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长安大学 812 自动控制理论(含现控) 2023 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等偏难 8道大题:无源网络复阻抗法与结构图、单位反馈系统根轨迹与稳定范围、多回路系统稳态误差与扰动误差、I型二阶系统稳态误差与串联校正、离散系统双域稳定性与稳定K范围、非线性描述函数法求最大K与自振、线性状态方程李雅普诺夫两法、状态空间降维观测器设计

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1一、无源网络复阻抗法与系统结构图#

思路
  • 由无源网络各元件复阻抗按回路列方程,用回路增益画系统结构图或直接用梅森公式,再消去中间变量求输出电压对输入电压的传递函数
本卷考法
  • 由无源网络的复阻抗模型求Uc(s)/Ur(s)
本卷实例
  • 关键一步:把电容写成1/(Cs)后按回路列方程
  • 中间结果:由回路电流关系消去中间变量
  • 卡点:网络拓扑以图给出,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
  • 本卷考过由无源网络的复阻抗模型求Uc(s)/Ur(s)
  • 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
  • 本卷考过复阻抗法把电容阻抗误写成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
本卷考法
  • 由回路关系画结构图并用梅森公式求传函
本卷实例
  • 关键一步:列出各回路增益并找出互不接触回路
  • 中间结果:按梅森公式写出各前向通路与余子式
  • 卡点:回路与前向通路的接触关系需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由回路关系画结构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
  • 本卷考过余子式中未剔除与通路接触的回路
  • 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、单位反馈系统根轨迹与稳定范围#

思路
  • 由开环传函写特征方程,按根轨迹法则画轨迹并求分离点与虚轴交点;由交点得稳定增益范围与持续振荡参数;再由调节时间指标用主导极点实部求增益与复根
本卷考法
  • 画含右半平面开环极点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出开环极点0、1与开环零点-1
  • 中间结果:由实轴段与渐近线补全轨迹走向
  • 卡点:起点与终点走向需按法则核对
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
  • 本卷考过画含右半平面开环极点的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中零极点个数算错
  • 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
  • 求根轨迹的分离点与会合点
本卷实例
  • 关键一步:令dK/ds为零得含s的二次方程
  • 中间结果:按实轴段判据保留落在轨迹上的根
  • 卡点:分离点处的增益需回代校验
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
  • 本卷考过求根轨迹的分离点与会合点
  • 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
  • 本卷考过求出驻点后不筛选保留不在轨迹上的解
  • 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
  • 求虚轴交点及持续振荡时的增益与频率
本卷实例
  • 关键一步:令劳斯表首列为零求临界增益
  • 中间结果:由辅助方程解出振荡角频率
  • 卡点:稳定性结论需与劳斯判据一致
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
  • 本卷考过求虚轴交点及持续振荡时的增益与频率
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论
  • 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
  • 由调节时间指标确定增益与共轭复根
本卷实例
  • 关键一步:由调节时间反求主导极点实部
  • 中间结果:比较闭环特征多项式系数解出增益
  • 卡点:共轭复根虚部需由特征方程求根核对
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
  • 本卷考过由调节时间指标确定增益与共轭复根
  • 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
  • 本卷考过把等阻尼线画成了垂直线
  • 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

3三、多回路系统稳态误差与扰动误差#

思路
  • 由框图求参考输入与扰动分别作用下的传递函数,定义误差后对单位阶跃输入用终值定理求各分量稳态误差,再由叠加得总稳态误差
本卷考法
  • 写出闭环传函与误差传函
本卷实例
  • 关键一步:按误差定义列E(s)与R(s)之比
  • 中间结果:化简得误差传函的分子与分母
  • 卡点:误差定义与反馈点位置需回原卷核对图
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
  • 本卷考过写出闭环传函与误差传函
  • 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
  • 本卷考过非单位反馈时两种误差定义混用
  • 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
  • 求单位阶跃参考输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把R(s)乘误差传函后取s趋于零的极限
  • 中间结果:由参数整理出参考输入引起的误差
  • 卡点:需先由特征方程确认闭环稳定
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
  • 本卷考过求单位阶跃参考输入下的稳态误差
  • 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
  • 求扰动作用下的稳态误差与扰动传函
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零写扰动到误差的传函
  • 中间结果:对单位阶跃扰动取s趋于零极限
  • 卡点:扰动接入点需按框图逐一核对
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的稳态误差与扰动传函
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 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、I型二阶系统稳态误差与串联校正#

