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太原理工大学 830 自动控制原理(含现控) 2018 年真题思维导图

211 院校共 7 题合计 150 分

难度:中等 卷面印 1~6 题各 20 分、第 7 题 30 分,合计 150。自控部分:信号流图多输入增益、扰动与斜坡双误差下的控制器选择、由闭环反求开环并算稳定裕度、含参数根轨迹绘制与圆形证明、零阶保持器采样系统;现控部分:由状态转移矩阵求 A、状态反馈改造传递函数。题面含多幅插图。

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1一、信号流图与梅逊公式求多输入增益20 分#

思路
  • 由结构图画信号流图,找全独立回路与前向通路,R 与 R1 非源节点时先求中间传函再相乘。
本卷考法
  • 对含多个输入的信号流图用梅逊公式求 Y/R 与 Y1/R1
本卷实例
  • 关键一步:先找全部独立回路并判断哪两组互不接触
  • 中间结果:四组独立回路增益中有一组为三环节乘积
  • 卡点:题1图为原卷插图,回路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
  • 本卷考过对含多个输入的信号流图用梅逊公式求 Y/R 与 Y1/R1
  • 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
  • 多输入同时作用时分别求各自的传递通道
本卷实例
  • 关键一步:把 Y/R1 与 Y1/Y 分别求出后再相乘
  • 中间结果:R 与 R1 都不是源节点,不能直接套梅逊公式
  • 卡点:令某一输入为零时误把其支路一并删掉
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
  • 本卷考过多输入同时作用时分别求各自的传递通道
  • 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

2二、扰动与斜坡误差下的控制器择优20 分#

思路
  • 分别写扰动误差与斜坡误差传函,先由阶跃扰动零误差定需含积分环节,再用劳斯判据与误差要求筛选控制器。
本卷考法
  • 由扰动传函求阶跃扰动下的稳态误差并要求为零
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,单独写扰动到误差的传函
  • 中间结果:阶跃扰动下误差为零要求前向通道含积分环节
  • 卡点:求扰动传函时没有把参考输入置零
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
  • 本卷考过由扰动传函求阶跃扰动下的稳态误差并要求为零
  • 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
本卷考法
  • 由斜坡输入下的误差上限反求开环增益下界
本卷实例
  • 关键一步:用速度误差系数把误差不等式化为增益不等式
  • 中间结果:斜坡误差与开环增益成反比,增益越大误差越小
  • 卡点:未判稳就用终值定理求稳态误差
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
  • 本卷考过由斜坡输入下的误差上限反求开环增益下界
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据检验所选控制器下的闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并令首列元素同号得到增益区间
  • 中间结果:含一个积分的控制器稳定区间与误差要求可能冲突
  • 卡点:只算误差不验稳定会选到不稳定方案
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检验所选控制器下的闭环稳定性
  • 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
本卷考法
  • 在三种给定控制器结构中择优满足双重误差要求
本卷实例
  • 关键一步:比较三种结构的型别与积分环节数排除不满足项
  • 中间结果:常数增益控制器无法消除阶跃扰动误差
  • 卡点:只满足误差要求而忽略稳定裕度
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
  • 本卷考过在三种给定控制器结构中择优满足双重误差要求
  • 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、由闭环传函反求开环与稳定裕度20 分#

思路
  • 由单位反馈关系反求开环,按幅值条件与相角条件分别求截止频率与穿越频率,再由裕量要求反解增益。
本卷考法
  • 由闭环传函用开环闭环关系反求开环传函
本卷实例
  • 关键一步:把闭环写成 G/(1+G) 后解出开环表达式
  • 中间结果:闭环分母减 1 得到开环的分母结构
  • 卡点:负反馈分母写成 1 减 G 会得到错误开环
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过由闭环传函用开环闭环关系反求开环传函
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
公式
本卷考法
  • 把开环传函代 s 等于 jω 求幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:分子分母分别取模相乘相除,各环节相角相加
  • 中间结果:幅频分母含 ω 与两个一阶环节模的乘积
  • 卡点:相角累加时漏掉积分环节的负 90 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
  • 本卷考过把开环传函代 s 等于 jω 求幅频与相频表达式
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由截止频率与穿越频率计算相角裕量和幅值裕量
本卷实例
  • 关键一步:先令幅值等于 1 求截止频率再代回相角
  • 中间结果:相角裕量等于相角加 180 度,幅值裕量取倒数再取分贝
  • 卡点:把截止频率与穿越频率两个频率用反
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
  • 本卷考过由截止频率与穿越频率计算相角裕量和幅值裕量
  • 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

