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南京邮电大学 812 自动控制理论(含现控) 2016 年真题思维导图

强势双非共 10 题

难度:中等 全卷十道大题:信号流图求传函、含内外反馈的二阶系统指标与误差、根轨迹与最小阻尼比、含右半平面极点的奈奎斯特判稳、超前校正设计、由频率特性表求裕度、离散系统稳定范围、由状态转移矩阵反求系统、状态空间求传函与极点配置、李雅普诺夫直接法求参数条件。未考最优控制与电力拖动。

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1一、由结构图用信号流图求传函(含图)#

思路
  • 把结构框图改画成信号流图,找出全部独立回路与两两不接触回路写出特征式,再列出各前向通道及其余子式,用梅森增益公式合成传递函数。
本卷考法
  • 用梅森增益公式由信号流图求系统传函
本卷实例
  • 关键一步:先数清独立回路并找互不接触的回路对
  • 中间结果:特征式为一减各回路增益加不接触回路增益积
  • 卡点:前向通道与余子式需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用梅森增益公式由信号流图求系统传函
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路结构图的逐层等效化简
本卷实例
  • 关键一步:把结构图逐层化成信号流图再套梅森公式
  • 中间结果:回路与通路编号要与原图一一对应
  • 卡点:结构框图以图给出,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
  • 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
  • 本卷考过多回路结构图的逐层等效化简
  • 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

2二、负反馈二阶系统指标与误差(含图)#

思路
  • 由结构图化简得闭环传函并化为标准二阶形式,按给定 Kf、Ka 求阻尼比、自然频率和斜坡稳态误差;第二问反用指标与误差条件解出反馈系数与放大系数。
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
  • 由闭环传函求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函分母归一成标准二阶形式
  • 中间结果:一次项系数等于两倍阻尼比乘自然频率
  • 卡点:内外反馈都存在的结构图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由闭环传函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
  • 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
  • 求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:按系统型别写出速度误差系数
  • 中间结果:稳态误差等于速度误差系数的倒数
  • 卡点:先判闭环稳定再套终值定理
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
  • 本卷考过求单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由指标与误差条件反求两个参数
本卷实例
  • 关键一步:联立阻尼比条件与误差条件两个方程
  • 中间结果:消元后先解出放大系数再求反馈系数
  • 卡点:放大系数与反馈系数不是同一个量
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由指标与误差条件反求两个参数
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式

3三、由开环传函绘制根轨迹并求最小阻尼比点#

思路
  • 写出闭环特征方程,按法则画根轨迹并判定复数部分是一段圆弧,再用韦达定理与几何关系求最小阻尼比对应的闭环极点和增益。
本卷考法
  • 按法则绘制含一个零点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出两极点一零点后判实轴段与渐近线
  • 中间结果:分离点方程由各极点零点倒数关系给出
  • 卡点:零点不在两极点之间会改变渐近线方向
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含一个零点的根轨迹
  • 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
本卷考法
  • 求最小阻尼比对应的闭环极点与增益
本卷实例
  • 关键一步:过原点作根轨迹切线取最小阻尼比点
  • 中间结果:由韦达定理可导出复数部分是一段圆弧
  • 卡点:阻尼比最小处是切点而不是分离点
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
  • 本卷考过求最小阻尼比对应的闭环极点与增益
  • 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

4四、含右半平面极点的奈奎斯特判稳#

思路
  • 写出开环频率特性的实部与虚部,求幅相曲线与负实轴的交点以及起点终点走向,注意开环右半平面极点个数,按奈奎斯特判据判稳并求临界增益。
本卷考法
  • 求开环幅相曲线的实虚部与关键交点
本卷实例
  • 关键一步:代入 s 等于 jω 分离出实部与虚部
  • 中间结果:令虚部为零可解出与负实轴的交点
  • 卡点:开环含右半平面极点使起点相角特殊
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
  • 本卷考过求开环幅相曲线的实虚部与关键交点
  • 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
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稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点个数 P
  • 中间结果:由曲线包围负一点的圈数算闭环右极点个数
  • 卡点:忽略 P 等于一会得出相反的稳定性结论
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
  • 本卷考过用奈奎斯特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

5五、按相角裕度与截止频率要求设计超前校正#

思路
  • 分情况求未校正系统的截止频率与相角裕度,按所需补偿角设计超前校正网络的参数,再复核校正后的截止频率与相角裕度是否达标。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求未校正系统的截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:分情况假设截止频率与转折频率的大小关系
  • 中间结果:由幅频特性等于一解出截止频率
  • 卡点:假设与结果矛盾时要换另一种情况
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
  • 本卷考过求未校正系统的截止频率与相角裕度
  • 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
  • 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
  • 设计串联超前校正网络满足相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由所需相角补偿量求最大超前角
  • 中间结果:由最大超前角解出参数 a 与时间常数 T
  • 卡点:补偿角要留裕量抵消截止频率后移
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
  • 本卷考过设计串联超前校正网络满足相角裕度
  • 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
  • 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、由频率特性表求裕度并定增益变化#

