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山东大学 847 自动控制理论(含现控) 2021 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等偏难 十道大题覆盖结构图化简、二阶指标与稳态误差、根轨迹、频域判稳、超前校正、描述函数自振、离散误差与稳定、状态方程解、状态反馈、李雅普诺夫;对象多以图给出,计算量中等

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1一、梅逊公式求传递函数#

思路
  • 由含互不接触回路的结构图用梅逊公式求 C(s)/R(s)
本卷考法
  • 由结构图用梅逊公式求传递函数
  • 说明回路、前向通路与余子式的取法
本卷实例
  • 关键一步:先枚举结构图中全部回路,再挑出互不接触的回路组合
  • 关键一步:由输入到输出列出前向通路,逐步写出各余子式
  • 中间结果:特征式同时含单回路项与互不接触回路的乘积项
  • 卡点:回路接法只画在题图里,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
  • 本卷考过由结构图用梅逊公式求传递函数
  • 本卷考过说明回路、前向通路与余子式的取法
  • 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
  • 本卷考过互不接触回路漏乘或重复计入特征式
  • 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、二阶系统响应反求与动态指标#

思路
  • 由 G1 的阶跃响应求其传函,再求闭环稳态输出、峰值时间、超调量与稳态误差
本卷考法
  • 由一阶环节的单位阶跃响应反求其传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把给定阶跃响应与一阶环节标准响应比对,反推时间常数
  • 关键一步:由响应曲线识别环节结构再写传函
  • 中间结果:响应中分离出稳态分量后即可定出增益
  • 卡点:响应表达式由题面直接给出,核对指数系数即可
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由一阶环节的单位阶跃响应反求其传递函数
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 本卷考过把稳态值直接当增益而漏掉输入幅值
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
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
  • 由闭环传递函数求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征式与二阶标准式逐项比较系数
  • 中间结果:自然频率由常数项开方得到,阻尼比由一次项系数反解
  • 卡点:闭环化成标准式时忘记把二次项系数归一化
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
  • 本卷考过由闭环传递函数求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过漏看反馈支路对一次项系数的影响
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 求峰值时间、超调量与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比与自然频率分别代入峰值时间与超调量公式
  • 中间结果:各动态指标都只依赖阻尼比和自然频率这两个量
  • 卡点:峰值时间与上升时间混用,或超调量漏乘百分号
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
  • 本卷考过求峰值时间、超调量与稳态误差
  • 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
  • 本卷考过两种误差带的调节时间系数搞混
  • 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
  • 求给定输入下的稳态输出与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判闭环稳定,再用终值定理或静态误差系数求稳态量
  • 中间结果:非单位反馈时要先写误差定义再套系数公式
  • 卡点:未判稳就直接使用终值定理
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
  • 本卷考过求给定输入下的稳态输出与稳态误差
  • 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
  • 本卷考过把闭环传函当开环传函使用
  • 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

3三、根轨迹绘制与幅值条件求增益#

思路
  • 对开环含二重原点极点的系统画根轨迹,由指定闭环极点用幅值条件求增益,再写出闭环零极点
本卷考法
  • 按法则绘制以根轨迹增益为参变量的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标出全部开环零极点,按实轴段判据圈定根轨迹区间
  • 关键一步:再算渐近线、分离点与虚轴交点
  • 中间结果:分支数与渐近线条数由开环极点数减零点数决定
  • 卡点:渐近线夹角公式中的2k+1不要写成2k
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以根轨迹增益为参变量的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据里的零极点个数算错
  • 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
  • 求根轨迹的分离点坐标
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程整理成关于根轨迹增益的显式表达式
  • 关键一步:再对s求导并令导数为零求分离点
  • 中间结果:分离点方程的解需挑选落在根轨迹实轴段上的根
  • 卡点:求出的根不筛选就直接采用
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坐标
  • 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
  • 本卷考过未化成增益的显式表达式就求导
  • 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
  • 由指定闭环极点用幅值条件求增益
  • 写出该增益下的闭环零点与极点
本卷实例
  • 关键一步:指定闭环极点已知时,用幅值条件算各零极点矢量模长的乘积比
  • 关键一步:再分解特征方程写出全部闭环极点
  • 中间结果:闭环零点等于前向通路的零点集合
  • 卡点:幅值条件只用来定增益,点是否在轨迹上靠相角条件
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
  • 本卷考过由指定闭环极点用幅值条件求增益
  • 本卷考过写出该增益下的闭环零点与极点
  • 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
  • 本卷考过把两个条件的作用搞反
  • 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

