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西安交通大学 811 自动控制理论(含现控) 2022 年真题思维导图

985 院校共 8 题

难度:中等偏难 8 道大题覆盖结构图参考输入与扰动误差、劳斯判据与等幅振荡、由相频表达式反求传函与根轨迹、含右半平面极点的奈氏判据、由频域曲线辨识模型与稳定增益、由初值响应反求转移矩阵、李雅普诺夫稳定性与镇定性、对偶系统与全维状态观测器。

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1一、结构图稳态误差与前馈补偿#

思路
  • 先由结构图分别求参考输入与扰动输入到误差的传函,判断稳定性后用终值定理求阶跃稳态误差;第二问令扰动误差为零解出 τ 条件。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由结构图内环向外环化简求误差传函
本卷实例
  • 关键一步:先合并内环反馈得到等效前向通道
  • 中间结果:误差传函分母为统一闭环特征多项式
  • 卡点:结构图为原卷插图,反馈极性与输入点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
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过由结构图内环向外环化简求误差传函
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
本卷考法
  • 单位阶跃输入下用终值定理求稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再把输入变换与误差传函相乘取极限
  • 中间结果:阶跃输入下误差为误差传函的直流增益
  • 卡点:题面 H(s) 取值 OCR 有歧义,需按答案段自洽口径回原卷确认
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
  • 本卷考过单位阶跃输入下用终值定理求稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 扰动单独作用时令参考输入为零求误差
本卷实例
  • 关键一步:求扰动到误差的传函并取零频极限
  • 中间结果:令稳态误差为零可解出补偿参数条件
  • 卡点:扰动误差与输入误差传函不同,不能共用同一分子
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
  • 本卷考过扰动单独作用时令参考输入为零求误差
  • 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
本卷考法
  • 分别列写参考输入与扰动输入到误差的传函
本卷实例
  • 关键一步:对两路输入分别置零后求闭环传递关系
  • 中间结果:两路传函分母相同,分子随作用点变化
  • 卡点:叠加前需确认系统为线性系统
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
  • 本卷考过分别列写参考输入与扰动输入到误差的传函
  • 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

2二、等幅振荡瞬态分量求参数#

思路
  • 由闭环特征方程列劳斯表,等幅振荡对应首列出现零并用辅助方程给出振荡频率,再联立参数条件求出 a 与 K。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯表辅助方程确定等幅振荡时的参数关系
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列劳斯表并令首列出现零
  • 中间结果:用零元素行的辅助方程求振荡频率
  • 卡点:辅助方程仅给出频率,参数还需代回零元素条件
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
  • 本卷考过用劳斯表辅助方程确定等幅振荡时的参数关系
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由参数满足的临界条件反求 a 与 K
本卷实例
  • 关键一步:把频率条件代入辅助方程消去一个参数
  • 中间结果:参数关系化为可联立的代数方程
  • 卡点:稳定域端点与振荡点不同,不能把大于零条件误当等式
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
  • 本卷考过由参数满足的临界条件反求 a 与 K
  • 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
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
  • 由等幅振荡分量判断系统存在一对纯虚闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:等幅振荡对应阻尼比为零的一对共轭极点
  • 中间结果:振荡角频率即该对纯虚极点的虚部
  • 卡点:系统为三阶,等幅振荡只说明存在一对纯虚根,不能直接按二阶系统套公式
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
  • 本卷考过由等幅振荡分量判断系统存在一对纯虚闭环极点
  • 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