思路
  • 由开环传函求静态速度误差系数得速度稳态误差,由截止频率处相角求相角裕度;再按误差减小十倍且裕度不变的条件设计串联校正装置并画Bode图
本卷考法
  • 由系统型别求静态速度误差系数与速度误差
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函在原点的极点重数定系统型别
  • 中间结果:取s趋于零代入开环传函得速度误差系数
  • 卡点:输入幅值需按题面单位斜坡代入
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
  • 本卷考过由系统型别求静态速度误差系数与速度误差
  • 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
  • 本卷考过把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 计算校正前系统的截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅值为1的条件求截止频率
  • 中间结果:按相频表达式求该处相角裕度
  • 卡点:相角累加需含积分环节的负九十度
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
  • 本卷考过计算校正前系统的截止频率与相角裕度
  • 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
  • 本卷考过把截止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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联校正装置并保持相角裕度不变
本卷实例
  • 关键一步:由误差减小倍数定所需开环增益
  • 中间结果:选取校正网络转折频率使中高频相角不变
  • 卡点:校正装置传函需回代校验两项指标
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
  • 本卷考过设计串联校正装置并保持相角裕度不变
  • 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
  • 本卷考过把滞后网络两个转折频率顺序写反
  • 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

5五、离散系统稳定性与稳定K范围#

思路
  • 对含零阶保持器的连续部分作z变换得开环脉冲传函,写出闭环特征方程;先在z平面用特征根模判稳,再作w变换用劳斯判据复核,最后由判据不等式求稳定增益范围
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 对含零阶保持器的连续部分作z变换
本卷实例
  • 关键一步:合并零阶保持器后展开部分分式
  • 中间结果:逐项查表得含e的负T的脉冲传函
  • 卡点:采样周期取0.2秒需按题面代入
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
  • 本卷考过对含零阶保持器的连续部分作z变换
  • 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
  • 本卷考过把z变换结果中的e的负aT次幂写成e的负a次幂
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由开环脉冲传函写闭环脉冲传函
  • 中间结果:整理得闭环特征方程
  • 卡点:采样开关与保持器位置需按框图核对
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
  • 本卷考过求开环与闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 本卷考过把无采样开关隔开的环节直接相乘
  • 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
  • 用z域与w域两种方法判稳并求稳定K范围
本卷实例
  • 关键一步:解z域特征根并由模小于1判稳
  • 中间结果:作w变换后用劳斯判据列稳定不等式
  • 卡点:w变换公式需正确对应s与z的映射
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
  • 本卷考过用z域与w域两种方法判稳并求稳定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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于1
  • 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

6六、非线性系统描述函数法求最大K与自振#

思路
  • 写出继电型非线性描述函数与负倒特性,再写线性部分幅相特性;由相角负一百八十度处幅值与负倒特性相等求临界增益,由交点求自振振幅与频率
本卷考法
  • 写出给定非线性环节的描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按继电特性输入输出关系分段积分求基波
  • 中间结果:描述函数同时含振幅与非线性参数
  • 卡点:非线性参数以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过写出给定非线性环节的描述函数
  • 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
  • 本卷考过把饱和特性与死区特性混为一谈
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求负倒描述函数并分析其变化趋势
本卷实例
  • 关键一步:由描述函数取倒数并分析振幅影响
  • 中间结果:负倒函数随振幅单调变化
  • 卡点:振幅趋大与趋小两端走向需分别看
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
  • 本卷考过求负倒描述函数并分析其变化趋势
  • 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
  • 本卷考过画的是N(A)而不是负倒描述函数
  • 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
  • 由交点求临界增益与自振振幅频率
本卷实例
  • 关键一步:令相角负一百八十度处幅值等于负倒函数
  • 中间结果:由交点坐标读出振幅与角频率
  • 卡点:系统稳定时增益上界需由交点条件定
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
  • 本卷考过由交点求临界增益与自振振幅频率
  • 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

7七、线性状态方程的李雅普诺夫两法#

思路
  • 先由状态矩阵求特征方程,用李雅普诺夫第一法按特征值实部符号判稳;再取二次型正定函数沿状态方程求导,由导数半负定性判稳定并说明其渐近性
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 分别用第一法与第二法判断线性系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵特征方程得特征值
  • 中间结果:取二次型函数求导后判断其符号
  • 卡点:导数为半负定时只能判稳定,渐近性需另论
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
  • 本卷考过分别用第一法与第二法判断线性系统稳定性
  • 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V正定就下结论而未检查其导数
  • 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

8八、状态空间降维观测器设计#

思路
  • 先由能观性判别矩阵判系统完全能观;再按能观标准型对状态分块,构造降维观测器的特征多项式与期望极点多项式比对,解出增益并画状态变量图
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能观性判别矩阵判断系统完全能观
本卷实例
  • 关键一步:按C、CA、CA平方依次算出并排成矩阵
  • 中间结果:由判别矩阵满秩判定完全能观
  • 卡点:状态矩阵与输出矩阵需回原卷核对
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
  • 本卷考过由能观性判别矩阵判断系统完全能观
  • 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-2次幂乘C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
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配置极点
本卷实例
  • 关键一步:对状态分块后写降维观测器特征多项式
  • 中间结果:与期望极点多项式比较解出增益
  • 卡点:降维观测器方程变换需按标准型整理
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配置极点
  • 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阵写成状态反馈增益阵形式
  • 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