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华北电力大学(北京) 841 自动控制理论(含现控) 2016 年真题思维导图

211 院校共 9 题

难度:中等 2016年卷正文一至九共9道大题,经典控制六题加现代控制三题。依次考R-C电气网络动态结构图与传递函数、参数根轨迹与衰减振荡K范围、继电非线性描述函数与自振参数反求、开环幅相曲线与奈奎斯特判据、采样系统稳定性与阶跃响应序列、由校正后Bode图反求校正装置与相角裕度、可控与可观标准型、状态响应与传递函数、全维状态观测器设计。逐年与宝典两源均未印任何分值。

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1一、R-C电气网络动态结构图与传递函数#

思路
  • 对R-C网络列基尔霍夫与电容电流方程,画出动态结构图,再用梅逊公式整理成系统传递函数。
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由R-C电气网络列写方程并画动态结构图
本卷实例
  • 关键一步:按节点列电容电流与电阻电压关系方程
  • 关键一步:由方程整理出各环节并连成结构图
  • 中间结果:回路增益含两个电容与两个电阻的组合
  • 卡点:R-C网络拓扑与元件连接需回原卷核对图
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R-C电气网络列写方程并画动态结构图
  • 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
  • 本卷考过复阻抗法把电容阻抗误写成Cs
  • 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
本卷考法
  • 用梅逊增益公式由结构图求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:列各回路增益并找出互不接触回路
  • 关键一步:按梅逊公式写前向通路与余子式
  • 中间结果:特征式含1减回路增益加不接触回路乘积
  • 卡点:分子各前向通路增益需逐条核对
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由结构图求传递函数
  • 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、参数根轨迹与衰减振荡K范围#

思路
  • 把特征方程整理成以k为变量的等效开环传函,判断根轨迹类型后由虚轴交点与分离点定衰减振荡区间。
本卷考法
  • 以k为变量作参数根轨迹并判断零度条件
本卷实例
  • 关键一步:从特征方程解出k并写成等效开环传函
  • 关键一步:由等效传函的相角条件判断是零度根轨迹
  • 中间结果:等效开环含一个极点与两个零点
  • 卡点:开环含负号时相角条件易误当180度
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k为变量作参数根轨迹并判断零度条件
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求参数根轨迹的分离点与会合点
本卷实例
  • 关键一步:用等效开环对s求导或列分离点方程
  • 中间结果:分离点须落在实轴根轨迹段内
  • 卡点:多个根中只取满足相角条件的一个
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
  • 本卷考过求参数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
  • 本卷考过求出方程根后不筛选、保留不在根轨迹上的解
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界k
本卷实例
  • 关键一步:把s=jω代入特征方程并分离实虚部
  • 中间结果:联立实虚部方程解出ω与临界k
  • 卡点:衰减振荡区间由两个临界k夹出
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及临界k
  • 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ω就下结论、漏掉另一组交点
  • 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

3三、继电非线性描述函数与自振参数#

思路
  • 先求继电非线性的描述函数,再由自振条件联立线性部分相频与幅频反求时间常数和幅值参数。
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
本卷实例
  • 关键一步:按傅里叶基波系数积分求输出基波幅值
  • 中间结果:描述函数为输出基波幅值除以输入幅值A
  • 卡点:非线性结构图需回原卷核对图
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
  • 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
  • 本卷考过忽略一次谐波近似带来的适用条件
  • 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
  • 由自振条件反求线性部分参数
本卷实例
  • 关键一步:自振时令G(jω)与-1/N(A)相等
  • 关键一步:按相角条件先定ω再代幅值条件
  • 中间结果:相频等于-180度给出自振频率
  • 卡点:结构图与参数符号需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由自振条件反求线性部分参数
  • 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
  • 本卷考过画的是描述函数N(A)而不是负倒描述函数
  • 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

4四、开环幅相曲线与奈奎斯特判据#

思路
  • 求开环幅频相频表达式与渐近线,画奈氏曲线后用Z=P-2N判断闭环稳定性。
本卷考法
  • 求开环传函的幅频相频表达式与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:令s=jω代入并分离实部与虚部
  • 中间结果:给出ω→0+、转折频率与∞处的趋势
  • 卡点:振荡环节在转折频率处相角跳变180度
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
  • 本卷考过求开环传函的幅频相频表达式与渐近线
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉积分环节的-90度
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由幅相曲线判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先定P,再数曲线包围(-1,j0)的圈数N
  • 中间结果:Z=P-2N不为零说明闭环不稳定
  • 卡点:虚轴极点补画的无穷大圆弧方向易取反
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
  • 本卷考过由幅相曲线判断闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数P
  • 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