思路
  • 在给定频率特性表上找幅值等于一处的相角求相角裕度,找相角等于负一百八十度处的幅值求幅值裕度,再按幅值裕度要求反求开环增益应变化的倍数。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由表格数据求相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:在表中定位幅穿与相穿两个频率
  • 中间结果:相角裕度等于一百八十度加幅穿处相角
  • 卡点:幅值裕度取幅值倒数的分贝值
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
  • 本卷考过由表格数据求相角裕度与幅值裕度
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由频率特性表读某频率处的幅值与相角
本卷实例
  • 关键一步:在表格中按频率列读出幅值和相角
  • 中间结果:表格缺格处可用相邻数据或宝典补齐
  • 卡点:逐年表中有两格幅值空缺,已按宝典补全
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
  • 本卷考过由频率特性表读某频率处的幅值与相角
  • 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

7七、离散系统框图求稳定K范围(含图)#

思路
  • 由框图写出含零阶保持器的开环脉冲传函与闭环特征方程,经 w 变换化为代数方程后用劳斯判据求系统稳定时的增益范围。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统的开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:连续部分先部分分式再逐项查 z 变换表
  • 中间结果:开环脉冲传函含 (z-1)/z 与各极点项
  • 卡点:框图以图给出,采样开关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
  • 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
  • 本卷考过求离散系统的开环脉冲传函
  • 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
  • 用 w 变换与劳斯判据求稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把 z 等于 (ω+1)/(ω-1) 代入特征方程
  • 中间结果:对 w 域方程列劳斯表取首列同号条件
  • 卡点:离散稳定判据是极点模小于一
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
  • 本卷考过用 w 变换与劳斯判据求稳定增益范围
  • 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
  • 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、由状态转移矩阵反求系统并求响应#

思路
  • 对给定的矩阵指数求导并取零时刻值得到系统矩阵 A,再按状态转移矩阵与非零初值写零输入响应,叠加单位阶跃下的零状态响应得全响应与输出。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵求系统矩阵与状态响应
本卷实例
  • 关键一步:对矩阵指数求导取零时刻值即为 A
  • 中间结果:全响应为转移矩阵乘初值加卷积积分
  • 卡点:卷积积分的被积变量代换不要写错
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系统矩阵与状态响应
  • 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
本卷考法
  • 求含非零初值的单位阶跃全响应
本卷实例
  • 关键一步:把初值项与零状态卷积项分别写出再叠加
  • 中间结果:零输入响应按初值展开,零状态响应按输入算
  • 卡点:漏掉初值决定的自由响应会使结果出错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 全响应由零输入响应与零状态响应两部分叠加而成
  • 零输入响应的形式由特征根决定,系数由初始条件定
  • 零状态响应用卷积或拉氏变换法求,也可查典型输入的响应表
  • 初值条件要区分零时刻前后的跳变,含输入导数项的方程会在零时刻产生跳变
步骤
  • 写出微分方程并取拉氏变换,把初始条件作为等效输入移到等号右端
  • 分别求零输入解与零状态解,再相加得全响应
  • 用初始条件定常数,必要时用终值核对稳态值
  • 检查求得的解在零时刻是否等于给定初值
通用考法
  • 本卷考过求含非零初值的单位阶跃全响应
  • 由微分方程与初始条件求系统的全响应
  • 分别求零输入响应与零状态响应
  • 判断给定初值下响应是否单调或是否有极值
常见易错
  • 只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 分子含输入导数时忽略零时刻的跳变,导致初值对不上
公式

9九、状态空间求传函与极点配置#

思路
  • 先由状态空间表达式算传递函数,再验证能控性,设状态反馈增益阵令闭环特征多项式与期望极点多项式相等,解出反馈增益。
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按 C 乘 (sI-A) 的逆再乘 B 展开
  • 中间结果:约简后得到二阶有理分式形式的传函
  • 卡点:输出方程对状态的选择作用不能漏
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表达式求传递函数
  • 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
  • 验证系统能控性以确定极点可配置
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性矩阵并计算其秩
  • 中间结果:矩阵满秩说明系统可控可任意配置极点
  • 卡点:矩阵列数要算到两列才完整
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
  • 本卷考过验证系统能控性以确定极点可配置
  • 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
  • 极点配置求状态反馈增益阵
本卷实例
  • 关键一步:设反馈增益阵后写闭环特征多项式
  • 中间结果:与期望极点多项式比较同次幂系数
  • 卡点:期望极点是一对共轭复数要正确展开
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
  • 本卷考过极点配置求状态反馈增益阵
  • 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

10十、李雅普诺夫直接法求参数条件#

思路
  • 先求唯一平衡点在原点,取正定二次型作李雅普诺夫函数并沿系统求导,由导数负定条件解出参数 a 需满足的范围。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫函数求参数稳定条件
本卷实例
  • 关键一步:取正定二次型后沿非线性系统求导
  • 中间结果:导数可整理成参数 a 乘平方和的形式
  • 卡点:只判断函数正定还不够,必须复核导数定号
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
  • 本卷考过用李雅普诺夫函数求参数稳定条件
  • 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