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山西大学 865 自动控制原理 2016 年真题思维导图

强势双非共 10 题

难度:中等 10 道大题:由性能指标反求二阶系统参数与稳态误差、由闭环极点反求参数并绘零度根轨迹、劳斯判据与实部限制、由对数幅频特性反求传函并求相角裕度、串联超前校正、描述函数法分析自振、离散系统稳定性、由自由运动反求状态转移矩阵与状态矩阵、能观性分解、李雅普诺夫稳定性;第三、第六题题头含分值在 OCR 中缺失。

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1一、由动态性能指标反求参数与稳态误差(15分)15 分#

思路
  • 由结构图写开环与闭环传函并化成二阶标准形式,由超调量与峰值时间求阻尼比与自然频率,再定参数与稳态误差。
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与峰值时间求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:超调量只由阻尼比决定,峰值时间还含自然频率
  • 中间结果:两式联立可分别解出阻尼比与自然频率
  • 卡点:二阶公式仅适用典型二阶系统,带零点时要解响应
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
  • 本卷考过由超调量与峰值时间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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由期望动态性能指标反求开环增益与时间常数
本卷实例
  • 关键一步:把指标解出的阻尼比与自然频率与标准式系数对应
  • 中间结果:自然频率定增益、一次项系数定反馈支路时间常数
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:反馈支路时间常数出现在闭环一次项中
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
  • 本卷考过由期望动态性能指标反求开环增益与时间常数
  • 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
本卷考法
  • 求单位阶跃输入下系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比判断系统稳定再求位置误差系数
  • 中间结果:含积分环节时位置误差系数为无穷、阶跃误差为零
  • 卡点:未判稳就用终值定理会得到错误结论
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下系统的稳态误差
  • 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

2二、由闭环极点反求参数并绘零度根轨迹(15分)15 分#

思路
  • 由给定闭环极点写期望特征多项式并与实际特征方程比较定参数,再按零度根轨迹条件绘根轨迹并确定稳定增益范围。
本卷考法
  • 由负时间常数引入的右半平面零点绘制零度根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先把开环传函化为含根轨迹参数的标准形式
  • 中间结果:含右半平面零点时相角条件为 2kπ,属零度根轨迹
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:零度根轨迹不能沿用 180 度的实轴段判据
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
  • 本卷考过由负时间常数引入的右半平面零点绘制零度根轨迹
  • 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
  • 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
  • 按法则绘制增益由零到无穷变化时的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴段与渐近线,再定起点与终点
  • 中间结果:分支数等于开环极点数
  • 卡点:零度根轨迹的实轴段按偶数个零极点判断
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
  • 本卷考过按法则绘制增益由零到无穷变化时的根轨迹
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹的分离点或会合点并取舍
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程重根条件求导为零解出坐标
  • 中间结果:保留位于根轨迹上的解、舍去增根
  • 卡点:零度根轨迹分离点方程的符号与常规不同
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或会合点并取舍
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 jω 代入特征方程分离实部与虚部
  • 中间结果:由实部与虚部方程解出交点频率与临界增益
  • 卡点:交点频率要结合根轨迹走向判断稳定区间
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的交点及临界增益
  • 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

3三、劳斯判据求稳定范围与实部限制#

思路
  • 由开环传函写闭环特征方程列劳斯表求稳定增益范围,再用变量平移把极点实部限制化为新变量下的稳定问题。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 列劳斯表求使系统稳定的开环增益范围
本卷实例
  • 关键一步:按降幂排列系数并列劳斯表,要求首列同号
  • 中间结果:稳定范围由首列各元为正的不等式交集确定
  • 卡点:本题题头含分值在源文 OCR 中缺失
  • 卡点:系数缺项要先补零再列劳斯表
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使系统稳定的开环增益范围
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 用变量平移求闭环极点实部不超过给定值的范围
本卷实例
  • 关键一步:令新变量等于原变量加偏移量后代回特征方程
  • 中间结果:新特征方程下稳定即原极点实部不超过给定界
  • 卡点:平移量符号取反会把实部限制方向弄错
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
  • 本卷考过用变量平移求闭环极点实部不超过给定值的范围
  • 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

4四、由对数幅频特性反求传函与相角裕度(15分)15 分#

思路
  • 由最小相位系统对数幅频特性斜率变化识别环节并定增益,再求截止频率、相角裕度与幅值裕度判断闭环稳定性。
本卷考法
  • 由给定对数幅频特性曲线写出开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按各频段斜率变化识别积分与惯性环节
  • 中间结果:低频段高度或某频率处幅值条件用来定增益
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:转折频率与高度写在图里,需读图确认
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
  • 本卷考过由给定对数幅频特性曲线写出开环传递函数
  • 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
  • 由开环传函求截止频率、相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:令幅频等于 1 求截止频率,再算相角与 180 度之和
  • 中间结果:最小相位系统裕度均为正时闭环稳定
  • 卡点:相位穿越频率处幅值要取倒数才是幅值裕度
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
  • 本卷考过由开环传函求截止频率、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

