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南京邮电大学 812 自动控制理论(含现控) 2019 年真题思维导图

强势双非共 10 题

难度:中等 全卷十道大题:第一题3个判断小问,其余九道为计算与分析题。覆盖信号流图与梅森公式、输入与扰动共同作用下的稳态误差、根轨迹绘制与分离点、奈奎斯特判据求稳定K范围、由微分方程求正弦稳态输出、串联校正网络设计、离散系统稳定性、状态反馈极点配置、李雅普诺夫第一法与第二法。未考最优控制、电力拖动与过程控制。

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1一、判断题(3小问)#

思路
  • 三小问逐条判断:传函一定时输入变化是否改变稳定性、传函与状态方程的唯一性、三频段理论中各频段对应的性能。先把题干翻成教材结论再判正误。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 判断系统稳定性是否随外界输入变化
本卷实例
  • 关键一步:回到稳定性由系统自身结构与参数决定
  • 中间结果:输入只改变响应大小不改变特征根
  • 卡点:把输出幅值变化误当作稳定性变化
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
  • 本卷考过判断系统稳定性是否随外界输入变化
  • 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
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 判断传递函数与状态空间方程的唯一性
本卷实例
  • 关键一步:由状态变量选取不唯一切入
  • 中间结果:传函唯一而状态方程可有多组等价形式
  • 卡点:把状态方程不唯一误当作系统不唯一
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
  • 本卷考过判断传递函数与状态空间方程的唯一性
  • 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
本卷考法
  • 判断三频段理论中各频段对应的系统性能
本卷实例
  • 关键一步:把低中高频段分别对应稳态、动态与抗扰
  • 中间结果:低频段决定稳态精度、中频段决定动态性能
  • 卡点:题干把低频与中频的作用对调
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
  • 本卷考过判断三频段理论中各频段对应的系统性能
  • 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

2二、由结构图用梅森公式求传函与二阶参数(含图)#

思路
  • 把给定动态结构图改画成信号流图,数出独立回路与互不接触回路写特征式,再由前向通道用梅森公式求 C(s)/R(s),最后对照标准二阶形式取出阻尼比与自然频率。
本卷考法
  • 由结构图作信号流图并用梅森公式求传函
本卷实例
  • 关键一步:先由结构图改画信号流图再数回路
  • 中间结果:特征式含两回路与不接触回路修正项
  • 卡点:结构图以图给出,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由结构图作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
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
  • 由闭环传函求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函分母与标准二阶形式对照
  • 中间结果:一次项系数与常数项分别对应两个参数
  • 卡点:常数项开方前要确认分子增益
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
  • 本卷考过由闭环传函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

3三、输入与扰动下的稳态误差(3小问,含图)#

思路
  • 由结构图分别写出误差对输入的传函和误差对扰动的传函,输入分量用静态误差系数或终值定理,扰动分量用终值定理,最后按叠加求总稳态误差。
本卷考法
  • 按输出与输入之差求误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由结构图写误差对输入的传函
  • 中间结果:误差传函分母即系统特征式
  • 卡点:误差定义要与题给一致
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差有两种定义:输入端 E(s)=R(s)-C(s) 与 E(s)=R(s)-B(s),须看清题意
  • 误差传递函数由结构决定
  • 单位反馈时两种定义等价
步骤
  • 按题意确定误差取在输入端还是反馈端
  • 由结构图写出误差传递函数
  • 乘输入后取 s→0 的极限
通用考法
  • 本卷考过按输出与输入之差求误差传递函数
  • 写出误差传递函数
  • 说明不同误差定义对结果的影响
常见易错
  • 非单位反馈时两种误差定义混用导致结果差一个 H(s)
  • 忘记先判断系统是否稳定
公式
本卷考法
  • 求输入作用下系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用终值定理求误差终值
  • 中间结果:稳态误差由误差传函在零频附近的留数决定
  • 卡点:用静态误差系数法的前提是单位负反馈
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
  • 本卷考过求输入作用下系统的稳态误差
  • 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
  • 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
  • 求扰动作用下系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把参考输入置零后求扰动到误差的传函
  • 中间结果:扰动误差等于扰动传函乘阶跃输入的终值
  • 卡点:扰动通道不能套用静态误差系数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过求扰动作用下系统的稳态误差
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式

