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中国科学技术大学 845 控制原理 2020 年真题思维导图

985 院校共 7 题

难度:中等偏难 7 题;含扰动多回路误差表达式、由稳态误差关系定特征方程与二阶指标、参数根轨迹圆轨迹与过阻尼和最大频率、奈氏判据与参数稳定性及校正、输出反馈保持能控能观与超调设计、相似变换保持能控能观与传函、能控性分解与零输入响应

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一一、含扰动多回路系统误差表达式#

思路
  • 对给定与扰动分别置零,用梅森公式求两个误差分量后叠加成总误差表达式
本卷考法
  • 用梅森公式求多回路系统的特征式
本卷实例
  • 关键一步:先找全部独立回路
  • 关键一步:再找两两不接触的回路组合
  • 中间结果:特征式由回路增益与不接触乘积构成
  • 卡点:结构图以扫描图给出,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
  • 本卷考过用梅森公式求多回路系统的特征式
  • 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漏找或重复计数
  • 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
本卷考法
  • 分别求给定与扰动单独作用下的误差分量
本卷实例
  • 关键一步:两个输入分别置零找各自前向通路
  • 关键一步:再把两个误差分量相加
  • 中间结果:两分量分母相同、分子不同
  • 卡点:扰动支路要含扰动点之后的环节
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
  • 本卷考过分别求给定与扰动单独作用下的误差分量
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 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

二二、由稳态误差定参数与二阶动态指标#

思路
  • 由单位速度信号下的稳态误差关系确定特征方程参数,再把无零点二阶系统化标准式求超调量与调节时间
本卷考法
  • 由单位速度输入下的稳态误差反求参数
本卷实例
  • 关键一步:按系统型别写出速度误差系数的表达式
  • 关键一步:再由给定稳态误差值反求参数
  • 中间结果:一型系统速度误差系数等于开环增益
  • 卡点:误差值与题给输出关系要先对应好
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
  • 本卷考过由单位速度输入下的稳态误差反求参数
  • 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
  • 本卷考过未判断闭环稳定就用终值定理
  • 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
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
  • 由特征方程系数读自然频率与阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程与标准二阶式比较系数
  • 关键一步:解出自然频率与阻尼比
  • 中间结果:无零点时闭环分母就是特征方程
  • 卡点:阻尼比落在零与一之间为欠阻尼
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
  • 本卷考过由特征方程系数读自然频率与阻尼比
  • 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
  • 本卷考过把开环增益误当成闭环传函的系数
  • 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
  • 计算单位阶跃下的超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:读阻尼比与自然频率后代入指标公式
  • 关键一步:按题给误差带取调节时间系数
  • 中间结果:调节时间与自然频率成反比
  • 卡点:超调量随阻尼比增大而减小
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
  • 本卷考过计算单位阶跃下的超调量与调节时间
  • 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
  • 本卷考过调节时间公式的误差带系数搞混
  • 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

三三、参数根轨迹、过阻尼范围与闭环传函#

思路
  • 把特征方程整理成以参数 a 为变量的根轨迹,用韦达定理证部分轨迹为圆,再由过阻尼与最大阻尼振动频率定参数
本卷考法
  • 以参数 a 为变量画闭环根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程写成 1 加 a 乘等效开环为零
  • 关键一步:再按等效开环的极零点画轨迹
  • 中间结果:等效开环只有一个零点一对极点
  • 卡点:分离点需求解对参数求导为零的方程
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
  • 本卷考过以参数 a 为变量画闭环根轨迹
  • 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
本卷考法
  • 求分离点并按法则绘制根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定开环极零点个数
  • 关键一步:按规则画实轴段与渐近线
  • 中间结果:分离点是实轴上增益取极值的点
  • 卡点:轨迹起始于开环极点终止于零点或无穷远
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
  • 本卷考过求分离点并按法则绘制根轨迹
  • 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
  • 本卷考过渐近线夹角公式中的 2k+1 写成 2k
  • 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
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环极点判断过阻尼与最大频率状态
本卷实例
  • 关键一步:过阻尼对应两个实极点、临界为分离点
  • 关键一步:复数极点在圆轨迹最高处时阻尼振动频率最大
  • 中间结果:该部分根轨迹是以某点为圆心的圆
  • 卡点:圆轨迹结论要用韦达定理证明
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过由闭环极点判断过阻尼与最大频率状态
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 本卷考过只看极点离虚轴远近而忽略零点影响
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
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
  • 由确定的闭环极点写出闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:由极点位置与模值条件定增益
  • 关键一步:再按极点形式写出闭环传函
  • 中间结果:闭环分母由确定的一对共轭极点构成
  • 卡点:分子零点由前向通路结构决定
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
  • 本卷考过由确定的闭环极点写出闭环传函
  • 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
  • 本卷考过把开环增益误当成闭环传函的分子系数
  • 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

