←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

山西大学 865 自动控制原理 2017 年真题思维导图

强势双非共 10 题

难度:中等 10 道大题:RC 无源网络求传函、由给定增益求阻尼比与动态指标、含共轭复零点的根轨迹与稳定域、由对数幅频特性反求传函、串联校正、采样系统闭环脉冲传函、相平面奇点位置与类型、状态方程解、克拉索夫斯基方法判稳、状态空间稳定性与能控能观及极点配置;第八题题头含分值在 OCR 中缺失。

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

1一、RC 无源网络求传递函数(12分)12 分#

思路
  • 由电路复阻抗关系列写输入输出关系,消去中间变量求电压传递函数并化为标准有理分式。
本卷考法
  • 由 RC 无源网络列复阻抗方程求电压传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用复阻抗分压或回路电流关系写输出与输入之比
  • 中间结果:整理成关于 s 的有理分式并把常数项归一
  • 卡点:电容阻抗写成 Cs 会把量纲与频率关系弄反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由 RC 无源网络列复阻抗方程求电压传递函数
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由电路网络结构建立输入输出传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先判别是否为无源网络,再决定是否用虚短虚断
  • 中间结果:两级 RC 网络存在级间负载效应、不能简单相乘
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:元件连接与级间关系写在图里
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过由电路网络结构建立输入输出传递函数
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式

2二、由传递函数求阻尼比与动态性能指标(12分)12 分#

思路
  • 由结构图写闭环传函并代入给定增益,化成二阶标准形式读出阻尼比与自然频率,再算超调量与调节时间。
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
  • 由闭环传递函数求阻尼比与无阻尼振荡频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环分母与标准二阶特征式逐项对照
  • 中间结果:常值项为自然频率平方、一次项系数为两倍阻尼比乘频率
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:化标准形式时要把最高次项系数归一化
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
  • 本卷考过由闭环传递函数求阻尼比与无阻尼振荡频率
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比与自然频率计算超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:超调量只与阻尼比有关,调节时间还与自然频率有关
  • 中间结果:按给定误差带选择调节时间的系数
  • 卡点:两种误差带对应系数不同,要注明所取误差带
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
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率计算超调量与调节时间
  • 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
  • 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

3三、含共轭复零点的根轨迹与稳定域(15分)15 分#

思路
  • 由开环传函写出零极点分布,按法则绘根轨迹,求分离点、出射角与虚轴交点,再由走向确定稳定增益域。
本卷考法
  • 按法则绘制含共轭复零点的根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴段,再算渐近线、分离点与虚轴交点
  • 中间结果:分支数等于开环极点数,终点为零点或无穷远
  • 卡点:实轴段按右侧零极点个数之奇偶判断
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含共轭复零点的根轨迹草图
  • 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:令特征方程重根条件成立解出坐标
  • 中间结果:淘汰不在根轨迹上的增根
  • 卡点:含复零点时求导方程次数高,需逐根验证
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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求复数零点的入射角或复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:按相角条件累加其余零极点相角后取补角
  • 中间结果:入射角与出射角的相角条件互为反向
  • 卡点:累加时不把待求极点或零点自身的相角算进去
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 出射角是根轨迹离开开环极点的方向
  • 入射角是根轨迹进入开环零点的方向
  • 计算时需代入相角条件并逐项累加各零极点贡献的相角
  • 共轭复数极点的出射角互为相反数
步骤
  • 取待求极点(或零点)为参考点
  • 写出相角条件并代入该点
  • 把其余零极点的相角移到等式右边累加
  • 求反正切得到出射角或入射角
通用考法
  • 本卷考过求复数零点的入射角或复数极点的出射角
  • 求复数极点的出射角
  • 根据出射角画出根轨迹起始方向
  • 由入射角确定根轨迹终止方向
常见易错
  • 累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 忘记判断象限导致角度差 180°
公式
本卷考法
  • 由根轨迹与虚轴交点确定临界增益与稳定域
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:解出交点频率与临界增益后结合走向定稳定区间
  • 卡点:稳定域下界由另一个实轴交点增益决定、别只取上界
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
  • 本卷考过由根轨迹与虚轴交点确定临界增益与稳定域
  • 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、由对数幅频特性反求开环传函(14分)14 分#

思路
  • 由最小相位系统的对数幅频特性各频段斜率与转折频率识别环节,由截止频率处幅值为零分贝定增益。
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:用截止频率处幅值等于 1 的条件列方程定增益
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:转折频率与高度写在图里
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
本卷考法
  • 由典型环节的对数频率特性识别环节类型
本卷实例
  • 关键一步:比较相邻频段斜率变化量确定环节增减
  • 中间结果:低频段斜率决定积分环节个数
  • 卡点:把惯性环节高频渐近线斜率写错会改变型别判断
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
  • 本卷考过由典型环节的对数频率特性识别环节类型
  • 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

