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哈尔滨工程大学 808 自动控制理论(含现控) 2016 年真题思维导图

211 院校共 11 题

难度:中等偏难 全卷正文一~十一共 11 题。覆盖两输入两输出系统梅森公式、由阶跃响应曲线反求开环传函、误差为零设计与正弦稳态误差、参量根轨迹与临界增益、奈奎斯特判据求临界开环增益、滞后-超前校正设计、相平面分析与微分反馈作用、无纹波最少拍数字控制器、结构图状态空间与稳定性、能控性结构分解与镇定、全维状态观测器设计。第 1、2、3、4、6、7、9、11 题题面含原卷插图。

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1一、两相互联系系统求输出15 分#

思路
  • 由结构图分别写出两输入两输出系统的信号流图,按梅森公式求四个通道的传递函数,再由线性叠加写出各输出的完整表达式。
本卷考法
  • 对两输入两输出系统分别求各输入到各输出的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按输入输出对找出全部前向通路
  • 中间结果:各通道共用同一特征式
  • 卡点:互不接触回路对余子式的影响需逐通道判断
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
  • 本卷考过对两输入两输出系统分别求各输入到各输出的传递函数
  • 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
本卷考法
  • 求多输入作用下系统的输出并验证叠加原理的适用条件
本卷实例
  • 关键一步:把一个输入置零后单独求该通道输出
  • 中间结果:总输出为各输入通道输出之和
  • 卡点:叠加前须确认系统为线性系统
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 线性系统可用叠加原理,每次只保留一个输入
  • 求扰动的传递函数时令参考输入为零
  • 扰动误差与输入误差分别计算后再叠加
步骤
  • 令 R(s)=0,求扰动到输出的传递函数
  • 令 N(s)=0,求输入到输出的传递函数
  • 按题目要求叠加或单独分析
通用考法
  • 本卷考过求多输入作用下系统的输出并验证叠加原理的适用条件
  • 求扰动引起的输出或误差
  • 分析满足扰动不变性的补偿条件
常见易错
  • 两个输入同时存在时直接叠加却未验证系统的线性性
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式

2二、由阶跃响应曲线反求开环传函15 分#

思路
  • 由响应曲线读取稳态值、峰值时间与超调量,先定闭环增益再反解阻尼比与自然频率,最后用负反馈关系求开环传函。
本卷考法
  • 由单位阶跃响应曲线的稳态值与峰值反求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先由稳态值确定闭环传函的直流增益
  • 中间结果:由超调量与峰值时间联立求阻尼比与自然频率
  • 卡点:开环传函由闭环传函除以一减闭环传函得到
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的稳态值与峰值反求系统传递函数
  • 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
  • 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
  • 由超调量与峰值时间反解阻尼比和自然频率
本卷实例
  • 关键一步:套用二阶欠阻尼超调量公式
  • 中间结果:峰值时间与阻尼自然频率成反比
  • 卡点:读曲线时峰值与稳态值须先扣除起始偏置
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反解阻尼比和自然频率
  • 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
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
  • 把闭环传函化为标准二阶形式读取特征参数
本卷实例
  • 关键一步:将闭环传函分母配成标准二阶三项式
  • 中间结果:自然频率等于常数项开平方
  • 卡点:分子增益不等于一,须单独提取
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
  • 本卷考过把闭环传函化为标准二阶形式读取特征参数
  • 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

