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长安大学 812 自动控制理论(含现控) 2020 年真题思维导图

211 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等偏难 共10道大题(计算题与综合题):结构图求闭环传函、网络求传函、零极点形式与参数根轨迹、二阶系统参数与扰动补偿、稳定K范围与复合输入稳态误差、由Bode图求传函与裕度、描述函数法判自振、平衡点个数与李雅普诺夫判稳、状态空间能控能观参数范围、状态反馈极点配置与降维观测器。

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1一、结构图求闭环传递函数10 分#

思路
  • 在结构图上标出全部独立回路与前向通路,用梅逊公式写出特征式与各通路余子式,整理成输出对输入的闭环传函。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由多回路结构图逐步化简求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先求各内环等效传函再合并并联支路
  • 中间结果:整理成分子为各前向通路之和的分式
  • 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
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过由多回路结构图逐步化简求闭环传函
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 本卷考过化简内环时把外环信号当成常数
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
本卷考法
  • 用梅逊增益公式列回路与前向通路求总传输
本卷实例
  • 关键一步:列出独立回路并写特征式
  • 中间结果:依次写各前向通路增益与余子式
  • 卡点:回路接触关系以图给出,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
  • 本卷考过用梅逊增益公式列回路与前向通路求总传输
  • 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
  • 本卷考过不接触回路找漏或重复计数
  • 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

2二、网络求传递函数10 分#

思路
  • 对含运放的网络用虚短虚断取输入端电位,列出各节点电流方程消去中间电压,整理得输出对输入的传递函数。
本卷考法
  • 由网络复阻抗关系求Uo与Ui之比
本卷实例
  • 关键一步:把各元件写成复阻抗后列节点方程
  • 中间结果:消去中间节点电压整理为传函
  • 卡点:网络结构以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由网络复阻抗关系求Uo与Ui之比
  • 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
  • 本卷考过复阻抗法中电容阻抗写成Cs
  • 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
  • 含运放网络用虚短虚断列方程建模
本卷实例
  • 关键一步:先由虚短虚断设两输入端电位相等
  • 中间结果:联立节点方程得到输出表达式
  • 卡点:反馈支路接法以原卷插图为准
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
  • 本卷考过含运放网络用虚短虚断列方程建模
  • 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
  • 本卷考过含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 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

3三、零极点形式与参数根轨迹判稳10 分#

思路
  • 先把开环传函化为零极点形式,再以增益为变量整理等效根轨迹方程,按法则画轨迹并求虚轴交点,由交点给出临界稳定条件和增益范围。
本卷考法
  • 把开环传函整理为零极点形式并指出阶数
本卷实例
  • 关键一步:把各因式写成时间常数形式再归一
  • 中间结果:指出极点零点个数与系统阶数
  • 卡点:系数取值以题面印刷为准
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
  • 本卷考过把开环传函整理为零极点形式并指出阶数
  • 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
  • 本卷考过分母按升幂抄写导致系数顺序颠倒
  • 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
  • 以增益为参数变量绘制参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成1加K乘某分式等于零
  • 中间结果:按等效开环的零极点画根轨迹
  • 卡点:轨迹形状以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过以增益为参数变量绘制参数根轨迹
  • 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
  • 本卷考过整理时没有把参数完整提到分子位置
  • 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
本卷考法
  • 由虚轴交点求临界增益与稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表求临界增益
  • 中间结果:由辅助方程求虚轴交点频率
  • 卡点:增益符号以题面为准
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
  • 本卷考过由虚轴交点求临界增益与稳定范围
  • 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
  • 本卷考过得到临界增益后未回代核对参数定义
  • 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

4四、二阶系统参数与扰动补偿15 分#

思路
  • 由闭环特征方程对照标准二阶形式求增益与反馈系数,判稳后用终值定理求斜坡输入下的稳态误差,最后令扰动到输出的传函为零求补偿器。
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
  • 由标准二阶形式与给定阻尼比求增益和反馈系数
本卷实例
  • 关键一步:由结构图写闭环特征方程并对照标准形式
  • 中间结果:由对应系数相等解出增益与反馈系数
  • 卡点:阻尼比与自然频率以题面为准
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
  • 本卷考过由标准二阶形式与给定阻尼比求增益和反馈系数
  • 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
  • 本卷考过把开环增益误当成闭环传递函数的系数
  • 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
本卷考法
  • 求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先由特征方程判断闭环稳定性
  • 中间结果:把斜坡的拉氏像代入误差传函求极限
  • 卡点:误差定义以题面印刷为准
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
  • 本卷考过求单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过未判稳就使用终值定理
  • 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
  • 求前馈补偿器使扰动对输出无影响
本卷实例
  • 关键一步:对扰动列信号流图并写扰动到输出的传函
  • 中间结果:令该传函恒等于零解出补偿器表达式
  • 卡点:扰动作用点以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过求前馈补偿器使扰动对输出无影响
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 本卷考过求补偿器时未把参考输入置零
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式

5五、稳定K范围与复合输入稳态误差15 分#

思路
  • 由结构图写闭环特征方程并用劳斯判据求稳定K范围,判稳后按型别与静态误差系数求阶跃、斜坡、抛物线复合输入下的稳态误差。
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由劳斯判据首列不等式求稳定K范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列出劳斯表
  • 中间结果:首列各元大于零取交集得K范围
  • 卡点:结构参数以题面印刷为准
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
  • 本卷考过由劳斯判据首列不等式求稳定K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
  • 本卷考过取交集时把端点是否包含搞错
  • 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
本卷考法
  • 求阶跃斜坡抛物线复合输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函判系统型别并求各静态误差系数
  • 中间结果:把各分量除以对应误差系数后相加
  • 卡点:各输入分量系数以题面为准
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
  • 本卷考过求阶跃斜坡抛物线复合输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过输入为组合信号时漏掉某一分量
  • 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

