←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

哈尔滨工程大学 808 自动控制理论(含现控) 2023 年真题思维导图

211 院校共 12 题

难度:中等偏难 全卷 12 题,逐年试题册与宝典两源都未逐题印分值、也未印卷首共 N 题,故 12 个板块分值一律留空。覆盖比较点引出点互换与信号流图、速度反馈与前馈补偿、开环对数幅频特性与动态误差、含右半平面极点的根轨迹、由幅频特性与相角裕度反求传函、根轨迹法超前校正、非线性环节等效与相平面、离散系统稳定域与采样周期、状态空间建模与能控能观、能控规范型与零状态响应、李雅普诺夫稳定与渐近稳定范围、状态反馈极点配置与状态观测器。第 1、2、3、5、7、8、9 题题面含原卷插图。

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

1一、结构图化简与信号流图回路增益(原卷图)#

思路
  • 用比较点与引出点的移动把结构图逐步化简得闭环传函;再把化简前后结构改画成信号流图,逐条写出回路增益与前向通路。
比较点与引出点的移动 结构图与方框图
本卷考法
  • 用比较点与引出点移动化简多回路结构图
本卷实例
  • 关键一步:按比较点后移、引出点前移的规则逐步消去交叉连接
  • 中间结果:每次移动后新支路增益等于被移环节传函或其倒数
  • 卡点:结构图为原卷插图,移动次序与支路增减需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 移动的判据:移动前后各支路变量关系必须保持不变
  • 比较点前移要除以所跨环节,后移要乘以所跨环节
  • 引出点前移要乘以所跨环节,后移要除以所跨环节
步骤
  • 确定要移动的点和跨越的环节
  • 按“前移用除、后移用乘”的规则补上等效环节
  • 检查移动后与原结构是否等价
通用考法
  • 本卷考过用比较点与引出点移动化简多回路结构图
  • 化简含交叉比较点或引出点的结构图
  • 判断某次移动是否正确
常见易错
  • 移动方向与乘除关系搞反
  • 引出点与比较点的移动规则混用
本卷考法
  • 绘制信号流图并写出各回路增益与前向通路
本卷实例
  • 关键一步:按节点与支路增益改画信号流图后逐条列出回路
  • 中间结果:无互不接触回路时特征式为一减各回路增益之和
  • 卡点:回路增益的正负号由反馈极性决定,易与正反馈混
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
  • 本卷考过绘制信号流图并写出各回路增益与前向通路
  • 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

2二、速度反馈与前馈补偿参数设计(原文图2)#

思路
  • 设速度反馈为微分形式写闭环特征方程,按超调量与峰值时间求阻尼比和自然频率定增益与反馈系数;再令扰动到输出的传函恒为零解出前馈补偿环节。
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与峰值时间要求反求二阶系统增益与速度反馈系数
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程化为标准二阶形式再与指标对应
  • 中间结果:由超调量定阻尼比,由峰值时间定自然频率
  • 卡点:速度反馈系数与开环增益由两个指标联立确定,不能只用一个
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峰值时间要求反求二阶系统增益与速度反馈系数
  • 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
本卷考法
  • 求扰动作用下的传递函数并实现扰动不变性
本卷实例
  • 关键一步:求扰动传函时令参考输入为零,把前馈支路并入前向通路
  • 中间结果:令扰动传函的分子多项式恒为零即得补偿条件
  • 卡点:结构图为原卷插图,扰动注入点与前馈接入点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求扰动作用下的传递函数并实现扰动不变性
  • 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
本卷考法
  • 设计前馈补偿器实现系统对扰动的完全不变性
本卷实例
  • 关键一步:把扰动主通路与前馈支路整理成可相消的形式
  • 中间结果:补偿环节由扰动传函分子的各项系数为零反求
  • 卡点:求出的前馈环节可能含高阶微分,需说明可实现性
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
  • 本卷考过设计前馈补偿器实现系统对扰动的完全不变性
  • 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