4四、根轨迹绘制与分离点K值#

思路
  • 写出闭环特征方程,标出两个开环极点与一个开环零点,按法则判实轴段、求渐近线与分离点,再由幅值条件求分离点处的根轨迹增益。
本卷考法
  • 按法则粗略绘制两极点一零点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标零极点再判实轴段与渐近线
  • 中间结果:实轴段按右侧零极点数奇偶判断
  • 卡点:渐近线夹角公式用二k加一
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
  • 本卷考过按法则粗略绘制两极点一零点的根轨迹
  • 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
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 列分离点方程求分离点坐标及对应增益
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程写增益的显式表达式
  • 中间结果:分离点处用幅值条件回代求根轨迹增益
  • 卡点:两个候选分离点都要给出对应增益
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
  • 本卷考过列分离点方程求分离点坐标及对应增益
  • 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

5五、奈奎斯特图与稳定K范围#

思路
  • 把开环传函代入 s 等于 jω 写幅频与相频,由起点终点和与负实轴的交点画概略幅相曲线,再按奈奎斯特判据列不等式求闭环稳定时的 K 范围。
本卷考法
  • 由开环传函写幅频相频并画概略幅相曲线
本卷实例
  • 关键一步:代入 s 等于 jω 后分离实部与虚部
  • 中间结果:令虚部为零求曲线与负实轴的交点
  • 卡点:开环含积分环节时曲线起点在无穷远
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 频率特性是传递函数中令 s=jω 得到的复变函数
  • 幅频特性表示各频率正弦输入下的幅值放大倍数
  • 相频特性表示输出相对输入的相位差
  • 频率特性可用幅相曲线、Bode 图或尼柯尔斯图表示
步骤
  • 由传递函数令 s=jω 得到 G(jω)
  • 分别求出幅值 |G(jω)| 与相角 ∠G(jω)
  • 按需要绘制幅相曲线或对数频率特性
通用考法
  • 本卷考过由开环传函写幅频相频并画概略幅相曲线
  • 求给定传递函数的幅频与相频表达式
  • 计算某频率处的幅值与相角
  • 说明频率特性的物理含义
常见易错
  • 求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
  • 相角累加时漏掉积分环节的 -90°
公式
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据求闭环稳定的K范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数再定判据形式
  • 中间结果:曲线不包围负一点时闭环稳定
  • 卡点:包围圈数的正负号定义要对
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
  • 本卷考过用奈奎斯特判据求闭环稳定的K范围
  • 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

6六、由微分方程求正弦稳态输出#

思路
  • 对零初始条件下的微分方程两边取拉氏变换,整理出传递函数;再把正弦输入的频率代入频率特性,求出输出的幅值与相角。
本卷考法
  • 由零初始条件的微分方程求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对方程两边取拉氏变换并整理成传函
  • 中间结果:传函分母对应系统的特征多项式
  • 卡点:正弦稳态输出要用闭环传函计算
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过由零初始条件的微分方程求传递函数
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
公式
本卷考法
  • 求正弦输入下输出的幅值与相角
本卷实例
  • 关键一步:把输入频率代入频率特性求模与相角
  • 中间结果:输出幅值为输入幅值乘频率特性的模
  • 卡点:相角要按实虚部所在象限取值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 频率特性是传递函数中令 s=jω 得到的复变函数
  • 幅频特性表示各频率正弦输入下的幅值放大倍数
  • 相频特性表示输出相对输入的相位差
  • 频率特性可用幅相曲线、Bode 图或尼柯尔斯图表示
步骤
  • 由传递函数令 s=jω 得到 G(jω)
  • 分别求出幅值 |G(jω)| 与相角 ∠G(jω)
  • 按需要绘制幅相曲线或对数频率特性
通用考法
  • 本卷考过求正弦输入下输出的幅值与相角
  • 求给定传递函数的幅频与相频表达式
  • 计算某频率处的幅值与相角
  • 说明频率特性的物理含义
常见易错
  • 求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
  • 相角累加时漏掉积分环节的 -90°
公式