4四、渐近幅频特性与奈奎斯特判稳#

思路
  • 对含二重积分环节的四阶开环画渐近幅频特性,用奈奎斯特判据求使闭环稳定的增益范围
本卷考法
  • 绘制开环对数渐近幅频特性曲线
本卷实例
  • 关键一步:由积分环节个数定低频段斜率与起始高度
  • 关键一步:再按各转折频率从小到大逐段增减斜率
  • 中间结果:每经过一个转折频率都在原斜率上叠加加或减二十
  • 卡点:逐段改斜率应累加,不要每段重新起算
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
  • 本卷考过绘制开环对数渐近幅频特性曲线
  • 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
  • 本卷考过低频段起始高度忘记乘型别带来的下降
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环幅相曲线和右半平面极点数确定稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再令虚部为零求曲线与负实轴的交点
  • 关键一步:最后由交点坐标配合包围条件解出稳定增益区间
  • 中间结果:曲线穿过负实轴的位置随开环增益成比例移动
  • 卡点:含积分环节时奈氏曲线要补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过由开环幅相曲线和右半平面极点数确定稳定增益范围
  • 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
  • 本卷考过包围圈数正负号定义搞反
  • 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、串联超前校正设计与影响分析#

思路
  • 先由稳态误差要求定增益,再按给定截止频率设计串联超前校正,并定性分析其作用
本卷考法
  • 由稳态误差要求反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:按系统型别写出稳态误差与开环增益的解析关系
  • 关键一步:由误差上限取等号解出所需开环增益
  • 中间结果:一型系统斜坡误差等于输入斜率除以速度误差系数
  • 卡点:取极限前要先确认闭环稳定
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
  • 本卷考过由稳态误差要求反求开环增益
  • 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
  • 本卷考过把开环增益与速度误差系数当成同一个量
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按给定截止频率设计串联超前校正装置
  • 分析超前校正对稳定性和响应速度的影响
本卷实例
  • 关键一步:由幅值条件在要求的截止频率处定出超前网络的时间常数
  • 关键一步:再用最大超前角公式定出两时间常数之比
  • 中间结果:校正后高频段斜率应回到未校正时的水平
  • 卡点:未校正系统结构只画在题图里,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按给定截止频率设计串联超前校正装置
  • 本卷考过分析超前校正对稳定性和响应速度的影响
  • 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
  • 本卷考过漏掉校验校正后相角裕度这一步
  • 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

6六、描述函数法判断自振#

思路
  • 非线性环节的负倒描述函数为过原点直线,与线性部分奈氏曲线比较判断是否存在稳定自振并求参数
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出给定非线性环节的描述函数与负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:把题给非线性特性代入描述函数定义式,求一次谐波幅值
  • 关键一步:再取负倒数得到负倒描述函数
  • 中间结果:指数型描述对应的负倒特性是复平面上过原点的直线
  • 卡点:画的是负倒描述函数,不是描述函数本身
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
  • 本卷考过写出给定非线性环节的描述函数与负倒描述函数
  • 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
  • 由负倒描述函数与奈氏曲线的交点求自振频率与振幅
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分幅相函数等于负倒描述函数,按模长与相角分别列方程
  • 关键一步:再由交点处振幅增大方向判断自振是否稳定
  • 中间结果:相角条件先定交点频率,模长条件随后定出振幅
  • 卡点:线性部分传函系数以宝典与答案段为准,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
  • 本卷考过由负倒描述函数与奈氏曲线的交点求自振频率与振幅
  • 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
  • 本卷考过未标振幅增大方向就断言自振稳定
  • 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