3三、开环对数幅频特性与动态误差(原卷图)#

思路
  • 把开环传函化为尾一标准型,按各转折频率逐段画渐近对数幅频特性;再把误差传函展开成幂级数求动态误差系数,代入给定输入及其各阶导数得动态误差。
本卷考法
  • 按尾一标准型逐段绘制开环对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:先由低频段斜率与高度定系统型别与开环增益
  • 中间结果:每过一个转折频率斜率按该环节阶次改变
  • 卡点:斜率逐段累加而非替换,低频段起始高度勿漏型别修正
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
  • 本卷考过按尾一标准型逐段绘制开环对数渐近幅频特性
  • 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
本卷考法
  • 由误差传递函数的长除法求动态误差系数
本卷实例
  • 关键一步:把误差传函在原点附近展开成变量 s 的幂级数
  • 中间结果:幂级数各次幂系数即动态误差系数
  • 卡点:动态误差用于误差随时间变化的场合,与静态误差不同
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
  • 本卷考过由误差传递函数的长除法求动态误差系数
  • 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

4四、含右半平面极点系统的根轨迹与稳定范围#

思路
  • 标出开环零极点并判断实轴段,求渐近线、分离点与出射角;列劳斯表令首列同号求穿越虚轴的两组临界增益,从而得稳定范围。
本卷考法
  • 绘制含一个右半平面极点的非最小相位系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先按实轴段判据找出属于根轨迹的实轴区间
  • 中间结果:渐近线夹角由极点数减零点数确定
  • 卡点:开环有右半平面极点时稳定性判据需按奈奎斯特重新理解
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
  • 本卷考过绘制含一个右半平面极点的非最小相位系统根轨迹
  • 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
  • 求分离点并用根轨迹条件舍去无效解
本卷实例
  • 关键一步:由分子分母导数交叉相乘得分离点方程
  • 中间结果:方程的解中只有落在根轨迹上的才是真正分离点
  • 卡点:解出复根要说明不在实轴上故舍去,不能直接丢弃
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
  • 本卷考过求分离点并用根轨迹条件舍去无效解
  • 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
本卷考法
  • 由劳斯表求与虚轴交点及两组临界增益
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程列劳斯表并令含增益的首列元素为零
  • 中间结果:由出现全零行的辅助多项式解出交点频率
  • 卡点:临界增益有两个,稳定区可能在两临界值之间
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
  • 本卷考过由劳斯表求与虚轴交点及两组临界增益
  • 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

5五、由开环幅频特性与相角裕度反求传函(原卷图)#

思路
  • 由折线幅频特性低频段与转折频率写出含待定环节数的开环传函通式,结合相角裕度大于四十五度判断各环节相位构成并定出环节数,再写闭环传函。
本卷考法
  • 由开环对数幅频特性折线反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定积分环节个数与开环增益
  • 中间结果:按各转折频率处的斜率改变量配置相应环节
  • 卡点:转折频率取自原卷插图,需回原卷核对折线与坐标
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折线反求传递函数
  • 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
  • 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
  • 用相角裕度条件判断传函的相位构成并确定环节数
本卷实例
  • 关键一步:先由幅频曲线求截止频率再代入相位表达式
  • 中间结果:令相角裕度满足给定要求反推正实部极点的个数
  • 卡点:非最小相位系统的相位不能只按惯性环节累加,须分情况讨论
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
  • 本卷考过用相角裕度条件判断传函的相位构成并确定环节数
  • 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