5五、串联校正设计与验证(22分)22 分#

思路
  • 先由速度误差系数要求串联比例环节定增益并检验相角裕度,不满足时再串联滞后网络,最后校验截止频率与裕度。
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 在比例校正基础上设计串联滞后校正装置
本卷实例
  • 关键一步:先按误差系数要求定比例增益,再选新截止频率
  • 中间结果:滞后网络分度系数小于 1,两个转折频率均低于新截止频率
  • 卡点:转折频率取得接近截止频率会抵消相角改善
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过在比例校正基础上设计串联滞后校正装置
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正前后系统的截止频率与相角裕度并验证
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:校正后相角裕度应大于给定要求
  • 卡点:校正后截止频率会下移,需用新频率重算裕度
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
  • 本卷考过求校正前后系统的截止频率与相角裕度并验证
  • 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
  • 由静态速度误差系数要求确定开环增益
本卷实例
  • 关键一步:对 1 型系统取 s 乘开环传函在零处的极限
  • 中间结果:速度误差系数等于开环增益
  • 卡点:比例校正改变增益同时会降低相角裕度
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
  • 本卷考过由静态速度误差系数要求确定开环增益
  • 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、采样系统闭环脉冲传递函数(15分)15 分#

思路
  • 由采样系统结构求开环脉冲传递函数并计入零阶保持器,再由开环脉冲传函写出闭环脉冲传递函数。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样系统结构求闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先确定采样开关位置,再对连续部分分段做 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函含零阶保持器的 z 变换因子
  • 卡点:需回原卷核对图
  • 卡点:采样开关与环节位置写在图里
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

7七、相平面奇点位置与类型(10分)10 分#

思路
  • 把二阶非线性方程化为两个一阶方程,令导数同时为零求奇点位置,再在奇点附近线性化并由特征根判断类型。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 求非线性系统奇点位置并判别奇点类型
本卷实例
  • 关键一步:令两个状态导数同时为零求奇点再在奇点处线性化
  • 中间结果:线性化特征根为共轭纯虚根时奇点为中心点
  • 卡点:相轨迹斜率公式的分子分母不要写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过求非线性系统奇点位置并判别奇点类型
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 说明非线性系统奇点类型与稳定性的关系
本卷实例
  • 关键一步:由线性化特征根的实部符号判断稳定性与类型
  • 中间结果:纯虚根对应中心点、属李雅普诺夫稳定但非渐近稳定
  • 卡点:中心点的稳定性不能只凭线性化结论断定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 不满足叠加原理,输出与初始条件、输入幅值都有关
  • 可能出现自持振荡即极限环
  • 响应可能对初始条件敏感,出现跳跃谐振
  • 线性系统的稳定性概念需要推广为局部稳定性
步骤
  • 确认系统含明显非线性环节
  • 判断该非线性是本质非线性还是可线性化的弱非线性
  • 按非线性分析方法选择描述函数法或相平面法
通用考法
  • 本卷考过说明非线性系统奇点类型与稳定性的关系
  • 说明非线性系统与线性系统的本质差别
  • 指出同步振荡、跳跃谐振等特有现象
  • 判断某系统应选用哪种分析方法
常见易错
  • 把非线性环节线性化后直接沿用线性理论的全部结论
  • 认为非线性系统一定不稳定

8八、状态方程的解#

思路
  • 由状态方程求状态转移矩阵,再按自由运动加卷积的形式写出给定初值与单位阶跃输入下的状态解。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态方程求状态转移矩阵并写出状态解
本卷实例
  • 关键一步:先求 sI 减 A 的逆再取拉氏反变换得转移矩阵
  • 中间结果:状态解为转移矩阵乘初值加卷积积分项
  • 卡点:本题题头含分值在源文 OCR 中缺失
  • 卡点:卷积变量替换时上下限与被积时间要对齐
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
  • 本卷考过由状态方程求状态转移矩阵并写出状态解
  • 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、克拉索夫斯基方法分析渐近稳定性(10分)10 分#

思路
  • 由系统方程写雅可比矩阵,取对称正定的常值矩阵构造克拉索夫斯基矩阵,由该矩阵正定与径向无界判断大范围渐近稳定。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用克拉索夫斯基方法分析非线性系统平衡态稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先写雅可比矩阵,再构造对称形式的克拉索夫斯基矩阵
  • 中间结果:克拉索夫斯基矩阵正定且能量函数径向无界则大范围渐近稳定
  • 卡点:雅可比矩阵的负号与矩阵构造顺序容易写错
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
  • 本卷考过用克拉索夫斯基方法分析非线性系统平衡态稳定性
  • 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

10十、状态空间稳定性、能控能观与极点配置(22分)22 分#

思路
  • 由状态矩阵特征值判断稳定性,构造能控性与能观性判别矩阵判断能控能观,再据此讨论反馈极点配置的可行性。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统稳定性、能控性与能观性并讨论极点配置
本卷实例
  • 关键一步:由特征值判稳,再分别构造能控性与能观性判别矩阵
  • 中间结果:不完全能控且不能控极点非期望极点时不能任意配置
  • 卡点:能控性矩阵按列堆叠、能观性矩阵按行堆叠
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
  • 本卷考过判断系统稳定性、能控性与能观性并讨论极点配置
  • 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
  • 尝试设计状态反馈矩阵使闭环极点位于指定位置
本卷实例
  • 关键一步:先验证能控性再比较期望与反馈后特征多项式
  • 中间结果:不完全能控时需先判断期望极点是否落在能控子空间
  • 卡点:不可配置时不能硬解方程组,应说明原因
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
  • 本卷考过尝试设计状态反馈矩阵使闭环极点位于指定位置
  • 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