3三、由相频表达式反求传函与根轨迹#

思路
  • 由相频表达式逐项对应典型环节还原开环传函,再按零极点分布画根轨迹、求分离点,并用劳斯判据判断增益为正时是否恒稳定。
本卷考法
  • 由相频表达式反推开环传函的典型环节组成
本卷实例
  • 关键一步:把各 arctan 项与积分环节的九十度滞后对应到典型环节
  • 中间结果:分子零点项给出超前相角,分母极点项给出滞后相角
  • 卡点:最小相位条件下正切项才能唯一对应零极点位置
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
  • 本卷考过由相频表达式反推开环传函的典型环节组成
  • 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
  • 按典型环节相频叠加还原开环传函
本卷实例
  • 关键一步:逐项识别惯性、比例与积分环节
  • 中间结果:各环节时间常数由 arctan 内系数倒数确定
  • 卡点:多个环节的相角叠加,漏掉积分环节会整体差九十度
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
  • 本卷考过按典型环节相频叠加还原开环传函
  • 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
本卷考法
  • 按零极点分布绘制根轨迹并确定实轴段
本卷实例
  • 关键一步:数实轴段右侧零极点个数判断根轨迹归属
  • 中间结果:零极点个数相同则无渐近线
  • 卡点:开环零点位于左半平面时根轨迹分支走向需按区段判断
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
  • 本卷考过按零极点分布绘制根轨迹并确定实轴段
  • 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
  • 用分离点方程求根轨迹分离点并判断复数段形状
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征方程求导得到分离点方程
  • 中间结果:共轭复数根的实部与虚部关系可化为圆方程
  • 卡点:分离点求出后需按实轴区段筛选
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
  • 本卷考过用分离点方程求根轨迹分离点并判断复数段形状
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判断增益为正时闭环是否恒稳定
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列劳斯表并检查首列符号
  • 中间结果:首列各项同号说明系统在给定增益范围内稳定
  • 卡点:增益范围若含零或负值需单独讨论
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判断增益为正时闭环是否恒稳定
  • 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

4四、含右半平面极点系统的奈氏判据#

思路
  • 先数开环右半平面极点数并画奈氏曲线,再按包围临界点的圈数用判据公式判断闭环根分布,最后写出增益 K 的取值范围。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 开环含右半平面极点时用奈氏判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P
  • 中间结果:由包围圈数 N 按判据公式算闭环右半平面根数
  • 卡点:不能套用最小相位系统的包围结论
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
  • 本卷考过开环含右半平面极点时用奈氏判据判断闭环稳定性
  • 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
  • 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
  • 由右半平面极点判断系统为非最小相位系统
本卷实例
  • 关键一步:检查开环极点是否有右半平面元素
  • 中间结果:非最小相位系统的相频变化趋势与最小相位不同
  • 卡点:幅频相同不能唯一确定非最小相位系统的传函
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
  • 本卷考过由右半平面极点判断系统为非最小相位系统
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏判据结论写出增益 K 的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:把包围条件化为关于 K 的不等式
  • 中间结果:K 的符号与不等式方向由交点位置决定
  • 卡点:若判据显示恒不稳定,应明确写出无稳定 K 区间
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
  • 本卷考过由奈氏判据结论写出增益 K 的取值范围
  • 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

5五、由频域曲线反求传函与稳定增益#

思路
  • 由幅频与相频曲线联合辨识各典型环节并写出开环传函,再用奈氏判据由右半平面极点数求稳定增益范围。
本卷考法
  • 由幅频与相频曲线联合反求开环传函
本卷实例
  • 关键一步:低频段高度与斜率确定比例增益与积分环节数
  • 中间结果:各转折频率处斜率变化对应环节时间常数
  • 卡点:需结合相频增减判断环节是最小相位还是非最小相位
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
  • 本卷考过由幅频与相频曲线联合反求开环传函
  • 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
本卷考法
  • 由各环节相频曲线辨认对应典型环节
本卷实例
  • 关键一步:对照四种相频曲线的幅值范围识别环节类型
  • 中间结果:非最小相位环节的相频符号与最小相位相反
  • 卡点:图为原卷插图,曲线对应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
  • 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
  • 本卷考过由各环节相频曲线辨认对应典型环节
  • 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
本卷考法
  • 由相频异常判断开环含非最小相位环节
本卷实例
  • 关键一步:比较幅频斜率变化与相频变化是否自洽
  • 中间结果:相频单调性与最小相位预期不符处对应非最小相位环节
  • 卡点:非最小相位环节可能是右半平面零点或右半平面极点,需结合低频相角区分
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
  • 本卷考过由相频异常判断开环含非最小相位环节
  • 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
  • 用奈氏判据由开环右半平面极点数求稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函数清右半平面极点数
  • 中间结果:稳定要求包围圈数满足判据等式
  • 卡点:幅频曲线在零分贝线以下时包围圈数可能为零
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
  • 本卷考过用奈氏判据由开环右半平面极点数求稳定增益范围
  • 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
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由临界包围条件解出开环增益的稳定区间
本卷实例
  • 关键一步:令系统恰好满足判据等式求临界增益
  • 中间结果:按临界点两侧的包围情况写出不等式
  • 卡点:答案段对稳定结论前后不一致,最终结论需回原卷核对
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
  • 本卷考过由临界包围条件解出开环增益的稳定区间
  • 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

