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中国计量大学 801 自动控制原理(含现控) 2019 年真题思维导图

强势双非共 9 题合计 150 分

难度:中等 共9道大题:方框图与梅森公式及误差传函、电子心脏起搏器二阶系统、由阶跃响应反求环节与稳态输出、根轨迹与欠阻尼范围及最小阻尼比、奈氏图与判稳、由Bode图反求传函与裕度、采样系统脉冲传函与稳定范围、直流伺服电机状态空间与变换矩阵、李雅普诺夫判稳与状态反馈极点配置。多题依附原卷插图。

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1信号流图、梅森公式与误差传递函数15 分#

思路
  • 由系统方框图(图1)画信号流图,用梅森公式求闭环传函,再按输入端定义写出误差传递函数
本卷考法
  • 把方框图化为信号流图并用梅森公式求传函
本卷实例
  • 关键一步:先辨认回路与前向通路再列特征式
  • 中间结果:闭环传函等于前向通道增益和比特征式
  • 卡点:回路与前向通路接法需回原卷核对图
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
  • 本卷考过把方框图化为信号流图并用梅森公式求传函
  • 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
  • 本卷考过不接触回路漏数导致特征式出错
  • 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
本卷考法
  • 按输入端定义写误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先明确误差由输入端定义再列化简式
  • 中间结果:误差传函与闭环传函分母相同
  • 卡点:反馈通道传函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
  • 误差有两种定义:输入端 E(s)=R(s)-C(s) 与 E(s)=R(s)-B(s),须看清题意
  • 误差传递函数由结构决定
  • 单位反馈时两种定义等价
步骤
  • 按题意确定误差取在输入端还是反馈端
  • 由结构图写出误差传递函数
  • 乘输入后取 s→0 的极限
通用考法
  • 本卷考过按输入端定义写误差传递函数
  • 写出误差传递函数
  • 说明不同误差定义对结果的影响
常见易错
  • 本卷考过非单位反馈时两种误差定义混用
  • 非单位反馈时两种误差定义混用导致结果差一个 H(s)
  • 忘记先判断系统是否稳定
公式

2电子心脏起搏器系统参数与心率响应15 分#

思路
  • 由心脏起搏器心律控制系统结构图(图2,含纯积分环节)写闭环传函,按二阶标准形式由阻尼比定增益,再算1s时心率与瞬间最大心率
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
  • 由闭环传函对照二阶标准形式求自然频率与阻尼比关系
本卷实例
  • 关键一步:由结构图写出含积分环节的闭环传函
  • 中间结果:二阶标准形式对照后得自然频率与阻尼比表达式
  • 卡点:系统结构由原卷图2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
  • 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对照二阶标准形式求自然频率与阻尼比关系
  • 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
  • 由阻尼比与自然频率求超调量与调节时间并定响应
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比定超调量再叠加稳态值求峰值
  • 中间结果:调节时间与误差带选择有关
  • 卡点:瞬间最大心率对应第一次峰值时刻
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求超调量与调节时间并定响应
  • 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
  • 本卷考过把超调量公式漏乘百分之百
  • 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由阶跃响应求环节传函与稳态输出、调节时间15 分#

思路
  • 由给定的单位阶跃响应拉氏变换反求环节传递函数,再由结构图求闭环传函,算单位阶跃输入下的稳态输出与稳态误差、调节时间
本卷考法
  • 由单位阶跃响应曲线反求环节传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对阶跃响应取拉氏变换并与输入变换相除
  • 中间结果:响应变换式与输入变换式之比即为该环节
  • 卡点:响应表达式由原卷题面给出,需核对
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
  • 本卷考过由单位阶跃响应曲线反求环节传递函数
  • 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
  • 本卷考过未判断系统阶数就直接套二阶公式
  • 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
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环传函求调节时间与稳态值
本卷实例
  • 关键一步:先求闭环传函并确认系统阶数
  • 中间结果:调节时间与时间常数或阻尼乘自然频率成反比
  • 卡点:误差带取值决定调节时间系数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过由闭环传函求调节时间与稳态值
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 本卷考过增益不为1时仍直接读稳态值
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式
本卷考法
  • 求单位阶跃输入下的稳态输出与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理求输出与误差的稳态值
  • 中间结果:稳态误差等于给定与反馈之差
  • 卡点:须先判稳再用终值定理
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下的稳态输出与稳态误差
  • 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
  • 本卷考过输入幅度不为1时漏掉幅度系数
  • 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

