←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

华北电力大学(保定) 820 自动控制理论(含现控) 2024 年真题思维导图

211 院校共 7 题合计 150 分

难度:中等偏难 7 道大题,覆盖方框图化简与多输入传函、奈氏判据与串联及局部反馈校正、参量稳定域与正弦稳态定参及前馈校正、离散系统差分方程与脉冲传函及稳定、状态空间传递函数矩阵与李雅普诺夫证明、状态反馈极点配置与观测器设计、非线性系统平衡点与李雅普诺夫分析;卷面逐题标分。

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

一一、方框图化简、多输入传函与参数稳定域35 分#

思路
  • 先由虚框内四个环节按回路结构写出对象等效传函与开环传函,再分别令参考输入与扰动单独作用求四个传函;最后由闭环特征方程列劳斯表定控制器参数范围,并按组合输入求稳态误差。
本卷考法
  • 由方框图求对象等效传函与开环传函
本卷实例
  • 关键一步:按回路增益与互不接触关系写出特征式
  • 关键一步:把四个环节代入特征式并整理成真分式
  • 中间结果:对象由两个惯性环节串联构成
  • 中间结果:开环传函由控制器与对象串联相乘得到
  • 卡点:需回原卷核对图一虚框内环节的连接方式
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
  • 本卷考过由方框图求对象等效传函与开环传函
  • 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
  • 求参考输入与扰动分别作用下的四个传函
本卷实例
  • 关键一步:求 C 对 N 与 E 对 N 时把参考输入置零
  • 关键一步:求 C 对 R 与 E 对 R 时把扰动置零
  • 中间结果:四个传函共用同一闭环特征多项式作分母
  • 中间结果:扰动传函分子由扰动加入点到输出的通路决定
  • 卡点:需回原卷核对图一中扰动 N 的加入点
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
  • 本卷考过求参考输入与扰动分别作用下的四个传函
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由劳斯判据求控制器参数的稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程后列劳斯表
  • 关键一步:令首列各元素大于零,解不等式组取交集
  • 中间结果:首列含参数的项给出参数上界
  • 中间结果:常数项大于零给出参数下界
  • 卡点:需回原卷核对图一中控制器 Gc 的结构
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求控制器参数的稳定范围
  • 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
  • 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
  • 求阶跃与斜坡参考输入同扰动共同作用下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把误差按输入分量与扰动分量分别用终值定理求极限
  • 关键一步:两分量相加得总稳态误差
  • 中间结果:输入含阶跃与斜坡分量,扰动为阶跃
  • 中间结果:误差分母由闭环特征式给出
  • 卡点:需回原卷核对图一中误差定义点与扰动加入点
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
  • 本卷考过求阶跃与斜坡参考输入同扰动共同作用下的稳态误差
  • 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

二二、奈氏判稳、串联校正与局部反馈校正30 分#

思路
  • 按给定参数写开环传函画奈氏曲线并用奈氏判据判稳;再由校正后开环特性求剪切频率与相角裕量并判超前或滞后作用;最后按局部反馈等效求稳态误差与超调量。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 画开环奈氏曲线并用奈奎斯特判据判别闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P
  • 关键一步:再数曲线对临界点的包围圈数 N,由 Z 等于 P 加 N 求闭环右半极点数
  • 中间结果:开环含两个积分环节,曲线位于负实轴附近
  • 中间结果:曲线经过临界点时系统临界稳定
  • 卡点:需回原卷核对图二中局部反馈与校正环节的接入位置
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
  • 本卷考过画开环奈氏曲线并用奈奎斯特判据判别闭环稳定性
  • 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
本卷考法
  • 画校正后开环伯德图并计算剪切频率
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定型别,由转折频率逐段叠加斜率
  • 关键一步:令幅值等于一解出剪切频率
  • 中间结果:低频段延长线与零分贝线交点给出增益
  • 中间结果:一阶微分环节使中频段相位抬高
  • 卡点:需回原卷核对图二中校正环节所在回路
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
  • 本卷考过画校正后开环伯德图并计算剪切频率
  • 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
  • 计算相角裕量并判断超前或滞后校正作用
本卷实例
  • 关键一步:在剪切频率处代入相频表达式求相角裕量
  • 关键一步:由校正网络在全频段的相角正负判断作用
  • 中间结果:相角裕量为一百八十度加剪切频率处相角
  • 中间结果:校正网络相角为正即为超前作用
  • 卡点:剪切频率须由校正后开环特性确定
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
  • 本卷考过计算相角裕量并判断超前或滞后校正作用
  • 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
本卷考法
  • 由局部反馈校正求等效开环传函
本卷实例
  • 关键一步:把被局部反馈包围的环节化等效
  • 关键一步:再与串联的校正环节相乘
  • 中间结果:局部反馈使等效传函结构改变
  • 中间结果:等效后可化为标准二阶形式
  • 卡点:需回原卷核对超调量符号与给定输入幅值
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
  • 本卷考过由局部反馈校正求等效开环传函
  • 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
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由等效二阶系统计算超调量
本卷实例
  • 关键一步:由标准二阶形式读出阻尼比
  • 关键一步:代入超调量公式估算超调量
  • 中间结果:超调量只由阻尼比决定
  • 中间结果:自然频率由等效开环参数确定
  • 卡点:须先把局部反馈校正后的传函化为标准形式
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
  • 本卷考过由等效二阶系统计算超调量
  • 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
  • 求给定组合输入与扰动同时作用下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:按输入分量分别用终值定理求稳态误差再叠加
  • 关键一步:扰动分量单独求扰动误差传函
  • 中间结果:系统对斜坡输入有差、对阶跃输入无差
  • 中间结果:总误差由输入与扰动两部分组成
  • 卡点:需回原卷核对 r(t) 与 n(t) 表达式(源文有等号疑为减号的残迹)
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
  • 本卷考过求给定组合输入与扰动同时作用下的稳态误差
  • 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
  • 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