四四、奈氏判据、参数稳定性与校正设计#

思路
  • 画含双积分环节的开环幅相曲线判稳,用劳斯判据讨论参数影响,再在保持截止频率下增大相角裕度
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由含双积分环节的开环幅相曲线判稳
本卷实例
  • 关键一步:起点相位由两个积分环节决定
  • 关键一步:补画无穷小半圆并判绕行方向
  • 中间结果:曲线在无穷远处的相角为负 270 度
  • 卡点:包围圈数按负实轴穿越次数计
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
  • 本卷考过由含双积分环节的开环幅相曲线判稳
  • 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
  • 本卷考过补画无穷小圆弧时绕行方向或角度写错
  • 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
  • 用劳斯判据讨论参数对稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并令首列各元大于零
  • 关键一步:解出参数的下界
  • 中间结果:临界参数对应系统临界稳定
  • 卡点:参数小于下界时不满足稳定条件
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
  • 本卷考过用劳斯判据讨论参数对稳定性的影响
  • 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
  • 本卷考过系数有缺项时不补零就直接套用判据
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求指定截止频率下的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:在截止频率处累加各环节相角
  • 关键一步:由 180 度加相频值求相角裕度
  • 中间结果:微分校正环节贡献正相角
  • 卡点:双积分环节贡献负 180 度起始相角
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
  • 本卷考过求指定截止频率下的相角裕度
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 保持截止频率的前提下增大相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:按相角差额确定附加超前环节
  • 关键一步:再由幅频等于一的条件定其时间常数
  • 中间结果:新增环节为一个一阶微分环节
  • 卡点:校正后要同时回代校验幅频与相角
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
  • 本卷考过保持截止频率的前提下增大相角裕度
  • 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
  • 本卷考过计算补偿角时忽略幅频条件的变化
  • 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

五五、输出反馈的能控能观性与超调设计#

思路
  • 用秩条件证明输出反馈不改变能控能观性,再按超调量要求定阻尼比并反求输出反馈系数
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 证明输出反馈不改变系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:对增广矩阵作可逆分块变换证秩不变
  • 关键一步:能控与能观各证一次
  • 中间结果:输出反馈只改变系统矩阵
  • 卡点:输入输出矩阵在证明中保持不变
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
  • 本卷考过证明输出反馈不改变系统的能控性与能观性
  • 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
  • 本卷考过秩等式中变换矩阵的构造写错
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量上限确定阻尼比的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比的下界
  • 关键一步:取略大于下界的值设计
  • 中间结果:阻尼比越大超调量越小
  • 卡点:设计值要留适当裕量
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
  • 本卷考过由超调量上限确定阻尼比的取值范围
  • 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
  • 本卷考过超调量与阻尼比的关系式记错
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由期望极点反求输出反馈系数
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征多项式
  • 关键一步:与期望特征多项式比较系数
  • 中间结果:输出反馈系数由两个方程联立解出
  • 卡点:输出反馈无法任意配置极点,须先验证
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
  • 本卷考过由期望极点反求输出反馈系数
  • 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
  • 本卷考过比较特征多项式系数时符号写反
  • 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

六六、相似变换下能控能观与传函的不变性#

思路
  • 写出变换后系统矩阵的关系式,把能控能观矩阵表示为原矩阵乘非奇异阵,再证明传递函数相同
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 写出非奇异变换后系统矩阵与原始矩阵的关系
本卷实例
  • 关键一步:把新旧状态关系代入原状态方程
  • 关键一步:整理出变换后三矩阵的表达式
  • 中间结果:变换后矩阵为相似变换形式
  • 卡点:输入与输出矩阵的变换方向不同
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
  • 本卷考过写出非奇异变换后系统矩阵与原始矩阵的关系
  • 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
  • 本卷考过变换矩阵与其逆矩阵的位置写反
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 证明相似变换保持能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:把变换后能控矩阵写成非奇异阵乘原能控矩阵
  • 关键一步:同理处理能观矩阵
  • 中间结果:两者秩相等即性质保持
  • 卡点:非奇异矩阵乘积不改变秩
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
  • 本卷考过证明相似变换保持能控性与能观性
  • 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
  • 本卷考过只证能控性而漏掉能观性
  • 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
本卷考法
  • 证明相似变换前后传递函数相同
本卷实例
  • 关键一步:把变换后三矩阵代入传函表达式
  • 关键一步:约去中间的非奇异矩阵
  • 中间结果:传函只由特征值等不变量决定
  • 卡点:注意相似变换矩阵与其逆的配对位置
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
  • 本卷考过证明相似变换前后传递函数相同
  • 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导致结论不完整
  • 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

七七、能控性分解、镇定可行性与零输入响应#

思路
  • 由特征值判两种稳定性,做能控性分解看不可控模态能否镇定,再用转移矩阵求零输入状态
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 对不完全能控系统做能控性分解
本卷实例
  • 关键一步:由能控性矩阵的秩定能控子空间维数
  • 关键一步:按分块形式构造变换阵
  • 中间结果:分解后系统呈现能控与不可控两部分
  • 卡点:不可控部分对应某个固定特征值
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
  • 本卷考过对不完全能控系统做能控性分解
  • 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
  • 本卷考过变换阵列向量取法导致分块形式不对
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间求传函并判断 BIBO 稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求传函并约去零极点对消项
  • 关键一步:按剩余极点判断 BIBO 稳定性
  • 中间结果:BIBO 稳定只看传函剩余极点
  • 卡点:渐近稳定与 BIBO 稳定的判据不同
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函并判断 BIBO 稳定性
  • 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
  • 本卷考过零极点对消后误以为极点数等于状态维数
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断能否用状态反馈使系统稳定
本卷实例
  • 关键一步:分解后只对能控子系统配置极点
  • 关键一步:不可控模态保持原特征值
  • 中间结果:能控子系统可任意配置
  • 卡点:结论取决于不可控模态是否稳定
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
  • 本卷考过判断能否用状态反馈使系统稳定
  • 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
  • 本卷考过没有先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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵求零输入条件下的状态
本卷实例
  • 关键一步:先求状态转移矩阵
  • 关键一步:再把初始状态作用上去
  • 中间结果:零输入响应为转移矩阵乘初态
  • 卡点:题给为离散时刻,注意指数项取值
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
  • 本卷考过由状态转移矩阵求零输入条件下的状态
  • 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
  • 本卷考过矩阵求逆时忽略行列式是否为零
  • 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