6六、由初值响应反求转移矩阵与系统矩阵#

思路
  • 把两组已知初值和对应响应按齐次解写成矩阵等式,分离出状态转移矩阵;再对转移矩阵在零时刻求导得到系统矩阵。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由两组初值响应反求状态转移矩阵与系统矩阵
本卷实例
  • 关键一步:把两组响应按初值写成矩阵等式
  • 中间结果:初值矩阵求逆后得到状态转移矩阵
  • 卡点:求系统矩阵需对转移矩阵在零时刻求导,符号容易漏
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
  • 本卷考过由两组初值响应反求状态转移矩阵与系统矩阵
  • 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
  • 由齐次状态方程的解反推系统矩阵
本卷实例
  • 关键一步:利用解对时间求导在零时刻的值等于系统矩阵
  • 中间结果:系统矩阵由转移矩阵导数在零点的取值给出
  • 卡点:初值矩阵必须可逆,否则不能直接分离出转移矩阵
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
  • 本卷考过由齐次状态方程的解反推系统矩阵
  • 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

7七、李雅普诺夫稳定性、镇定性判断与极点配置#

思路
  • 对对角系统取正定矩阵代入李雅普诺夫方程,由 P 的正定性判断稳定性;再检查不能控模态位置判断能否镇定;最后对可控部分按期望极点配置反馈增益。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫第二法判断对角系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取正定矩阵代入李雅普诺夫方程解出 P
  • 中间结果:由 P 是否正定判断系统稳定性
  • 卡点:对角系统解 P 时对角元与非对角元需分别列方程
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第二法判断对角系统稳定性
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性判断系统能否被状态反馈镇定
本卷实例
  • 关键一步:检查不能控模态对应的特征值是否稳定
  • 中间结果:不稳定模态若不能控则系统不可镇定
  • 卡点:不完全能控不等于不可镇定,需看不能控极点的位置
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断系统能否被状态反馈镇定
  • 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
  • 有不可控稳定模态时求可配置的反馈增益
本卷实例
  • 关键一步:写出状态反馈后闭环特征多项式并分解出不能控因子
  • 中间结果:可控部分极点按期望位置配置,不可控部分保持不变
  • 卡点:不可控极点若已满足要求,反馈增益可取使其余极点到位的解
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
  • 本卷考过有不可控稳定模态时求可配置的反馈增益
  • 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
  • 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

8八、对偶系统、能控能观与状态反馈观测器#

思路
  • 先求原系统与对偶系统传函,再分别构造能控、能观判别阵判断系统性质;最后按期望极点设计状态反馈与全维观测器。
本卷考法
  • 求原系统与对偶系统的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对两个系统分别按传递函数定义作矩阵运算
  • 中间结果:单入单出时对偶系统与原系统传递函数相同
  • 卡点:对偶系统的输入输出矩阵互换,算式容易写反
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
  • 本卷考过求原系统与对偶系统的传递函数
  • 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
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性与能观性判别矩阵判断系统性质
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控判别阵与能观判别阵求秩
  • 中间结果:两个判别阵满秩说明系统既可控又可观
  • 卡点:判别阵的行列式或秩计算需按原系统矩阵核对
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
  • 本卷考过由能控性与能观性判别矩阵判断系统性质
  • 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
  • 由期望闭环极点设计状态反馈增益矩阵
本卷实例
  • 关键一步:写出状态反馈闭环特征多项式
  • 中间结果:与期望极点多项式比较系数得到增益
  • 卡点:反馈符号约定不同会使增益整体变号
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
  • 本卷考过由期望闭环极点设计状态反馈增益矩阵
  • 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
  • 由观测器期望极点设计全维状态观测器
本卷实例
  • 关键一步:对观测器误差系统列特征多项式
  • 中间结果:令特征多项式等于期望极点多项式解出增益
  • 卡点:观测器与状态反馈的增益符号约定相反,需分开验算
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
  • 本卷考过由观测器期望极点设计全维状态观测器
  • 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