6六、由Bode图求开环传函与相角裕度15 分#

思路
  • 由对数幅频特性低频段斜率与高度定系统型别和增益,按转折频率写出开环传函,再求幅值穿越频率与相角裕度并据此判稳。
本卷考法
  • 由开环对数幅频特性反求传递函数
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:按各转折频率写出一阶环节的乘积
  • 卡点:转折频率以题目文字给出
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
  • 本卷考过由开环对数幅频特性反求传递函数
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点误当增益而未折算型别
  • 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
  • 求截止频率与相角裕度并判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令开环幅值等于1求截止频率
  • 中间结果:把截止频率代入相频式求相角裕度
  • 卡点:裕度符号以最小相位系统为前提
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与相角裕度并判断稳定性
  • 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
  • 本卷考过把幅值穿越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

7七、非线性系统描述函数法判自振20 分#

思路
  • 由非线性环节写描述函数与负倒描述函数,与线性部分奈奎斯特曲线同图比较,由曲线穿越关系判断是否存在自振,再由两曲线交点求振幅与频率。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求理想继电特性的描述函数与负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按理想继电特性写描述函数表达式
  • 中间结果:求负倒描述函数并标出振幅变化方向
  • 卡点:继电幅值以题面为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过求理想继电特性的描述函数与负倒描述函数
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 本卷考过把描述函数当成频率的函数
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式
本卷考法
  • 由两曲线交点判断自振并求振幅和频率
本卷实例
  • 关键一步:把负倒描述函数与开环幅相曲线画在同一复平面
  • 中间结果:由曲线穿越方向判断自振存在性
  • 卡点:交点求解需回原卷核对曲线图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 自振条件为 G(jω)N(A)=-1,即线性部分特性与负倒描述函数曲线相交
  • 交点给出自振频率 ω 与自振幅值 A
  • 负倒描述函数曲线上幅值增大的方向决定自振是否稳定
  • 交点处两条曲线的走向关系决定极限环稳定性
步骤
  • 求线性部分的频率特性 G(jω)
  • 求非线性环节的负倒描述函数 -1/N(A) 并确定 A 的增大方向
  • 在同一复平面上画两条曲线并求交点
  • 由交点处的走向判断自振是否存在且稳定,读出 ω 与 A
通用考法
  • 本卷考过由两曲线交点判断自振并求振幅和频率
  • 判断系统是否产生自持振荡
  • 求自振频率与自振幅值
  • 分析参数变化对自振的影响
常见易错
  • 本卷考过未标注振幅增大方向就判断稳定性
  • 画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
  • 未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 把交点频率当成截止频率
公式

8八、平衡点个数与李雅普诺夫判稳15 分#

思路
  • 令状态导数为零得代数方程组,由系数矩阵行列式是否为零判断平衡点个数;再对给定参数值构造李雅普诺夫函数并用希尔维斯特判据判断稳定性。
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 令状态导数为零求平衡点并讨论个数(借位)
本卷实例
  • 关键一步:令状态导数同时为零得齐次方程组
  • 中间结果:由系数矩阵行列式为零与否分档讨论
  • 卡点:参数a的取值以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过令状态导数为零求平衡点并讨论个数(借位)
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 本卷考过未先求平衡点就直接做稳定性分析
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 对给定参数值用李雅普诺夫第二法判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:代入给定参数后设对称正定矩阵
  • 中间结果:解李雅普诺夫方程并用希尔维斯特判据判正定
  • 卡点:状态矩阵元素以题面为准
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
  • 本卷考过对给定参数值用李雅普诺夫第二法判断稳定性
  • 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
  • 本卷考过只判断函数正定而未检查其导数符号
  • 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、状态空间能控能观的参数范围20 分#

思路
  • 分别构造三阶系统的能控性矩阵与能观性矩阵,令两矩阵行列式不为零得到参数不等式,取交集即系统完全能控且完全能观的条件。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 求使三阶系统能控又能观的参数取值范围
本卷实例
  • 关键一步:按定义写出能控性矩阵与能观性矩阵
  • 中间结果:分别令其行列式不为零得参数条件
  • 卡点:a与b的符号约定以题面为准
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
  • 本卷考过求使三阶系统能控又能观的参数取值范围
  • 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A的n减2次幂就下结论
  • 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

10十、状态反馈极点配置与降维观测器20 分#

思路
  • 先验证能控性,再由期望极点写期望特征多项式与闭环特征式比较系数求状态反馈增益;再验证能观性并作状态变换,按降维观测器结构配置观测器极点并写出观测方程。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性与能观性判断能否配置极点和观测器
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控性矩阵与能观性矩阵
  • 中间结果:由秩判断可控与可观并据此选实现
  • 卡点:系统矩阵以题面印刷为准
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
  • 本卷考过由能控性与能观性判断能否配置极点和观测器
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈增益配置到给定极点位置
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写出期望特征多项式
  • 中间结果:与含增益的闭环特征式比较系数解增益
  • 卡点:期望极点以题面印刷为准
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配置到给定极点位置
  • 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
  • 本卷考过特征多项式比较系数时符号写反
  • 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
  • 设计降维观测器并写出观测器方程
本卷实例
  • 关键一步:作状态变换把系统分成可观测与需估计两部分
  • 中间结果:对需估计部分按期望极点配置观测器极点
  • 卡点:变换矩阵与观测方程以答案图为准
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
  • 本卷考过设计降维观测器并写出观测器方程
  • 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
  • 本卷考过把观测器增益写成状态反馈增益的形式
  • 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