三三、参量稳定域、正弦稳态定参与前馈校正20 分#

思路
  • 由结构图写开环与闭环特征方程,用劳斯判据求 k、T 的稳定域;由正弦稳态响应的幅值与相移反求 k、T 并判稳;再按不变性原理分别设计扰动前馈与给定前馈校正。
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求两个参数同时满足的稳定域
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列劳斯表
  • 关键一步:令首列元素全为正,解含两个参数的不等式组取交集
  • 中间结果:首列含参数项给出其中一个参数的上界
  • 中间结果:常数项大于零给出另一参数的下界
  • 卡点:需回原卷核对图三中两个参数所在环节
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
  • 本卷考过求两个参数同时满足的稳定域
  • 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
  • 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
  • 由正弦输入的稳态响应幅值与相移反求系统参数
本卷实例
  • 关键一步:把给定正弦频率代入闭环频率特性
  • 关键一步:列出幅值与相角两个等式并联立解出两个参数
  • 中间结果:相移由闭环相频特性在输入频率处的取值给出
  • 中间结果:幅值等式与相角等式各含两个待定参数
  • 卡点:需回原卷核对图三正弦量 a 与 b 的对应节点
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
  • 本卷考过由正弦输入的稳态响应幅值与相移反求系统参数
  • 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
本卷考法
  • 按不变性原理设计给定前馈与扰动前馈校正
本卷实例
  • 关键一步:令误差传函为零列写前馈补偿器的传递函数条件
  • 关键一步:分别对扰动通道与给定通道列不变性条件
  • 中间结果:扰动前馈由扰动到误差的通路整除求得
  • 中间结果:给定前馈使系统跟踪斜坡输入时静态无差
  • 卡点:需回原卷核对图三中两个前馈校正的接入点
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
  • 本卷考过按不变性原理设计给定前馈与扰动前馈校正
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 说明前馈补偿对稳态误差的作用
本卷实例
  • 关键一步:比较加入前馈前后误差传函分子是否为零
  • 关键一步:由闭环特征方程是否改变判断稳定性影响
  • 中间结果:前馈使特定输入的稳态误差为零
  • 中间结果:补偿器可能含微分环节需检查可实现性
  • 卡点:需回原卷核对前馈校正的物理实现条件
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
  • 本卷考过说明前馈补偿对稳态误差的作用
  • 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、数字控制器差分方程、脉冲传函与稳定性15 分#

思路
  • 由数字控制器 D(z) 的分子分母系数写差分方程;把零阶保持器与被控对象相乘后整体做 z 变换求开环脉冲传函,进而求闭环脉冲传函;最后由朱利判据判断闭环稳定性。
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由脉冲传函 D(z) 写出对应的差分方程
本卷实例
  • 关键一步:把 D(z) 写成 U(z) 比 E(z),两边交叉相乘
  • 关键一步:对 z 的负幂项作时移化为差分方程
  • 中间结果:差分方程含当前与前一拍的输入输出项
  • 中间结果:各项系数与 D(z) 分子分母一一对应
  • 卡点:交叉相乘时时移方向与符号易写错
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
  • 本卷考过由脉冲传函 D(z) 写出对应的差分方程
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把保持器与被控对象相乘后整体取 z 变换
  • 关键一步:按题给 z 变换提示把一阶惯性部分展开
  • 中间结果:开环脉冲传函分母含 e 的负采样周期次方
  • 中间结果:闭环脉冲传函由开环按反馈等效得到
  • 卡点:需回原卷核对图四中采样开关与保持器的位置
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
  • 本卷考过求含零阶保持器的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
  • 用朱利判据判断闭环离散系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征多项式列出朱利判据条件
  • 关键一步:代入特征多项式系数解不等式组
  • 中间结果:特征多项式为二阶且系数含 e 的负指数
  • 中间结果:三组条件分别对应两端函数值与常数项界限
  • 卡点:判据是特征根模小于一,不能按实部小于零判断
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
  • 本卷考过用朱利判据判断闭环离散系统的稳定性
  • 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