7七、串联校正网络设计#

思路
  • 先求未校正系统的截止频率与相角裕度,由所需补偿角确定超前网络的参数;再写出校正后开环传函,校验相角裕度是否满足指标。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按相角裕度与截止频率要求设计超前校正网络
本卷实例
  • 关键一步:先估未校正截止频率与相角裕度
  • 中间结果:由需要的超前角反求网络参数
  • 卡点:补偿角要留出计算余量
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
  • 本卷考过按相角裕度与截止频率要求设计超前校正网络
  • 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
本卷考法
  • 由开环传函绘制对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定型别和增益
  • 中间结果:按各转角频率逐段改变斜率
  • 卡点:逐段改斜率要累加而不是替换
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
  • 本卷考过由开环传函绘制对数渐近幅频特性
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 校验校正后相角裕度是否满足指标
本卷实例
  • 关键一步:把校正后截止频率代入相频表达式
  • 中间结果:相角裕度为一百八十度加相角值
  • 卡点:各环节相角按转折频率逐项计入
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
  • 本卷考过校验校正后相角裕度是否满足指标
  • 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

8八、离散系统稳定性与K取值范围(2小问,含图)#

思路
  • 由离散系统模型与采样周期求开环脉冲传函,写出闭环特征方程后先判断给定 K 下的稳定性,再用朱莉判据列不等式求稳定 K 范围。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散系统模型求开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:对连续部分作 z 变换时计入采样周期
  • 中间结果:开环脉冲传函为含指数项的有理分式
  • 卡点:采样开关位置影响脉冲传函,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
  • 本卷考过由离散系统模型求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
  • 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
  • 判断给定K下离散系统的稳定性并求稳定K范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程后判断根的位置
  • 中间结果:用朱莉判据列出一组稳定不等式
  • 卡点:解出的上界要与给定K值对照
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
  • 本卷考过判断给定K下离散系统的稳定性并求稳定K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

9九、状态反馈极点配置#

思路
  • 由给定传递函数写出能控标准型状态空间表达式,先构造能控判别阵确认可任意配置极点,再设状态反馈增益阵,令闭环特征多项式与期望多项式比较系数求解。
本卷考法
  • 由传递函数写出能控标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:先把传函写成真分式再定系数矩阵
  • 中间结果:能控标准型的友矩阵与传函系数对应
  • 卡点:逐年传函分子符号与宝典不一致,按答案段自洽者取正号
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能控标准型状态空间表达式
  • 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
  • 构造能控判别阵判断系统能否任意配置极点
本卷实例
  • 关键一步:用输入阵与其各次乘状态阵构造能控判别阵
  • 中间结果:判别阵满秩说明可任意配置极点
  • 卡点:先判能控再设反馈增益阵
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
  • 本卷考过构造能控判别阵判断系统能否任意配置极点
  • 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
  • 设计状态反馈增益阵使闭环极点位于给定位置
本卷实例
  • 关键一步:设增益阵后写闭环特征多项式
  • 中间结果:与期望特征多项式比较同次幂系数
  • 卡点:共轭复极点展开时实虚部要对应
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增益阵使闭环极点位于给定位置
  • 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

10十、李雅普诺夫第一法与第二法判稳定性#

思路
  • 先求系统唯一平衡点;第一法由状态矩阵的特征值实部符号判断;第二法取正定二次型作李雅普诺夫函数,沿系统求导后由导数的定号性与径向无界性下结论。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 分别用李雅普诺夫第一法与第二法判断原点稳定性
本卷实例
  • 关键一步:第一法看特征值实部,第二法取正定函数求导
  • 中间结果:导数为负半定且径向无界时得大范围渐近稳定
  • 卡点:第二法是充分条件,结论表述要留有余地
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
  • 本卷考过分别用李雅普诺夫第一法与第二法判断原点稳定性
  • 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