5五、采样系统稳定性与阶跃响应序列#

思路
  • 求含零阶保持器的开环脉冲传函,用朱莉判据定稳定k范围,再长除求阶跃响应前几项。
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:按部分分式分解各连续部分后分别z变换
  • 关键一步:组合成开环脉冲传函再列闭环特征方程
  • 中间结果:特征方程为z的二次式、系数含k
  • 卡点:采样开关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
  • 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
  • 本卷考过忘记把零阶保持器计入脉冲传函
  • 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
  • 由朱莉判据或w变换求稳定k范围
本卷实例
  • 关键一步:用D(1)>0、D(-1)>0与常数项判据联立
  • 中间结果:稳定区间由两个不等式取交集
  • 卡点:朱莉判据几个条件缺一不可
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
  • 本卷考过由朱莉判据或w变换求稳定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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环脉冲传函长除求响应序列
本卷实例
  • 关键一步:把C(z)写成z的负幂级数再逐项取系数
  • 中间结果:响应序列为各采样时刻的脉冲加权
  • 卡点:只取前4项、余项截断
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
  • 本卷考过由闭环脉冲传函长除求响应序列
  • 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
  • 本卷考过部分分式分解漏项导致反变换出错
  • 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

6六、由校正后Bode图反求校正装置与相角裕度#

思路
  • 由校正后对数幅频曲线定型别与转折频率反求G(s),再与G0相除得校正装置,最后算相角裕度。
本卷考法
  • 由对数幅频特性反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定型别、由转折频率定时间常数
  • 关键一步:用曲线上已知点求开环增益
  • 中间结果:校正后传函含微分环节与三个惯性环节
  • 卡点:Bode曲线读数需回原卷核对图
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值而未折算型别
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正前后传函反求串联校正装置
本卷实例
  • 关键一步:用校正后传函除以校正前传函得校正装置
  • 中间结果:校正装置分子分母同阶、含零极点对消
  • 卡点:相消项需核对是否物理可实现
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
  • 本卷考过由校正前后传函反求串联校正装置
  • 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
  • 本卷考过把校正装置写成校正前除以校正后
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正后系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅值等于1求截止频率再代入相角
  • 中间结果:相角裕度为正说明系统稳定
  • 卡点:近似计算截止频率需核对转折位置
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
  • 本卷考过求校正后系统的相角裕度
  • 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

7七、可控标准型与可观标准型#

思路
  • 由A、B构造能控判别阵求变换阵,写出能控标准Ⅱ型,再转置对偶得能观标准Ⅰ型。
本卷考法
  • 由状态空间求能控标准型与能观标准型
本卷实例
  • 关键一步:取变换阵为能控判别阵并作相似变换
  • 关键一步:由能控标准型转置对偶得能观标准型
  • 中间结果:变换后A为友矩阵、B为单位列向量
  • 卡点:特征多项式系数抽取易错位
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
  • 本卷考过由状态空间求能控标准型与能观标准型
  • 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
  • 本卷考过友矩阵中系数符号写反
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用能控判别阵判断能否化标准型
本卷实例
  • 关键一步:构造能控判别阵并求其秩
  • 中间结果:秩等于阶数说明系统能控
  • 卡点:判别阵列顺序不可颠倒
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
  • 本卷考过用能控判别阵判断能否化标准型
  • 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^{n-2}B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

8八、状态响应与传递函数#

思路
  • 用状态转移矩阵按初值项加卷积求输出响应,再由状态空间求传递函数。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵及指数输入下的输出响应
本卷实例
  • 关键一步:先求(sI-A)逆再拉氏反变换得转移矩阵
  • 关键一步:指数输入按卷积积分代入
  • 中间结果:输出响应由初值项与输入卷积项相加
  • 卡点:初值矩阵与输入符号需核对
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及指数输入下的输出响应
  • 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
  • 本卷考过卷积积分中变量代换写错
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按C(sI-A)逆B加D计算传递函数
  • 中间结果:分子分母出现零极点对消
  • 卡点:对消后阶数可能低于系统阶数
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求传递函数
  • 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
  • 本卷考过漏掉直接传递项D
  • 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

9九、全维状态观测器设计#

思路
  • 验证能观性后设观测器增益阵L,由期望极点写特征多项式并比较系数求L,再画状态变量图。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用能观判别阵判断能否设计观测器
本卷实例
  • 关键一步:构造能观判别阵并求其秩
  • 中间结果:秩等于阶数说明系统能观
  • 卡点:判别阵行向量顺序不可颠倒
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
  • 本卷考过用能观判别阵判断能否设计观测器
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计全维状态观测器并配置观测器极点
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写期望特征式并与观测器特征式比系数
  • 关键一步:按观测器方程画状态变量图
  • 中间结果:L的元素由特征多项式系数差定出
  • 卡点:状态变量图接线需回原卷核对图
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
  • 本卷考过设计全维状态观测器并配置观测器极点
  • 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了状态反馈增益阵的形式
  • 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