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北京化工大学 841 控制原理 2017 年真题思维导图

211 院校共 9 题

难度:中等 全卷九道大题:无源网络与运放电路求传函、结构图多输入闭环传函、由超调量与稳态误差设计参数、含右半平面零点的根轨迹、由对数频率特性反求传函与判稳、奈氏判据判断 II 型系统稳定性、采样系统输出 Z 变换、状态方程画结构图与能控能观及状态转移矩阵、可观性判别与降维观测器设计。卷首各题均印本题满分 N 分(16/16/16/17×6)。

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一一、无源网络与运放电路求传递函数#

思路
  • 两个电路图分别求传递函数:无源 RLC 网络用复阻抗分压;含运算放大器的网络用虚短虚断列节点方程
本卷考法
  • 用复阻抗法求 RLC 网络的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把电容电感表示为复阻抗后按串联分压列式
  • 中间结果:传递函数为输出支路阻抗除以总阻抗
  • 卡点:元件连接与分压节点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用复阻抗法求 RLC 网络的传递函数
  • 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
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由运算放大器电路求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:利用虚短与虚断条件建立节点电流方程
  • 中间结果:反馈支路阻抗与输入支路阻抗之比决定传递函数
  • 卡点:反相输入的负号与含电容支路整理易漏
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过由运算放大器电路求传递函数
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式

二二、结构图多输入闭环传递函数#

思路
  • 对同一结构图分别求输出对给定输入的闭环传函,以及输出对两个独立输入信号的传递函数
本卷考法
  • 用梅森公式求输出对给定输入的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:数清全部独立回路与前向通路并写特征余子式
  • 中间结果:特征式由回路增益与不接触回路乘积组成
  • 卡点:不接触回路易漏或重复计数,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
  • 本卷考过用梅森公式求输出对给定输入的闭环传函
  • 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
  • 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
  • 求多输入系统中输出对各输入的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:分别令其余输入为零,逐路求前向通路与余子式
  • 中间结果:各路传函分母相同、分子即对应前向通路增益
  • 卡点:求某一路时未把另一个输入置零
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
  • 本卷考过求多输入系统中输出对各输入的传递函数
  • 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
  • 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

三三、由超调量与稳态误差设计参数#

思路
  • 由给定超调量反求阻尼比,再由斜坡输入稳态误差定开环增益与结构参数;最后在给定通道串入控制器使斜坡输入下稳态误差为零
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与稳态误差要求反求结构参数
本卷实例
  • 关键一步:先由超调量反求阻尼比,再由稳态误差确定开环增益
  • 中间结果:两个指标分别对应阻尼比与增益两个待求参数
  • 卡点:只满足单项指标就下结论,须两指标交叉验证
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由超调量与稳态误差要求反求结构参数
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量指标反求二阶系统阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:把超调量要求代入欠阻尼二阶超调量公式反解
  • 中间结果:由超调量可解出唯一的欠阻尼阻尼比
  • 卡点:超调量公式漏乘百分之百会差两个数量级
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反求二阶系统阻尼比
  • 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
  • 设计控制器使斜坡输入下稳态误差为零
本卷实例
  • 关键一步:提高系统型别使速度误差系数趋于无穷
  • 中间结果:在给定通道串入积分环节可消除斜坡稳态误差
  • 卡点:增加积分环节会降低稳定裕度,须兼顾稳定性
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
  • 本卷考过设计控制器使斜坡输入下稳态误差为零
  • 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

四四、含右半平面零点的根轨迹与闭环传函#

思路
  • 开环含一个右半平面零点,先绘参数 K 变化的根轨迹并求虚轴交点定稳定范围;再由已知闭环极点用幅值条件定参数并写闭环传递函数
本卷考法
  • 绘制含右半平面零点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由开环零极点定分支数、实轴段与渐近线方向
  • 中间结果:非最小相位系统的根轨迹可能先向右再折返
  • 卡点:右半平面零点使形状复杂,须逐段按法则判
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
  • 本卷考过绘制含右半平面零点的根轨迹
  • 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
本卷考法
  • 由根轨迹与虚轴交点确定使系统稳定的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于 jω 代入闭环特征方程并分离实部虚部
  • 中间结果:由实部与虚部两个方程联立求临界参数与交点频率
  • 卡点:只解出一个频率会漏掉另一组交点
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确定使系统稳定的参数范围
  • 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
  • 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
  • 由已知闭环极点确定参数并写闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用幅值条件求该极点对应的参数值
  • 中间结果:将参数回代后由开环传函写出闭环传函
  • 卡点:由极点求参数用幅值条件,勿与相角条件混
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
  • 本卷考过由已知闭环极点确定参数并写闭环传递函数
  • 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