5五、串联超前校正设计与验证(15分)15 分#

思路
  • 由速度误差要求定增益,求未校正系统的相角裕度,再按最大超前角公式设计超前网络参数并校验。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联超前校正装置使相角裕度与截止频率达标
本卷实例
  • 关键一步:先算需补偿相角并留附加量,再由公式定分度系数
  • 中间结果:最大超前角频率等于新截止频率处定时间常数
  • 卡点:补偿角要含截止频率提高带来的附加相角损失
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装置使相角裕度与截止频率达标
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正前后系统的相角裕度与截止频率并验证
本卷实例
  • 关键一步:分别令校正前后幅频等于 1 求截止频率
  • 中间结果:校正后截止频率与相角裕度均应满足要求
  • 卡点:截止频率与穿越频率不要用反
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
  • 本卷考过求校正前后系统的相角裕度与截止频率并验证
  • 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
  • 由最大输入速度与位置误差要求确定速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:先由误差定义求速度误差系数下界再取增益
  • 中间结果:速度误差系数等于开环增益、误差为其倒数
  • 卡点:误差以百分数给出,换算时别漏百分号
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 型别 v 由开环传递函数中积分环节的个数决定
  • 0 型有位置误差、Ⅰ型有速度误差、Ⅱ型有加速度误差
  • 静态误差系数只与开环传递函数有关
步骤
  • 把开环传递函数写成分式,数出 s 的幂次即型别
  • 按型别选择对应的静态误差系数公式
  • 代入求值
通用考法
  • 本卷考过由最大输入速度与位置误差要求确定速度误差系数
  • 判断系统型别
  • 求静态位置、速度、加速度误差系数
  • 分析增加积分环节对精度的影响
常见易错
  • 把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 数错积分环节个数导致型别判错
公式

6六、用描述函数法分析自振#

思路
  • 由非线性环节的描述函数与线性部分的频率特性比较负倒描述函数与开环幅相曲线,判断自振并求频率与振幅。
本卷考法
  • 用负倒描述函数与开环幅相曲线交点判断自振
本卷实例
  • 关键一步:先求线性部分相角穿越频率与对应幅值再作比较
  • 中间结果:交点处频率为自振频率、振幅由描述函数值定
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:要画负倒描述函数而不是描述函数本身
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
  • 本卷考过用负倒描述函数与开环幅相曲线交点判断自振
  • 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
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 说明描述函数法适用条件与典型非线性求法
本卷实例
  • 关键一步:把非线性特性按一次谐波近似求幅值比与相位差
  • 中间结果:继电特性的负倒描述函数为负实数随振幅反比变化
  • 卡点:描述函数是振幅的函数,不是频率的函数
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
  • 本卷考过说明描述函数法适用条件与典型非线性求法
  • 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
  • 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

7七、离散系统稳定性分析(15分)15 分#

思路
  • 由采样系统结构求开环与闭环脉冲传递函数,代入给定采样周期得闭环特征方程,再判断根是否全在单位圆内。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样系统结构求开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先判断采样开关位置,决定哪些环节合并变换
  • 中间结果:开环脉冲传函计入零阶保持器后求闭环
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:两段连续环节间无采样开关时不能直接相乘
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
  • 本卷考过由采样系统结构求开环与闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 由闭环特征方程判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把采样周期代入特征方程后求根或用朱莉判据
  • 中间结果:特征根模全小于 1 系统稳定,否则不稳定
  • 卡点:无未知参数时可直接求根判断更便捷
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
  • 本卷考过由闭环特征方程判断离散系统稳定性
  • 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

8八、由自由运动反求状态转移矩阵与状态矩阵(15分)15 分#

思路
  • 由两组初始状态与对应自由运动求状态转移矩阵,再由转移矩阵在零时刻的导数求状态矩阵。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由自由运动数据反求状态转移矩阵与状态矩阵
本卷实例
  • 关键一步:用两个不同初值的自由运动联立解出转移矩阵各列
  • 中间结果:转移矩阵在零时刻的导数值即为状态矩阵
  • 卡点:初值矩阵求逆时行列式为零说明数据不独立
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
  • 本卷考过由自由运动数据反求状态转移矩阵与状态矩阵
  • 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、能观性判断与可观子系统分解(15分)15 分#

思路
  • 构造能观性判别矩阵判断系统是否完全可观测,不完全可观测时按可观性规范型变换找出可观子系统。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能观性判别矩阵判断可观测性并分解可观子系统
本卷实例
  • 关键一步:由 C、CA、CA 平方依次左乘构造能观性矩阵求秩
  • 中间结果:秩小于阶数说明不完全可观,变换后取可观子块
  • 卡点:能观性矩阵按行堆叠、能控性矩阵按列堆叠
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
  • 本卷考过构造能观性判别矩阵判断可观测性并分解可观子系统
  • 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

10十、李雅普诺夫第二法分析原点稳定性(15分)15 分#

思路
  • 取给定的正定二次型作为李雅普诺夫函数,沿系统轨线求其对时间的导数,按导数的定号性判断原点稳定性。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用给定李氏函数分析非线性系统在原点的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先验函数正定,再沿系统方程求其对时间的导数
  • 中间结果:导数负定且径向无界为大范围渐近稳定、恒零为稳定
  • 卡点:导数的定号性要结合待定参数的符号分类讨论
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
  • 本卷考过用给定李氏函数分析非线性系统在原点的稳定性
  • 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
  • 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