3三、误差为零设计与正弦稳态误差15 分#

思路
  • 分别令参考输入与扰动单独作用求误差传函,令两者稳态误差之和为零解出补偿参数;再代入给定参数求正弦输入下的稳态误差。
本卷考法
  • 分别写出参考输入与扰动作用下的误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先按结构图分清给定误差与被控量误差
  • 中间结果:扰动误差传函须把参考输入置零后求
  • 卡点:两种误差定义混用会差一个反馈通道
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
  • 本卷考过分别写出参考输入与扰动作用下的误差传递函数
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由扰动误差与给定误差之和为零设计补偿参数
本卷实例
  • 关键一步:分别对两个误差传函用终值定理
  • 中间结果:稳态误差和为零给出补偿参数的方程
  • 卡点:扰动为斜坡延迟形式时需先做时移
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过由扰动误差与给定误差之和为零设计补偿参数
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式
本卷考法
  • 求正弦输入下的稳态误差幅值与相位
本卷实例
  • 关键一步:用频率特性直接代正弦频率求误差相量
  • 中间结果:稳态误差为同频正弦量
  • 卡点:正弦输入下误差不趋于常数而是同频振荡
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
  • 本卷考过求正弦输入下的稳态误差幅值与相位
  • 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

4四、参量根轨迹与临界增益15 分#

思路
  • 把开环传函中变化的参数提到根轨迹增益位置,以参数为变量按广义根轨迹法则绘制;再由虚轴交点求临界值并讨论参数对稳定性的影响。
本卷考法
  • 以开环零点位置参数为变量绘制参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成以参数为增益的等效开环形式
  • 中间结果:等效开环极点为原系统的非参变量部分
  • 卡点:参数出现在分子还是分母决定轨迹方向
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
  • 本卷考过以开环零点位置参数为变量绘制参数根轨迹
  • 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
  • 由根轨迹与虚轴交点求参数临界值
本卷实例
  • 关键一步:令特征方程含纯虚根后分离实虚部
  • 中间结果:实虚部同时为零给出频率与参数
  • 卡点:虚轴交点处须判轨迹穿越方向
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求参数临界值
  • 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
本卷考法
  • 讨论开环零点位置参数变化对系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较不同参数下根轨迹是否全部落在左半平面
  • 中间结果:零点位置变化会改变渐近线与分离点
  • 卡点:闭环稳定性须整体看轨迹而非只看分离点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过讨论开环零点位置参数变化对系统稳定性的影响
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反

5五、奈奎斯特判据求临界增益10 分#

思路
  • 画三个相同惯性环节串联的幅相曲线,由奈奎斯特判据在曲线过负实轴处取临界条件求增益;再比较时间常数改变后曲线与临界点的关系。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据求三个惯性环节串联的临界开环增益
本卷实例
  • 关键一步:求幅相曲线与负实轴交点及其幅值
  • 中间结果:临界增益使交点幅值等于一
  • 卡点:开环无右半平面极点时包围圈数须为零
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求三个惯性环节串联的临界开环增益
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 比较惯性环节时间常数改变时临界增益的变化
本卷实例
  • 关键一步:写出改变后各环节转折频率的乘积关系
  • 中间结果:负实轴交点幅值随转折频率重分配变化
  • 卡点:时间常数比例不同会增强或削弱稳定裕度
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
  • 本卷考过比较惯性环节时间常数改变时临界增益的变化
  • 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

6六、滞后-超前校正设计10 分#

思路
  • 先由速度误差系数要求满足低频增益,再按截止频率与相角裕度要求分别设计超前部分与滞后部分,最后校核全部指标。
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计滞后-超前校正装置同时满足稳态精度与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由稳态误差指标定低频段增益
  • 中间结果:超前部分提高截止频率附近相角,滞后部分保留低频增益
  • 卡点:两部分转折频率若重叠会互相削弱
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 兼顾稳态精度与动态性能,适合指标要求较高的场合
  • 低频段用滞后部分提高增益,中高频段用超前部分提高裕度
  • 设计时先确定超前部分,再确定滞后部分
步骤
  • 按稳态精度要求确定开环增益
  • 选择新的截止频率并计算超前部分参数
  • 计算为把低频增益抬到要求值所需的滞后部分参数
  • 合并写出校正装置并校验
通用考法
  • 本卷考过设计滞后-超前校正装置同时满足稳态精度与相角裕度
  • 设计滞后-超前校正装置
  • 说明为何单一校正无法满足指标
  • 分析校正后系统的低频与高频特性
常见易错
  • 先设计滞后部分导致截止频率反复调整
  • 两部分的转折频率分布重叠,互相削弱
公式
本卷考法
  • 把速度误差系数与相角裕度指标折算为校正设计要求
本卷实例
  • 关键一步:计算未校正系统的截止频率与相角裕度
  • 中间结果:由指标缺口确定所需补偿相角
  • 卡点:截止频率与相角穿越频率容易混用
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
  • 本卷考过把速度误差系数与相角裕度指标折算为校正设计要求
  • 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
本卷考法
  • 由速度误差系数确定校正后低频段开环增益
本卷实例
  • 关键一步:令低频幅频延长线满足速度误差系数
  • 中间结果:校正装置低频增益取一是保留原增益
  • 卡点:滞后校正低频衰减会改变原误差系数
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
  • 本卷考过由速度误差系数确定校正后低频段开环增益
  • 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