6六、根轨迹法设计串联超前校正#

思路
  • 由超调量与调节时间要求求主导极点,检验主导极点在未校正根轨迹上的相角差,用超前校正网络补足相角并满足幅值条件;再串入偶极子提高开环增益以满足速度误差系数。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 用根轨迹法设计串联超前校正装置
本卷实例
  • 关键一步:先按超调量与调节时间确定期望闭环主导极点
  • 中间结果:由相角条件算出超前网络需补充的相角
  • 卡点:超前网络零极点位置由相角与幅值条件联立确定
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
  • 本卷考过用根轨迹法设计串联超前校正装置
  • 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
  • 由期望主导极点位置反求校正后系统的增益
本卷实例
  • 关键一步:把主导极点代入校正后开环传函用幅值条件求增益
  • 中间结果:由增益与零极点位置算速度误差系数并检验指标
  • 卡点:主导极点近似忽略非主导极点与零点的影响,须说明理由
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
  • 本卷考过由期望主导极点位置反求校正后系统的增益
  • 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
  • 把时域性能指标折算为根轨迹设计的相角与增益要求
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比在复平面画等阻尼线定位主导极点
  • 中间结果:调节时间条件给出主导极点实部的下界
  • 卡点:各指标要同时满足,主导极点需落在两个约束的交集内
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过把时域性能指标折算为根轨迹设计的相角与增益要求
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式

7七、非线性环节等效与相平面相轨迹(原文图5、图6)#

思路
  • 把 A 到 B 之间的非线性环节按输入输出关系等效为带死区的继电特性并标出参数;再把线性部分与非线性开关线写入误差方程,分区域画等倾线与相轨迹。
本卷考法
  • 把给定的非线性环节等效为典型非线性特性并标注参数
本卷实例
  • 关键一步:按 A 到 B 的输入输出关系分段写出等效特性表达式
  • 中间结果:等效特性由线性区、正负饱和段与开关阈值共同确定
  • 卡点:结构图为原卷插图,非线性环节的连接与增益需回原卷核对图
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
  • 本卷考过把给定的非线性环节等效为典型非线性特性并标注参数
  • 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
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 绘制给定初始条件下的误差相平面轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先由误差与线性部分方程写出相轨迹微分方程
  • 中间结果:开关线由非线性环节的死区边界换算到误差坐标给出
  • 卡点:各区域的相轨迹要在开关线上按方向拼接,不能跨区乱连
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过绘制给定初始条件下的误差相平面轨迹
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式

8八、离散系统稳定域与采样周期影响(原卷图)#

思路
  • 先求开环脉冲传函与闭环特征多项式,采样周期小时用双线性变换把特征方程映射到 w 平面列劳斯表;采样周期大时直接用朱利判据列不等式组,再比较结果说明采样周期对稳定域的影响。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散结构图求开环脉冲传函与闭环特征多项式
本卷实例
  • 关键一步:用零阶保持器与被控对象组合求 z 变换得开环脉冲传函
  • 中间结果:闭环特征多项式由开环脉冲传函加一得到
  • 卡点:结构图为原卷插图,采样开关位置与对象参数需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由离散结构图求开环脉冲传函与闭环特征多项式
  • 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
  • 用双线性变换劳斯判据与朱利判据分别求稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:双线性变换把 z 平面单位圆内映射到 w 左半平面
  • 中间结果:朱利判据由特征多项式在正负一处的值与常数项约束给出
  • 卡点:采样周期增大使稳定增益范围明显缩小,两问结论须一致解释
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
  • 本卷考过用双线性变换劳斯判据与朱利判据分别求稳定增益范围
  • 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、三状态变量状态空间建模与能控能观(原卷图)#

思路
  • 按结构图对每个积分器输出取状态变量,写出各节点代数关系并整理成状态方程与输出方程;再构造能控、能观判别矩阵求秩判断。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 按结构图取三个状态变量建立状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:以每个积分器的输出作为状态变量逐点列写节点方程
  • 中间结果:输出方程由指定的状态变量组合直接写出
  • 卡点:结构图为原卷插图,积分器连接与反馈系数需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按结构图取三个状态变量建立状态空间表达式
  • 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
  • 构造判别矩阵判断系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别按能控与能观判据构造判别矩阵并求秩
  • 中间结果:判别矩阵满秩对应完全能控或完全能观
  • 卡点:能控与能观判别矩阵的构造方式不同,不能互相套用
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
  • 本卷考过构造判别矩阵判断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