五五、状态空间传递函数矩阵与李雅普诺夫证明15 分#

思路
  • 对状态方程与输出方程取拉氏变换消去状态向量,证明传递函数矩阵公式;取直接传递项为零写出分子分母多项式;再由给定李雅普诺夫方程取二次型函数证明渐近稳定。
本卷考法
  • 证明状态空间实现的传递函数矩阵公式
本卷实例
  • 关键一步:对状态方程取拉氏变换解出状态向量的拉氏变换
  • 关键一步:回代输出方程整理成传递函数矩阵乘输入
  • 中间结果:传递函数矩阵为 C 乘 sI 减 A 的逆再乘 B 加 D
  • 中间结果:分母为状态矩阵的特征多项式
  • 卡点:须利用状态矩阵行列式不为零说明逆矩阵存在
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
  • 本卷考过证明状态空间实现的传递函数矩阵公式
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫方程证明平衡状态的渐近稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取二次型函数沿系统轨迹求导
  • 关键一步:由给定矩阵方程把导数化为负定二次型
  • 中间结果:导数等于负的给定正数与状态二次型之积
  • 中间结果:矩阵正定保证所选函数正定
  • 卡点:须说明所选函数正定与导数负定的各自依据
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
  • 本卷考过用李雅普诺夫方程证明平衡状态的渐近稳定性
  • 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

六六、状态反馈极点配置与状态观测器设计20 分#

思路
  • 先判能控性,由期望闭环极点用系数比较法求状态反馈增益;再判能观性,用对偶方法由期望观测器极点求观测器增益;写出观测器与状态反馈组合的闭环状态空间方程,并指出完全能控能观前提的工程局限与解决办法。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 说明基于期望闭环极点的状态反馈配置步骤
本卷实例
  • 关键一步:先判系统能控性再进行极点配置
  • 关键一步:由期望极点写期望特征多项式并与闭环特征多项式比较系数
  • 中间结果:低阶系统用系数比较,高阶系统用专门算法
  • 中间结果:不能控时只能配置能控部分的极点
  • 卡点:须先验证能控性再谈任意配置
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
  • 本卷考过说明基于期望闭环极点的状态反馈配置步骤
  • 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
  • 说明观测器设计步骤并写组合闭环状态空间方程
本卷实例
  • 关键一步:先判系统能观性再配置观测器极点
  • 关键一步:观测器配置与状态反馈配置成对偶关系
  • 中间结果:观测器误差动态由 A 减观测器增益乘 C 的特征值决定
  • 中间结果:组合系统状态方程含状态与观测误差两部分动态
  • 卡点:观测器增益阵与状态反馈增益阵形式易混
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
  • 本卷考过说明观测器设计步骤并写组合闭环状态空间方程
  • 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
  • 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
  • 说明完全能控与完全能观是该方法的前提
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控性矩阵与能观性矩阵并判秩
  • 关键一步:不可控或不可观时按结构分解处理
  • 中间结果:工程中少有同时完全能控能观的系统
  • 中间结果:按卡尔曼分解对可控可观部分分别设计
  • 卡点:能控性判据与能观性判据的矩阵构造易混
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
  • 本卷考过说明完全能控与完全能观是该方法的前提
  • 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

七七、非线性系统平衡点与李雅普诺夫稳定性15 分#

思路
  • 由微分方程令导数为零求平衡状态,用雅可比矩阵线性化判断能否用李一法;再取给定李氏函数沿轨迹求导,由导数半负定与不变集判断渐近稳定;最后阐述李雅普诺夫方法的思路。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李一法线性化与李二法分析非线性系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令两个导数为零求唯一平衡状态
  • 关键一步:在平衡状态处求雅可比矩阵并求特征值
  • 中间结果:雅可比矩阵特征值为一对纯虚根
  • 中间结果:特征值在虚轴上故李一法无法判定
  • 卡点:线性化后出现虚轴特征值属临界情形,不能下结论
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
  • 本卷考过用李一法线性化与李二法分析非线性系统稳定性
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 用李雅普诺夫第二法判断非线性系统渐近稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取给定二次型函数沿系统轨迹求导
  • 关键一步:导数半负定时再排除非零不变集
  • 中间结果:导数化简为负的二次项乘积形式
  • 中间结果:非零不变集经检验均为可转移点
  • 卡点:导数半负定不直接等于渐近稳定,需排除不变集
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过用李雅普诺夫第二法判断非线性系统渐近稳定性
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振