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南京邮电大学 812 自动控制理论(含现控) 2017 年真题思维导图

强势双非共 10 题

难度:中等偏难 全卷十道大题:由阶跃响应曲线求闭环传函、误差与增益裕度联合求K范围、四阶根轨迹、含右半平面零点的奈奎斯特判稳、采样系统稳态误差、信号流图求传函、由Bode图求校正前后传函与裕度、传函化对角线标准型、状态反馈极点配置、李雅普诺夫直接法。未考最优控制与电力拖动。

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1一、由阶跃响应曲线求闭环传函(含图)#

思路
  • 由单位阶跃响应曲线读出稳态值与峰值时间,按标准二阶形式先定增益,再由曲线特征解出阻尼比和自然频率,写出闭环传递函数表达式。
本卷考法
  • 由响应曲线反求闭环传递函数表达式
本卷实例
  • 关键一步:由响应终值确定闭环增益
  • 中间结果:峰值时间与曲线形态一起可定二阶参数
  • 卡点:响应曲线以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由响应曲线反求闭环传递函数表达式
  • 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
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阶跃响应指标反求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:由峰值时间公式建立与自然频率的关系
  • 中间结果:联立峰值时间与响应特征解出两个参数
  • 卡点:峰值时间系数要按图中读出的时刻取
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
  • 本卷考过由阶跃响应指标反求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 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

2二、由误差与增益裕度要求求K范围(含图)#

思路
  • 由框图写开环传函,列劳斯表求稳定增益范围与速度误差系数条件,再由相角穿越频率求增益裕量表达式,最后对各条件的增益区间取交集下结论。
本卷考法
  • 由单位斜坡稳态误差上限求增益范围
本卷实例
  • 关键一步:按 I 型系统写速度误差系数
  • 中间结果:由误差小于给定值反解开环增益下界
  • 卡点:先判稳再算稳态误差
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
  • 本卷考过由单位斜坡稳态误差上限求增益范围
  • 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
  • 列劳斯表求闭环稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程列劳斯表并令首列同号
  • 中间结果:解出增益的稳定区间上界
  • 卡点:常数项给出的增益下界不能漏
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
  • 本卷考过列劳斯表求闭环稳定的增益范围
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角穿越频率求增益裕量要求
本卷实例
  • 关键一步:令相频等于负一百八十度解穿越频率
  • 中间结果:把穿越频率代入幅频得裕量表达式
  • 卡点:不同要求的增益区间需取交集再下结论
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
  • 本卷考过由相角穿越频率求增益裕量要求
  • 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

3三、绘制四阶系统根轨迹#

思路
  • 写出四阶闭环特征方程,标出四个开环极点与一个开环零点,按法则确定实轴段、渐近线与分离点,再求根轨迹与虚轴交点得到临界增益。
本卷考法
  • 按法则绘制四阶系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出零极点后判实轴段与渐近线夹角
  • 中间结果:四条分支中三条趋于无穷远,一条止于零点
  • 卡点:渐近线交点要把零点位置一并代入
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四阶系统根轨迹
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹分离点并取舍
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程写增益显式表达式再求导
  • 中间结果:解出候选分离点后按实轴段筛选
  • 卡点:候选点不在根轨迹段上必须舍去
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
  • 本卷考过求根轨迹分离点并取舍
  • 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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:代入 s 等于 jω 后分离实虚部方程
  • 中间结果:由方程组解出穿越频率与临界增益
  • 卡点:原点解一般舍去但要说明取舍理由
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹与虚轴的交点对应系统临界稳定
  • 可用劳斯判据令首列为零,或令 s=jω 代入特征方程求解
  • 交点处的 K 是使系统稳定的临界增益
步骤
  • 把 s=jω 代入闭环特征方程
  • 令实部与虚部分别为零,得到两个方程
  • 联立解出 ω 与 K
  • 结合实轴段信息确定根轨迹穿越方向
通用考法
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及临界增益
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 确定系统稳定时 K 的取值范围
  • 判断根轨迹穿越虚轴的方向
常见易错
  • 只代一个 ω 就下结论,漏掉另一组交点
  • 得到 K 后没有回到原题核对参数定义
公式

4四、含右半平面零点的奈奎斯特判稳#

思路
  • 写出含右半平面零点的开环频率特性,按起点终点与负实轴交点画幅相曲线,用奈奎斯特判据结合开环右半平面极点数判断闭环稳定性。
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数确定判据形式
  • 中间结果:由曲线包围负一点的圈数算闭环右极点
  • 卡点:非最小相位系统不能套最小相位结论
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
本卷考法
  • 识别非最小相位系统的频率特性
本卷实例
  • 关键一步:由右半平面零点判断相角变化方向
  • 中间结果:右半平面零点使相角随频率反向变化
  • 卡点:幅频曲线无法唯一确定非最小相位传函
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
  • 本卷考过识别非最小相位系统的频率特性
  • 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