10十、由传函求能控规范型实现与零状态响应#

思路
  • 先把假分式化分出一个常数项与一个真分式,按真分式写能控规范型实现;求状态转移矩阵后,用零初始条件下的卷积积分求单位阶跃输入下的零状态响应。
本卷考法
  • 由给定传递函数写能控规范型状态空间实现
本卷实例
  • 关键一步:先把假分式化为常数项加真分式,常数项进直接传递矩阵
  • 中间结果:能控规范型的系统矩阵最后一行取分母系数相反数
  • 卡点:分子分母同阶,直接传递项与输出方程系数不能漏
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
  • 本卷考过由给定传递函数写能控规范型状态空间实现
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵并计算单位阶跃下的零状态响应
本卷实例
  • 关键一步:先求预解矩阵的逆再逐项拉氏反变换得转移矩阵
  • 中间结果:零状态响应由转移矩阵与输入矩阵的卷积积分给出
  • 卡点:特征根为重根时反变换含时间乘指数项,形式易写错
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
  • 本卷考过求状态转移矩阵并计算单位阶跃下的零状态响应
  • 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

11十一、李雅普诺夫意义下稳定与渐近稳定范围#

思路
  • 对第一个系统求特征值并检查零特征值对应的约当块阶数,判断是否李雅普诺夫意义下稳定;对第二个系统列特征多项式后用劳斯判据求渐近稳定时参数范围。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 判断原点是否为李雅普诺夫意义下稳定
本卷实例
  • 关键一步:先求系统矩阵特征值再检查零实部根的约当块阶数
  • 中间结果:零特征值为最小多项式单根才满足李雅普诺夫稳定
  • 卡点:零特征值对应二阶约当块时解含时间增长项,故不稳定
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
  • 本卷考过判断原点是否为李雅普诺夫意义下稳定
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求使系统渐近稳定的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:展开特征多项式后按降幂排列列劳斯表
  • 中间结果:令劳斯表首列各元同号得到参数的联合不等式
  • 卡点:系统含负号项时须逐项讨论首列元素符号
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
  • 本卷考过用劳斯判据求使系统渐近稳定的参数范围
  • 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

12十二、状态反馈极点配置与状态观测器设计#

思路
  • 先由能控判别矩阵判断能否配置指定极点,对可控子系统设增益阵对比期望特征多项式求反馈增益;再用能观判别矩阵判断能否设计观测器,对可观子系统对比期望特征多项式求观测器增益。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断能否通过状态反馈配置极点并求反馈增益矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先由能控判别矩阵的秩判断极点配置的可行性
  • 中间结果:对可控子系统展开闭环特征多项式与期望式对比系数
  • 卡点:系统不完全能控时不可控模态的极点无法移动,须先行分解
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
  • 本卷考过判断能否通过状态反馈配置极点并求反馈增益矩阵
  • 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
  • 判断能否设计全维状态观测器并求观测器增益矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先由能观判别矩阵的秩判断观测器设计的可行性
  • 中间结果:对可观子系统令特征多项式等于期望式反解观测器增益
  • 卡点:观测器增益与状态反馈增益的矩阵形式不同,不要套用
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
  • 本卷考过判断能否设计全维状态观测器并求观测器增益矩阵
  • 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
  • 构造判别矩阵判断极点配置与观测器设计的可行性
本卷实例
  • 关键一步:分别求能控与能观判别矩阵的秩再与系统阶数比较
  • 中间结果:秩不足说明对应模态不可控或不可观
  • 卡点:不可观子系统若本身稳定,仍可只对可观子系统设计观测器
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
  • 本卷考过构造判别矩阵判断极点配置与观测器设计的可行性
  • 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