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内蒙古大学 867 自动控制原理 2023 年真题思维导图

211 院校共 8 题合计 150 分

难度:较难 8 题 150 分:有源网络、结构图极点配置与前馈、根轨迹与阻尼分析、奈氏判据、串联滞后超前校正、状态空间建模与解、全维观测器、李雅普诺夫

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1有源网络的传递函数15 分#

思路
  • 有源网络(含运放与 RC 元件):用复阻抗法与虚短虚断求系统传递函数 G(s)
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 用虚短虚断与复阻抗法求有源网络的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用虚短虚断判断运放两输入端的电位与电流关系
  • 中间结果:把电容写成 1 除以 sC 后用分压与并联关系列式
  • 卡点:网络结构以图给出,运放接法与反馈元件需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用虚短虚断与复阻抗法求有源网络的传递函数
  • 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
  • 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
  • 由有源网络求输出对输入的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先写出各节点电流方程再消去中间变量
  • 中间结果:结果含负号,对应反相输入的相位关系
  • 卡点:分子分母都含 s 的一次项,不能把常数项丢掉
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
  • 本卷考过由有源网络求输出对输入的传递函数
  • 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
  • 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

2结构图极点配置与前馈设计20 分#

思路
  • 已知系统结构图:由期望闭环极点求 K1、K2,再设计前馈 G(s) 使单位阶跃输入下稳态误差为零
本卷考法
  • 用局部反馈与复合控制实现极点配置与不变性
本卷实例
  • 关键一步:写出含增益 K1、K2 的闭环特征方程
  • 中间结果:前馈加入不改变闭环稳定性,只影响误差
  • 卡点:结构图以图给出,K1、K2 的接入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
  • 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
  • 本卷考过用局部反馈与复合控制实现极点配置与不变性
  • 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
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
  • 把闭环特征方程与期望极点展开式比较系数
本卷实例
  • 关键一步:由期望共轭极点展开成二阶特征多项式
  • 中间结果:与含增益的特征多项式逐项比较解出增益
  • 卡点:期望极点的实部与虚部符号易在展开时写错
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
  • 本卷考过把闭环特征方程与期望极点展开式比较系数
  • 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
  • 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
  • 设计前馈补偿器使单位阶跃下稳态误差为零
本卷实例
  • 关键一步:令闭环误差传递函数的分子在 s 等于零处为零
  • 中间结果:由此反解前馈通道传函的形式
  • 卡点:前馈不影响稳定性,但设计后仍要复核闭环稳定
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使单位阶跃下稳态误差为零
  • 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根轨迹绘制与阻尼特性分析20 分#

思路
  • 给定控制系统结构图:画根轨迹并分析增益取值对系统阻尼特性(欠阻尼、过阻尼)的影响
本卷考法
  • 按绘制法则画出系统的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴轨迹段与渐近线,再定轨迹走向
  • 中间结果:由开环零极点分布画出根轨迹草图
  • 卡点:结构图以图给出,开环零极点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按绘制法则画出系统的根轨迹
  • 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
  • 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
  • 求根轨迹的分离点并求对应的临界增益
本卷实例
  • 关键一步:由分离点条件解出分离点坐标
  • 中间结果:把分离点代入幅值条件得临界增益
  • 卡点:分离点方程可能有多解,要按在轨迹上取舍
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并求对应的临界增益
  • 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
  • 由增益取值判断系统的阻尼特性
本卷实例
  • 关键一步:由闭环极点实部与虚部判断欠阻尼或过阻尼
  • 中间结果:两个分离点把增益分成三段阻尼状态
  • 卡点:临界阻尼对应分离点处的增益,要单独说明
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
  • 本卷考过由增益取值判断系统的阻尼特性
  • 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

4开环幅相曲线与奈氏判据20 分#

思路
  • G(s)=10(s²-2s+5)/[(s+3)(s+0.5)]:画开环幅相特性曲线并用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
本卷考法
  • 写出开环幅相特性并求其与实轴的交点
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω 代入并令虚部为零求穿越频率
  • 中间结果:再由实部表达式读出该频率处的实部值
  • 卡点:传递函数含右半平面零点,幅相曲线走向易判反
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
  • 本卷考过写出开环幅相特性并求其与实轴的交点
  • 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
  • 判断系统是否最小相位并说明对相位的影响
本卷实例
  • 关键一步:判断分子二次式是否有右半平面零点
  • 中间结果:有右半平面零点时相位滞后更大
  • 卡点:不能只看幅频特性就断定系统类型
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过判断系统是否最小相位并说明对相位的影响
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据判断闭环系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:数开环右半平面极点数并看曲线包围临界点情况
  • 中间结果:由闭环右半平面极点数公式判断稳定性
  • 卡点:穿越次数要区分正穿越与负穿越
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
  • 本卷考过用奈奎斯特判据判断闭环系统稳定性
  • 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