4四、闭环传函的参数根轨迹与圆形证明20 分#

思路
  • 把特征方程整理成含 k 的根轨迹形式,按法则求极点零点、分离点与渐近线,再证轨迹满足圆方程。
本卷考法
  • 把闭环特征方程整理成 1 加 k 倍开环等于零的形式
本卷实例
  • 关键一步:把含 k 的项整体提到分子得到等效开环传函
  • 中间结果:等效开环的极点零点由原闭环参数 a、b 决定
  • 卡点:参数没有完整提到分子就套根轨迹法则
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹是开环某一参数由 0 变到无穷时闭环极点在 s 平面上的移动轨迹
  • 同时满足相角条件与幅值条件的 s 才是根轨迹上的点
  • 相角条件决定根轨迹的形状,幅值条件决定对应的参数值
  • 常规根轨迹以开环增益 K 为可变参数
步骤
  • 写出以 K 为参变量的闭环特征方程
  • 整理成 1+KG₀(s)=0 的标准形式
  • 用相角条件判断某点是否在根轨迹上
通用考法
  • 本卷考过把闭环特征方程整理成 1 加 k 倍开环等于零的形式
  • 判断给定点是否在根轨迹上
  • 由幅值条件求该点对应的 K
  • 说明相角条件与幅值条件各自的作用
常见易错
  • 把相角条件的 180° 写成 0°(正反馈时才用 0°)
  • 用幅值条件判点,搞混两个条件的用途
公式
本卷考法
  • 按法则绘制参数根轨迹并证明 a 大于 b 时轨迹为圆
本卷实例
  • 关键一步:数实轴段右侧开环零极点个数判断实轴轨迹
  • 中间结果:代入 s 等于负 m 加 jn 后整理出圆方程
  • 卡点:渐近线公式在没有渐近线时仍强行套用
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
  • 本卷考过按法则绘制参数根轨迹并证明 a 大于 b 时轨迹为圆
  • 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
  • 由分离点方程分 a 与 b 大小关系讨论分离点
本卷实例
  • 关键一步:令等效开环传函对 s 求导为零得到分离点方程
  • 中间结果:分离点坐标含根号 a 方减 ab,需分类讨论
  • 卡点:把不在根轨迹上的根也当作分离点
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
  • 本卷考过由分离点方程分 a 与 b 大小关系讨论分离点
  • 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
  • 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

5五、零阶保持器采样系统的脉冲传函与稳定条件20 分#

思路
  • 由连续部分加零阶保持器求开环脉冲传函,写闭环特征方程判稳,再由阶跃误差条件反解 K。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由带零阶保持器的连续传函求闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先把连续传函做部分分式再逐项查 z 变换表
  • 中间结果:零阶保持器使开环脉冲传函多一个 z 减 1 因子
  • 卡点:把两个无采样开关隔开的连续环节直接相乘
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
  • 本卷考过由带零阶保持器的连续传函求闭环脉冲传函
  • 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
  • 由闭环特征方程在 z 平面判稳并求 K 与 T 的关系
本卷实例
  • 关键一步:令特征根模小于 1 得到参数不等式
  • 中间结果:稳定条件表现为 K 与指数 e 的负 2T 的函数
  • 卡点:稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
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
  • 本卷考过由闭环特征方程在 z 平面判稳并求 K 与 T 的关系
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 由单位阶跃稳态误差要求反求增益 K
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理把阶跃误差写成 1 除以 1 加开环在 z 等于 1
  • 中间结果:稳态误差要求化为 K 的等式
  • 卡点:未判稳就使用终值定理
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过由单位阶跃稳态误差要求反求增益 K
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
公式

6六、由状态转移矩阵求系统矩阵与李雅普诺夫判稳20 分#

思路
  • 对状态转移矩阵求导取 t 为零得 A 并求特征值,再取二次型候选函数解李雅普诺夫方程判稳。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由已知状态转移矩阵求系统矩阵 A
本卷实例
  • 关键一步:对转移矩阵逐元素求导并令 t 等于零
  • 中间结果:求导代入 t 等于零后得到二阶常数矩阵 A
  • 卡点:把转移矩阵本身当作系统矩阵 A
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
  • 本卷考过由已知状态转移矩阵求系统矩阵 A
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统矩阵写特征方程并求特征值
本卷实例
  • 关键一步:由 λI 减 A 的行列式为零展开特征方程
  • 中间结果:特征值为一对实部为负的共轭复根
  • 卡点:行列式展开时符号写错
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
  • 本卷考过由系统矩阵写特征方程并求特征值
  • 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
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分析平衡状态稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取二次型 V 后沿状态方程求导判断符号
  • 中间结果:导数半负定且不在平衡点外恒为零
  • 卡点:只判 V 正定不检查 V 导数的符号
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分析平衡状态稳定性
  • 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

7七、状态反馈改造系统传递函数30 分#

思路
  • 先写能控标准型实现,判能控后设状态反馈律,由期望传函定期望极点并比较特征多项式系数求 K。
本卷考法
  • 由给定传函写能控标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:按分母系数写友矩阵、分子系数写输出矩阵
  • 中间结果:原系统特征多项式为三次且存在零极点对消
  • 卡点:对消后仍按原阶数实现
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
  • 本卷考过由给定传函写能控标准型实现
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性判据确认可否任意配置极点
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性判别矩阵并求其秩
  • 中间结果:判别矩阵满秩说明系统完全能控
  • 卡点:未验证能控就直接做极点配置
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
  • 本卷考过由能控性判据确认可否任意配置极点
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由期望传函定期望极点并比较系数求反馈阵 K
本卷实例
  • 关键一步:写出含 K 的闭环特征式再与期望式逐项比较
  • 中间结果:两个改造目标各自对应一组反馈增益
  • 卡点:期望极点取错导致比较系数的方程组无解
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
  • 本卷考过由期望传函定期望极点并比较系数求反馈阵 K
  • 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
本卷考法
  • 分析状态反馈后传函的零极点分布变化
本卷实例
  • 关键一步:由状态反馈后系统矩阵重新写传递函数
  • 中间结果:反馈通过配置极点改变闭环零极点分布
  • 卡点:只看极点配置而忽略传函分子是否改变
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
  • 本卷考过分析状态反馈后传函的零极点分布变化
  • 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