7七、相平面分析与微分反馈作用10 分#

思路
  • 在无微分反馈时由继电特性分段写误差方程并画相轨迹;加入微分反馈后写出开关线方程,分析反馈强弱对轨迹收敛与振荡的影响。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 由继电特性分段列写相轨迹方程并画给定初值的轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按误差符号把系统分为两个线性区域
  • 中间结果:各区相轨迹为等半径圆弧
  • 卡点:初始条件所在区域决定轨迹走向
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
  • 本卷考过由继电特性分段列写相轨迹方程并画给定初值的轨迹
  • 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
本卷考法
  • 分析微分反馈环节对相轨迹收敛性的改善作用
本卷实例
  • 关键一步:写出含微分项的开关线方程
  • 中间结果:开关线偏移方向决定轨迹半径增大或减小
  • 卡点:微分作用过强会引入高频振荡
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过分析微分反馈环节对相轨迹收敛性的改善作用
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振

8八、无纹波最少拍控制器#

思路
  • 由零阶保持器与连续对象求开环脉冲传函,按单位阶跃输入设闭环传函与误差传函,令控制器输出有限拍结束即得无纹波设计。
本卷考法
  • 设计无纹波最少拍数字控制器并说明其含义
本卷实例
  • 关键一步:按输入类型取误差传函为一减z逆
  • 中间结果:无纹波要求控制器输出在有限拍内结束
  • 卡点:须同时校验误差与控制器输出两个序列
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最少拍系统指在典型输入下经过有限拍达到无稳态误差
  • 设计需要满足可实现性与稳定性约束
  • 最少拍系统的闭环脉冲传递函数由输入类型确定
  • 最少拍设计通常导致很大的控制量,需加限制
步骤
  • 确定输入类型及对应的误差传函形式
  • 按无稳态误差要求构造闭环脉冲传递函数
  • 由 D(z)=Φ(z)/[G(z)(1-Φ(z))] 求数字控制器
  • 检验可实现性、稳定性与控制量大小
通用考法
  • 本卷考过设计无纹波最少拍数字控制器并说明其含义
  • 设计最少拍数字控制器
  • 比较不同输入类型下的最少拍数
  • 分析最少拍系统存在的问题
常见易错
  • 忽略 D(z) 必须是物理可实现的因果系统
  • 闭环传函构造时未满足稳定性约束条件
公式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续对象与零阶保持器求开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先做部分分式再查z变换表
  • 中间结果:零阶保持器引入一减z逆因子
  • 卡点:采样周期与时间常数的指数关系易写错
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
  • 本卷考过由连续对象与零阶保持器求开环脉冲传递函数
  • 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