5五、采样系统单位阶跃稳态误差(含图)#

思路
  • 由框图与零阶保持器求开环脉冲传函与闭环脉冲传函,先判断闭环稳定性,再用终值定理求单位阶跃输入下的稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求采样系统的开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:连续部分先部分分式再逐项求 z 变换
  • 中间结果:零阶保持器使开环多一个 (z-1)/z 因子
  • 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
  • 本卷考过求采样系统的开环与闭环脉冲传函
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 用终值定理求离散系统稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写出误差脉冲传函后取 z 趋于一的极限
  • 中间结果:单位阶跃误差由开环脉冲传函在 z 等于一处值决定
  • 卡点:用终值定理前必须先判离散闭环稳定
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
  • 本卷考过用终值定理求离散系统稳态误差
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 判断离散闭环系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由特征根模小于一判断离散稳定
  • 中间结果:特征根是采样周期与对象参数的函数
  • 卡点:采样周期变化会移动稳定边界
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
  • 本卷考过判断离散闭环系统的稳定性
  • 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

6六、由信号流图求传函(含图)#

思路
  • 在给定信号流图上找出全部独立回路与互不接触回路写特征式,再列出各前向通道及其余子式,用梅森增益公式写出传递函数表达式。
本卷考法
  • 用梅森增益公式由信号流图求传函
本卷实例
  • 关键一步:先数回路并找互不接触的回路对
  • 中间结果:特征式为一减回路增益加不接触回路增益积
  • 卡点:信号流图以图给出,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
  • 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

7七、由Bode折线图求传函与校正后裕度(含图)#

思路
  • 由最小相位系统折线对数幅频特性分段写传递函数,按转折频率与斜率变化确定各环节,再由给定校正装置写校正前与校正后传函并求相角裕度。
本卷考法
  • 由Bode折线图反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按各段斜率变化确定对应环节类型
  • 中间结果:低频段高度与斜率给出型别与开环增益
  • 卡点:Bode 图以图给出,转折频率需回原卷核对图
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Bode折线图反求传递函数
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正后系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:先求校正后截止频率再代入相频表达式
  • 中间结果:相角裕度等于一百八十度加截止频率处相角
  • 卡点:各环节相角要按转折频率逐项累加
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
  • 本卷考过求校正后系统的相角裕度
  • 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
  • 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
  • 说明题给校正装置的作用与指标折算
本卷实例
  • 关键一步:把题给校正环节与未校正特性串联合成
  • 中间结果:校正后中频段斜率与相角裕度一并变化
  • 卡点:校正装置设计不唯一时以题给为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过说明题给校正装置的作用与指标折算
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式

8八、传函化对角线标准型并求状态转移矩阵#

思路
  • 对传递函数作部分分式分解,以各极点对应的模态写对角线标准型状态空间表达式,再由对角矩阵直接写出状态转移矩阵。
本卷考法
  • 由传递函数写对角线标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:对传函作部分分式展开定各模态系数
  • 中间结果:对角阵元素为传函各极点,输出阵为各留数
  • 卡点:部分分式系数要与对应极点一一对应
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
  • 本卷考过由传递函数写对角线标准型状态空间表达式
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由对角矩阵求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:对角阵的矩阵指数为各元素指数函数
  • 中间结果:矩阵指数保持对角结构,非对角元为零
  • 卡点:输出阵的排列要与状态变量顺序一致
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
  • 本卷考过由对角矩阵求状态转移矩阵
  • 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

9九、状态反馈极点配置#

思路
  • 先由题给矩阵验证能控性,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,逐项比较系数解出增益阵。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 验证三阶系统能控性
本卷实例
  • 关键一步:用 B、AB、A²B 构造能控性矩阵并求秩
  • 中间结果:矩阵满秩说明闭环极点可任意配置
  • 卡点:矩阵不满秩时不能任意配置极点
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
  • 本卷考过验证三阶系统能控性
  • 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
  • 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
  • 设计状态反馈增益阵配置极点
本卷实例
  • 关键一步:设反馈增益后写闭环特征多项式
  • 中间结果:与期望多项式比较同次幂系数得方程组
  • 卡点:共轭复极点展开时实部虚部要对应
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
  • 本卷考过设计状态反馈增益阵配置极点
  • 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、李雅普诺夫直接法判原点渐近稳定#

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,由导数的定号性判断原点是否为大范围渐近稳定。
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非线性系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取正定二次型后沿系统求导并化简
  • 中间结果:导数可化为负的平方和形式
  • 卡点:李雅普诺夫第二法给出的是充分条件
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非线性系统稳定性
  • 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