秩
  • 关键一步:令控制量等于负反馈增益乘状态加参考,由闭环特征多项式与期望多项式比较系数求增益
  • 中间结果:能控性矩阵满秩,极点可任意配置
  • 中间结果:期望特征多项式为两个相同一次因子的乘积
  • 卡点:未验能控性就直接配极点;比较系数时符号写反
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两个闭环极点都位于负二
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计极点位于负八的最小维状态观测器
本卷实例
  • 关键一步:取非奇异变换使输出矩阵化为标准形,把状态分成可量测与待估计两部分
  • 关键一步:对降维子系统按期望极点求观测器增益,写出观测器方程
  • 中间结果:输出维数为一,故降维观测器为一维
  • 中间结果:期望极点给出误差动态的一阶特征方程
  • 卡点:维数算成全维;把状态反馈增益公式套到观测器上;变换矩阵取错
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
  • 本卷考过设计极点位于负八的最小维状态观测器
  • 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
  • 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、观测器增广系统的能控性#

思路
  • 写出全维观测器加状态反馈的增广系统状态方程,用判别矩阵说明其不完全能控,再对降维观测器情形作变换证明结论相同
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 给出全维观测器估计状态作状态反馈的系统结构与方程
本卷实例
  • 关键一步:写观测器方程,反馈控制量用估计状态的线性组合加参考
  • 关键一步:把原系统与观测器联立,消去中间量写成增广方程
  • 中间结果:增广状态由原状态与估计状态堆叠而成
  • 中间结果:观测器误差动态与状态反馈动态解耦
  • 卡点:观测器增益与状态反馈增益符号混淆;方程消元漏项
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
  • 本卷考过给出全维观测器估计状态作状态反馈的系统结构与方程
  • 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
  • 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
  • 判断增广系统能否控并证明结论
本卷实例
  • 关键一步:写增广系统的能控性判别矩阵
  • 关键一步:算秩并与增广维数比较,判断是否满秩
  • 中间结果:全维观测器增广系统的判别矩阵秩不足
  • 中间结果:对降维情形作非奇异变换后再算秩,结论相同
  • 卡点:增广矩阵阶数算错;变换后忘记能控性在非奇异变换下不变
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
  • 本卷考过判断增广系统能否控并证明结论
  • 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
  • 说明估计状态反馈在增广系统中的实现
本卷实例
  • 关键一步:反馈用估计状态而非真实状态,形成观测器与反馈串接
  • 关键一步:增广矩阵含原状态矩阵、反馈项与观测器增益项
  • 中间结果:估计误差与状态反馈动态在增广矩阵中按块出现
  • 中间结果:控制量由估计状态线性组合生成
  • 卡点:把估计状态反馈当作真实状态反馈;分块矩阵写错阶数
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
  • 本卷考过说明估计状态反馈在增广系统中的实现
  • 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