4根轨迹绘制与欠阻尼范围、最小阻尼比15 分#

思路
  • 由结构图(图4)写开环传函画以K*为参数的根轨迹,由阻尼比条件求欠阻尼的K*范围,再用几何关系定最小阻尼比
本卷考法
  • 由开环零极点按法则绘制根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标开环零极点与实轴根轨迹段
  • 中间结果:渐近线与分离点由开环零极点定
  • 卡点:零点位置由原卷图4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
  • 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
  • 本卷考过由开环零极点按法则绘制根轨迹
  • 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
  • 本卷考过分离点求解后未筛选落在轨迹上的根
  • 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
  • 由阻尼比条件在根轨迹上定欠阻尼K*范围与最小阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:按等阻尼比射线与根轨迹相交定范围
  • 中间结果:阻尼比与阻尼角互为余弦关系
  • 卡点:切点位置须结合轨迹几何判断
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
  • 本卷考过由阻尼比条件在根轨迹上定欠阻尼K*范围与最小阻尼比
  • 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
  • 本卷考过把等阻尼线画成垂直线
  • 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

5奈氏图绘制与指定K下判稳15 分#

思路
  • 由开环传函写频率特性求与实轴虚轴交点并绘奈氏图,再在指定K下用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
本卷考法
  • 由开环传函求幅相曲线关键点
本卷实例
  • 关键一步:分子分母同乘共轭分出实部与虚部
  • 中间结果:求角频率趋于零与无穷时的幅相
  • 卡点:曲线走向需自画,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由开环传函求幅相曲线关键点
  • 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
  • 本卷考过求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
  • 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
  • 在指定K下由包围情况判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数再定包围圈数
  • 中间结果:右半平面闭环极点数由P减2N给出
  • 卡点:穿越负实轴的位置须由奈氏图确定
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
  • 本卷考过在指定K下由包围情况判断闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过把包围圈数的正负号定义搞反
  • 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

6由Bode图反求传函与截止频率、相角裕量15 分#

思路
  • 由图5转折频率与低频段高度写出开环传函,再由幅值条件求截止频率与相角裕量,最后按新截止频率反求放大倍数
本卷考法
  • 由渐近幅频特性转折点反求开环传函
本卷实例
  • 关键一步:由低频段高度与斜率定增益与积分环节数
  • 中间结果:逐个转折频率对应一阶环节
  • 卡点:转折频率取值需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由渐近幅频特性转折点反求开环传函
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点误当增益值而未折算型别
  • 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
  • 求截止频率与相角裕量
本卷实例
  • 关键一步:先用幅值条件求截止频率再算该点相角
  • 中间结果:相角裕量等于相频在截止频率处加180度
  • 卡点:相角裕量符号与稳定性结论对应
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
  • 本卷考过求截止频率与相角裕量
  • 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
  • 本卷考过把剪切频率与相穿频率用反
  • 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
本卷考法
  • 改变放大倍数后重定截止频率
本卷实例
  • 关键一步:把新截止频率代回幅值条件反解放大倍数
  • 中间结果:放大倍数只平移幅频不改变相频
  • 卡点:须回验新截止频率处相角裕量
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 熟记 lg2≈0.3、lg5≈0.7、20lg2≈6dB
  • 从低频段开始逐段按各环节转折频率改变斜率
  • 低频段斜率由系统型别决定,高度由开环增益决定
  • 每经过一个转折频率斜率就叠加该环节的斜率变化
步骤
  • 把开环传递函数写成典型环节的标准乘积
  • 确定系统型别与开环增益,画出最低频段渐近线
  • 按转折频率从小到大逐段改斜率
  • 逐点叠加得到幅频与相频曲线
通用考法
  • 本卷考过改变放大倍数后重定截止频率
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
  • 计算指定频率处的幅值与相角
  • 由低频段斜率与高度判断型别与增益
常见易错
  • 本卷考过忽略放大倍数改变对各段斜率的整体平移
  • 逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 低频段起始高度没有乘上型别的 -20v dB/dec
公式