五五、由对数频率特性反求传函与判稳#

思路
  • 题面只给一张对数频率特性图,据同册答案段应为由幅频特性反求开环传递函数,再求剪切频率与相位穿越频率判断稳定性
本卷考法
  • 由对数幅频特性反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:低频段斜率定积分环节数,低频高度定开环增益
  • 中间结果:各转折频率处斜率升降对应一阶环节
  • 卡点:原题只给图,低频高度与转折频率需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 低频段斜率给出积分环节个数即系统型别
  • 低频段高度或延长线与 0 dB 交点给出开环增益
  • 每个转折频率对应一个一阶或二阶环节
  • 斜率变化 -20 对应惯性环节,+20 对应一阶微分,-40 可能是振荡环节
步骤
  • 读低频段斜率确定型别 v
  • 由低频段高度或延长线确定增益 K
  • 逐个读出转折频率并判断对应环节类型
  • 结合相频曲线与谐振峰判定二阶环节参数
  • 写出并验证传递函数
通用考法
  • 本卷考过由对数幅频特性反求开环传递函数
  • 由给定 Bode 图写出传递函数
  • 由实验频率特性辨识系统模型
  • 检验候选传递函数与曲线是否吻合
常见易错
  • 把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 斜率变化为 -40 时直接写成一阶环节
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求剪切频率与相位穿越频率并判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:分别在幅值为一与相角为负一百八十度处求频率
  • 中间结果:比较两频率大小判断系统是否稳定
  • 卡点:相位穿越频率用于判稳,勿与剪切频率混用
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
  • 本卷考过求剪切频率与相位穿越频率并判断稳定性
  • 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

六六、奈奎斯特判据判断 II 型系统稳定性#

思路
  • II 型系统开环幅相曲线含两个积分环节,须补画无穷大半径圆弧,再由幅相曲线对负实轴的包围情况用奈氏判据判断闭环稳定性
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据判断 II 型系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:开环含两个积分环节时先补画无穷大半径圆弧
  • 中间结果:由闭环极点数等于开环极点数减两倍包围圈数判断
  • 卡点:补画圆弧要跨过正实轴方向,勿漏算包围圈数
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判断 II 型系统稳定性
  • 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

七七、采样系统输出 Z 变换#

思路
  • 采样系统框图含两个输入通道,分别求各输入到输出的脉冲传递函数,再叠加写出输出 Z 变换
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求多输入采样系统各输入到输出的脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:分别令另一个输入为零,逐路确定 z 域前向通路与回路
  • 中间结果:两路传函的分母为同一特征多项式
  • 卡点:采样开关位置决定脉冲传函串并联顺序,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
  • 本卷考过求多输入采样系统各输入到输出的脉冲传递函数
  • 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
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由 z 域环节运算写出输出 Z 变换表达式
本卷实例
  • 关键一步:用梅森公式在 z 域列写输出对各输入的表达式
  • 中间结果:输出 Z 变换为两路输入作用结果的叠加
  • 卡点:求某一路时未把另一输入置零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过由 z 域环节运算写出输出 Z 变换表达式
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式

八八、状态方程画结构图与能控能观及传函#

思路
  • 给定 A、b、c,先画系统结构图,再构造能控性与能观性矩阵判断性质,求传递函数并求状态转移矩阵
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态空间表达式画系统结构图
本卷实例
  • 关键一步:按状态方程把每个状态用积分器与加法器连接
  • 中间结果:输出方程由输出矩阵对状态加权得到
  • 卡点:状态矩阵中是否含常数项决定有无反馈支路
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
  • 本卷考过由状态空间表达式画系统结构图
  • 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
  • 由矩阵判断系统能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性矩阵与能观性矩阵并求秩
  • 中间结果:二阶系统分别判输入叠乘矩阵与输出叠乘矩阵满秩
  • 卡点:能观矩阵由输出矩阵与其乘积纵向叠放,勿写成横向
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
  • 本卷考过由矩阵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
本卷考法
  • 由状态空间表达式求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用输出矩阵乘状态矩阵逆再乘输入矩阵的公式计算
  • 中间结果:传递函数分母为状态矩阵特征多项式
  • 卡点:须检查是否有零极点对消,否则传函阶数下降
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
  • 本卷考过由状态空间表达式求系统传递函数
  • 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
  • 由系统矩阵求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵逆后作拉氏反变换
  • 中间结果:二阶矩阵求逆后逐元素反变换即可
  • 卡点:矩阵求逆时勿漏行列式分母
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
  • 本卷考过由系统矩阵求状态转移矩阵
  • 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

九九、可观性判别与降维观测器设计#

思路
  • 三阶系统先构造能观性矩阵判别可观性,再按可观测分解把状态分为可直接观测与需估计两部分,对需估计子系统设计降维观测器并把极点配置在负四
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判别三阶系统的可观性
本卷实例
  • 关键一步:构造由输出矩阵及其各阶乘积纵向叠放的能观性矩阵并求秩
  • 中间结果:秩等于系统阶数则系统完全能观
  • 卡点:三阶系统只算到一阶乘积会误判
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
  • 本卷考过判别三阶系统的可观性
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计降维状态观测器并把极点配置在指定位置
本卷实例
  • 关键一步:按可观测分解把状态分为可直接观测与需估计两部分
  • 中间结果:对需估计子系统构造误差动态并配置期望极点
  • 卡点:观测器增益阵与状态反馈增益阵形式易混,矩阵需回原卷核对图
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
  • 本卷考过设计降维状态观测器并把极点配置在指定位置
  • 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