【复试】2025年 河海大学085400电子信息《复试006005控制工程综合之现代.docx
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【复试】2025年河海大学085400电子信息《复试006005控制工程综合之现代
第一章控制工程基础理论
(1)控制工程基础理论是研究如何使系统按照预定目标和要求进行工作的学科。它涉及系统的动态特性、稳定性、鲁棒性以及控制策略的设计与实现。控制理论的发展经历了从经典控制理论到现代控制理论的过程，其中经典控制理论主要研究线性系统，而现代控制理论则涵盖了非线性系统、时变系统以及多变量系统等复杂情况。控制工程基础理论的核心内容包括系统的数学建模、稳定性分析、控制器设计以及系统仿真等。
(2)系统的数学建模是控制工程的基础，它通过对系统进行数学描述，为后续的分析与设计提供依据。常见的数学建模方法有传递函数法、状态空间法以及离散时间系统建模等。传递函数法通过系统的输入输出关系来描述系统，适用于线性时不变系统；状态空间法则通过系统的状态变量来描述系统，适用于线性时变系统以及非线性系统。在建模过程中，需要考虑系统的物理特性、数学特性以及工程需求等因素。
(3)稳定性分析是控制工程中的重要内容，它研究系统在受到扰动后能否恢复到稳定状态的能力。稳定性分析主要包括李雅普诺夫稳定性理论、根轨迹法、频率响应法等。李雅普诺夫稳定性理论通过分析系统的能量函数来研究系统的稳定性，适用于各种类型的系统；根轨迹法则通过绘制系统特征根随控制器参数变化而变化的情况来研究系统的稳定性，适用于线性系统；频率响应法则通过分析系统对正弦信号的响应来研究系统的稳定性，适用于线性时不变系统。通过对系统稳定性的分析，可以为控制器的设计提供理论依据，确保系统在实际运行中能够稳定工作。
第二章线性系统分析与设计
(1)线性系统分析与设计是控制工程的核心内容之一，主要针对线性时不变系统进行研究。线性系统具有叠加原理和齐次性，这使得控制设计更为简单和直观。在分析线性系统时，我们通常使用状态空间法，将系统表示为矩阵形式。例如，一个典型的二阶线性系统可以用以下状态空间方程表示：
\[\begin{bmatrix}\dot{x}_1\\\dot{x}_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}a_{11}a_{12}\\a_{21}a_{22}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}b_{11}\\b_{12}\end{bmatrix}u\]
\[y=\begin{bmatrix}c_{11}c_{12}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix}+du\]
其中，\(x_1,x_2\)是状态变量，\(u\)是输入，\(y\)是输出。在实际应用中，例如，一个直流电动机的转速控制系统，可以通过这种状态空间方程来建模。通过分析系统的特征值和特征向量，可以确定系统的稳定性。
(2)线性系统设计主要包括控制器设计和观测器设计。控制器设计旨在使得系统输出能够跟踪给定的参考信号，而观测器设计则用于估计系统内部状态。PID控制器是线性系统设计中常用的控制器之一，它通过调整比例（P）、积分（I）和微分（D）三个参数来控制系统的响应。例如，在飞行控制系统中，PID控制器可以用来调节飞机的俯仰角，以确保飞机按照期望的轨迹飞行。
在实际应用中，PID控制器的设计需要根据系统的动态特性和性能要求进行调整。例如，对于具有快速响应和较小超调的控制系统，可以采用以下PID参数：
\[K_p=1.2,K_i=0.1,K_d=0.02\]
这些参数可以通过试凑法、Ziegler-Nichols方法或现代控制理论中的最优控制方法来获得。
(3)在线性系统设计中，状态反馈控制器和观测器是常用的设计方法。状态反馈控制器通过将系统状态信息反馈到控制器输入端，以调节系统的输入信号，从而改善系统的性能。例如，对于具有不确定性或外部扰动的系统，状态反馈控制器可以有效地提高系统的鲁棒性。
观测器的设计旨在估计系统内部状态，以便于控制器的设计和实现。例如，卡尔曼滤波器是一种常用的线性观测器，它通过最小化估计误差的协方差来估计系统状态。在实际应用中，如导航系统中的姿态估计，卡尔曼滤波器可以提供精确的姿态信息。
通过状态反馈控制器和观测器的结合，可以实现线性系统的最优控制。例如，在汽车防抱死制动系统（ABS）中，结合状态反馈控制器和观测器，可以实现对制动压力的精确控制，提高车辆的制动性能和安全性。
第三章非线性系统分析与设计
(1)非线性系统分析与设计是控制工程中的重要领域，与线性系统相比，非线性系统具有更复杂的动态行为和更丰富的控制挑战。非线性系统通常表现为系统方程的非线性特性，如多项式、指数、对数、三角函数等。这种非线性特性可能导致系统出现混沌