7七、采样系统稳态误差与稳定域#

思路
  • 由斜坡输入稳态误差定开环增益,再用朱莉判据或双线性变换求使系统稳定的采样周期范围
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散系统稳态误差要求反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:先写开环脉冲传函并数清z等于一的极点重数
  • 关键一步:再由速度误差系数与斜坡误差关系解出开环增益
  • 中间结果:含零阶保持器的脉冲传函分母会出现z与z减指数项
  • 卡点:离散稳态误差要由脉冲传函求,不能套s域系数公式
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
  • 本卷考过由离散系统稳态误差要求反求开环增益
  • 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
  • 本卷考过未判稳就用终值定理
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 求使离散系统稳定的采样周期范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征多项式后按稳定判据列不等式
  • 关键一步:也可先用双线性变换把特征式变到w域再列劳斯表
  • 中间结果:稳定条件最终化成对指数项与采样周期的约束
  • 卡点:稳定条件是特征根模小于一,不是实部小于零
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
  • 本卷考过求使离散系统稳定的采样周期范围
  • 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z平面与s平面稳定域记混
  • 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

8八、状态方程的零初值解#

思路
  • 给定二阶状态方程与零初值,分别求单位阶跃与单位斜坡输入下的状态解
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件与输入下的状态方程解
本卷实例
  • 关键一步:先求sI减A的逆矩阵,再逐项取拉氏反变换得到状态转移矩阵
  • 关键一步:然后用卷积积分把输入项叠加到零输入解上
  • 中间结果:零初值时状态解只剩输入引起的卷积积分项
  • 卡点:阶跃与斜坡的卷积积分形式不同,代入时要区分
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
  • 本卷考过求给定初始条件与输入下的状态方程解
  • 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
  • 本卷考过把状态转移矩阵零时刻的值记成零矩阵
  • 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

9九、状态反馈系统的增益确定#

思路
  • 对含参考输入与状态反馈的系统,由稳态误差要求确定前向增益与反馈增益,再讨论输出无误差条件
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由闭环稳态误差要求确定状态反馈增益
本卷实例
  • 关键一步:先写含反馈增益的闭环状态矩阵与特征多项式
  • 关键一步:再由闭环稳态误差要求列出关于增益的方程
  • 中间结果:闭环特征多项式系数与反馈增益对应,可比较系数求解
  • 卡点:反馈接法与参考输入作用点只画在图里,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
  • 本卷考过由闭环稳态误差要求确定状态反馈增益
  • 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
  • 本卷考过未验证能控性就直接配置极点
  • 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
  • 求状态反馈系统在给定输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判闭环稳定性,再对误差传函应用终值定理
  • 中间结果:稳态误差与开环增益成反比,增益越大误差越小
  • 卡点:误差定义与反馈点位置有关,不能照搬单位反馈公式
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
  • 本卷考过求状态反馈系统在给定输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过把给定输入与扰动输入的误差通道混用
  • 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

10十、李雅普诺夫法判断非线性系统稳定性#

思路
  • 对给定二阶非线性方程选二次型李雅普诺夫函数,判断平衡状态的稳定性
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判断平衡状态的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先把非线性方程写成状态方程并求出平衡点
  • 关键一步:再取正定二次型函数,验证其沿轨线的导数负定
  • 中间结果:导数表达式含参数相关平方项时按参数符号分类讨论
  • 卡点:只验证函数正定还不够,必须检查其导数
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判断平衡状态的稳定性
  • 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
  • 本卷考过李雅普诺夫方程中两个矩阵的角色混用
  • 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
  • 说明非线性系统稳定性的判定思路
本卷实例
  • 关键一步:平衡点不唯一时逐个讨论其小邻域内的稳定性
  • 中间结果:同一非线性系统在不同平衡点可有不同稳定性
  • 卡点:把线性化结论无条件推广到整个状态空间
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
  • 本卷考过说明非线性系统稳定性的判定思路
  • 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
  • 本卷考过以为非线性系统一定不稳定
  • 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