7采样系统脉冲传函与稳定K范围20 分#

思路
  • 对含采样开关的系统求开环与闭环脉冲传函,写出z域特征方程并用朱利判据或双线性变换求稳定K范围
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对被控对象部分分式展开后逐项取z变换
  • 中间结果:闭环脉冲传函由开环脉冲传函比值给出
  • 卡点: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
  • 本卷考过把无采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 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z域特征方程求使系统稳定的K范围
本卷实例
  • 关键一步:对特征方程作w变换后用劳斯判据
  • 中间结果:稳定条件化为对K的不等式组
  • 卡点:朱利判据不等式需按阶数完整列出
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z域特征方程求使系统稳定的K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
  • 本卷考过w变换公式记错导致映射关系颠倒
  • 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直流伺服电机状态空间与变换矩阵20 分#

思路
  • 由电枢控制直流伺服电机方程在两组不同状态变量下分别写状态空间表达式,再求两组状态向量之间的线性变换矩阵
直流电机等机电系统 建模与机电系统
本卷考法
  • 由电机微分方程与传函整理机电关系
本卷实例
  • 关键一步:按电枢回路与机械运动分别列方程
  • 中间结果:消去中间变量得输入到转角的方程
  • 卡点:各系数由原卷题面给出,需核对参数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由电枢回路电压方程与转矩平衡方程联立
  • 反电动势与转速成正比,电磁转矩与电枢电流成正比
  • 机电时间常数由电气与机械两方面参数共同决定
步骤
  • 写出电枢回路电压平衡方程
  • 写出转矩平衡方程(含负载与粘性摩擦)
  • 消去电枢电流,得到转速或转角对电压的传递函数
通用考法
  • 本卷考过由电机微分方程与传函整理机电关系
  • 求直流电机转速或位置对电枢电压的传递函数
  • 分析机电时间常数与电气时间常数的数量级关系
常见易错
  • 本卷考过漏掉反电动势与电磁转矩的耦合项
  • 漏掉反电动势与电磁转矩的耦合项
  • 把电气时间常数与机电时间常数混淆
公式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 在两组状态变量下分别建立状态空间表达式并求变换矩阵
本卷实例
  • 关键一步:按给定状态变量把高阶方程降为一阶组
  • 中间结果:两组实现的状态量选取不同
  • 卡点:输出方程须与给定输出量一致
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
  • 本卷考过在两组状态变量下分别建立状态空间表达式并求变换矩阵
  • 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
  • 本卷考过状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 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

9李雅普诺夫判稳与状态反馈极点配置20 分#

思路
  • 由给定状态空间表达式用李雅普诺夫方程判渐近稳定,再由初始条件与单位阶跃输入求状态响应,最后判断能否状态反馈配置极点并解出增益
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫方程判断系统渐近稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取正定Q解李雅普诺夫方程求P
  • 中间结果:由P是否正定判断渐近稳定
  • 卡点:Q的选取影响计算量但不影响结论
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
  • 本卷考过用李雅普诺夫方程判断系统渐近稳定性
  • 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
  • 本卷考过李雅普诺夫方程中P与Q的角色混用
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由初始条件与单位阶跃输入求状态响应
本卷实例
  • 关键一步:用状态转移矩阵写零输入加零状态响应
  • 中间结果:状态响应由转移矩阵与输入卷积给出
  • 卡点:矩阵指数与输入卷积顺序易混
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
  • 本卷考过由初始条件与单位阶跃输入求状态响应
  • 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
  • 本卷考过卷积积分中变量代换写错
  • 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
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配置特征值并求增益
本卷实例
  • 关键一步:先判能控性再比较期望与闭环特征多项式
  • 中间结果:两特征多项式对应系数相等得增益
  • 卡点:目标极点是否可达须先判能控性
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配置特征值并求增益
  • 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
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 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