5串联校正与相角裕量25 分#

思路
  • 单位负反馈 G(s)=2000/[s(s+2)(s+20)] 加串联校正后开环对数幅频渐近线:写校正装置、判类型、画渐近线、算相角裕量
本卷考法
  • 由校正后的对数幅频渐近线写出开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由各段斜率变化定出校正后传函的转折频率
  • 中间结果:由低频段高度或截止频率条件求开环增益
  • 卡点:校正后渐近线以图给出,转折频率需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由校正后的对数幅频渐近线写出开环传递函数
  • 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
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正前后传函之比求校正装置并判断校正类型
本卷实例
  • 关键一步:用校正后传函除以原系统传函得到校正装置
  • 中间结果:分子分母各含两个一阶因子,属滞后超前校正
  • 卡点:两个转折频率的大小关系决定校正性质
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 兼顾稳态精度与动态性能,适合指标要求较高的场合
  • 低频段用滞后部分提高增益,中高频段用超前部分提高裕度
  • 设计时先确定超前部分,再确定滞后部分
步骤
  • 按稳态精度要求确定开环增益
  • 选择新的截止频率并计算超前部分参数
  • 计算为把低频增益抬到要求值所需的滞后部分参数
  • 合并写出校正装置并校验
通用考法
  • 本卷考过由校正前后传函之比求校正装置并判断校正类型
  • 设计滞后-超前校正装置
  • 说明为何单一校正无法满足指标
  • 分析校正后系统的低频与高频特性
常见易错
  • 先设计滞后部分导致截止频率反复调整
  • 两部分的转折频率分布重叠,互相削弱
公式
本卷考法
  • 画出校正装置的对数幅频渐近线并标转折频率与斜率
本卷实例
  • 关键一步:分段按各一阶因子的转折频率改变斜率
  • 中间结果:高频段渐近线纵坐标由各段斜率累计得到
  • 卡点:标注斜率时要逐段累加而不是替换
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过画出校正装置的对数幅频渐近线并标转折频率与斜率
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 计算校正后系统的相角裕量
本卷实例
  • 关键一步:取校正后截止频率代入相频特性求相角裕度
  • 中间结果:相角为各串联环节相角之和
  • 卡点:截止频率应取校正后渐近线的穿越频率
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
  • 本卷考过计算校正后系统的相角裕量
  • 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状态空间表达式与状态方程的解20 分#

思路
  • y 二阶导加 (a+b)y 一阶导加 aby 等于 u 一阶导加 cu:求状态空间表达式、画状态变量图、求阶跃输入下状态方程的解
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由微分方程列写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:选取输出及其各阶导数为状态变量
  • 中间结果:整理成矩阵形式并写全各系数阵
  • 卡点:输入含导数项,输出方程会带直接传递项
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
  • 本卷考过由微分方程列写状态空间表达式
  • 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
本卷考法
  • 把微分方程化为传递函数后写能控标准型
本卷实例
  • 关键一步:分母系数按友矩阵末行填入系统矩阵
  • 中间结果:输出矩阵由分子系数给出
  • 卡点:特征方程系数要与传函分母多项式对应
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
  • 本卷考过把微分方程化为传递函数后写能控标准型
  • 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
  • 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
  • 求单位阶跃输入下状态方程的解
本卷实例
  • 关键一步:用矩阵指数与卷积积分写出非齐次解
  • 中间结果:先化成对角标准型后矩阵指数易于计算
  • 卡点:对角化前要确认两个特征值互异
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下状态方程的解
  • 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

7全维状态观测器设计15 分#

思路
  • 给定二阶状态空间表达式:设计全维状态观测器,使观测器闭环极点为负二与负四
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 设计观测器前先判断系统的能观性
本卷实例
  • 关键一步:构造能观性判别矩阵并求其秩
  • 中间结果:秩等于系统阶数时才能任意配置观测器极点
  • 卡点:不能只凭系统形式就跳过秩的计算
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
  • 本卷考过设计观测器前先判断系统的能观性
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 由期望观测器极点求观测器增益阵
本卷实例
  • 关键一步:写出含观测器增益的观测器特征多项式
  • 中间结果:与期望极点展开式比较同次幂系数求增益阵
  • 卡点:观测器特征多项式由系统矩阵减增益乘以输出矩阵得到
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
  • 本卷考过由期望观测器极点求观测器增益阵
  • 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

8李雅普诺夫函数与稳定性判别15 分#

思路
  • 含参数 α 的二阶状态方程:求李雅普诺夫函数 V(x),并按 α 的不同取值判别系统稳定性
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 构造李雅普诺夫函数并按参数取值讨论稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取二次型李雅普诺夫函数并沿状态方程求其导数
  • 中间结果:导数化为含参数 α 的四次型,符号由 α 决定
  • 卡点:α 等于零时导数恒为零,属李雅普诺夫意义下的稳定
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
  • 本卷考过构造李雅普诺夫函数并按参数取值讨论稳定性
  • 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