9九、结构图状态空间与稳定性15 分#

思路
  • 按结构图选定状态变量并列写一阶微分方程组,得到状态空间描述;再由特征值判断渐近稳定,由传递函数零极点对消判断BIBO稳定。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由结构图选取状态变量建立状态空间描述
本卷实例
  • 关键一步:按积分器输出取状态变量并列写节点方程
  • 中间结果:输出方程由状态变量与输入组合得到
  • 卡点:结构图含局部反馈,状态变量选取要一致
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
  • 本卷考过由结构图选取状态变量建立状态空间描述
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间描述求传递函数并判断BIBO稳定
本卷实例
  • 关键一步:用特征多项式与伴随矩阵求传递函数
  • 中间结果:不稳定极点若与零点对消才可能BIBO稳定
  • 卡点:渐近稳定必BIBO稳定,反之不成立
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由状态空间求传递函数为 C(sI-A)^{-1}B+D
  • 传递函数只反映能控能观子系统,含零极点对消
  • 系统的特征值等于传递函数的极点
  • 同一传递函数对应的状态空间实现不唯一
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 按公式求 G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D
  • 与已知传递函数比对,判断是否发生零极点对消
通用考法
  • 本卷考过由状态空间描述求传递函数并判断BIBO稳定
  • 由状态空间表达式求传递函数
  • 判断状态空间实现是否存在零极点对消
  • 比较不同实现对应的传递函数是否相同
常见易错
  • 漏掉直接传递项 D
  • 把特征值个数与传递函数极点数直接等同而不检查对消
公式
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态矩阵特征值判断系统渐近稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵特征方程的根
  • 中间结果:全部特征值实部为负则渐近稳定
  • 卡点:实部为零的极点需单独讨论
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
  • 本卷考过由状态矩阵特征值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
  • 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、能控性、结构分解与镇定#

思路
  • 构造能控判别阵判秩;可准则转能控规范型,不可准则按能控性分解;再看不稳定子空间是否可控判断能否状态反馈镇定。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用能控判别阵判断多输入系统完全能控性
本卷实例
  • 关键一步:按输入通道展开能控判别阵
  • 中间结果:判别阵秩小于状态维数即不可控
  • 卡点:多输入时列数虽多但秩可能不足
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
  • 本卷考过用能控判别阵判断多输入系统完全能控性
  • 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
本卷考法
  • 通过非奇异变换把能控部分化为能控规范型
本卷实例
  • 关键一步:选取由能控判别阵线性无关列组成的变换阵
  • 中间结果:变换后状态方程划分为能控与不能控两块
  • 卡点:变换矩阵选取不唯一但须保证可逆
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
  • 本卷考过通过非奇异变换把能控部分化为能控规范型
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断不可控不稳定模态能否通过状态反馈镇定
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈只能改变能控子空间的极点
  • 中间结果:不能控子空间含正实部极点则不可镇定
  • 卡点:判可镇定前先做能控性结构分解
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
  • 本卷考过判断不可控不稳定模态能否通过状态反馈镇定
  • 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

11十一、全维状态观测器设计15 分#

思路
  • 先判系统能观,再按期望观测器极点列写观测器特征多项式,与含增益的表达式比较系数求反馈矩阵,最后写出观测器状态方程。
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 把全维状态观测器极点全部配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:写出含观测器增益的观测器特征多项式
  • 中间结果:期望极点多项式与特征多项式系数对应相等
  • 卡点:观测器增益通过输出误差反馈加入
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态观测器用输出与输入重构状态,前提是系统能观
  • 极点配置法与龙伯格观测器是两种常用形式
  • 观测器误差动态由 A-LC 的特征值决定
  • 观测器极点通常取得比系统极点快若干倍
步骤
  • 验证系统能观性
  • 写出观测器方程并求误差动态矩阵
  • 按期望特征多项式比较系数求出 L
  • 校验观测器收敛速度是否合适
通用考法
  • 本卷考过把全维状态观测器极点全部配置到指定位置
  • 设计全维状态观测器
  • 由期望观测器极点求反馈增益阵 L
  • 分析观测器与状态反馈组合后的系统极点
常见易错
  • 把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 忽略观测器极点过快会放大噪声
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 用极点配置思想求观测器反馈矩阵
本卷实例
  • 关键一步:由对偶系统把观测器设计化为状态反馈问题
  • 中间结果:对偶系统能控等价于原系统能观
  • 卡点:增益矩阵方向与维度不可写反
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
  • 本卷考过用极点配置思想求观测器反馈矩阵
  • 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