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哈尔滨工程大学 808 自动控制理论(含现控) 2018 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。覆盖结构图求闭环与误差传函、由阶跃响应与静态误差反求参数、扰动稳态误差与误差为零补偿、参数根轨迹与有阻尼振荡范围、奈氏判据与特征根区域约束、根轨迹过点定控制器参数与主导极点、相平面法分析继电非线性系统、采样系统稳态误差与稳定性、组合系统对角标准型与BIBO稳定、状态转移矩阵反求A与输出响应、状态反馈闭环传函与能控能观。第1~9、11题题面含原卷插图。

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1一、结构图求闭环与误差传函#

思路
  • 由结构图改画信号流图,列全部回路与互不接触回路写特征式,用梅森公式分别求闭环传函 C(s)/R(s) 与误差传函 E(s)/R(s)。
本卷考法
  • 由信号流图列全部回路并用梅森公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先找出全部回路并标出互不接触回路对
  • 中间结果:闭环传函与误差传函共用同一特征式
  • 卡点:求误差传函时前向通路与余子式需重列
  • 卡点: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
  • 本卷考过由信号流图列全部回路并用梅森公式求闭环传函
  • 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
  • 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
  • 按输出端误差定义写出误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:误差取参考输入 R 与输出 C 之差
  • 中间结果:误差通道含负号增益,由两条前向通路叠加
  • 卡点:输入端与输出端定义误差结果相差一个环节
  • 卡点: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
  • 本卷考过按输出端误差定义写出误差传递函数
  • 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

2二、由阶跃响应与静态误差反求参数#

思路
  • 设含积分环节的开环通用形式,由终值定理求闭环稳态值定增益,再由初值定理与阶跃响应初始斜率联立求型别与时间常数。
本卷考法
  • 由单位阶跃响应曲线反求开环传函与类型参数
本卷实例
  • 关键一步:先设含积分环节的开环通用形式再比对响应
  • 中间结果:闭环稳态值与初始斜率各自给出一个约束
  • 卡点:型别不同会使初始斜率约束形式不同
  • 卡点:需回原卷核对图
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开环传函与类型参数
  • 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
本卷考法
  • 由静态位置误差为零判断开环积分环节个数
本卷实例
  • 关键一步:位置误差为零说明开环至少含一个积分环节
  • 中间结果:系统型别与开环积分环节数保持一致
  • 卡点:型别判读需与开环积分环节数逐一核对
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由静态位置误差为零判断开环积分环节个数
  • 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
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
  • 把闭环传函化为二阶标准形式读取特征参数
本卷实例
  • 关键一步:化标准形式前先把 s 平方项系数归一
  • 中间结果:阻尼比与自然频率由分母系数直接读出
  • 卡点:开环增益并不等于闭环传函的系数
  • 卡点: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
  • 本卷考过把闭环传函化为二阶标准形式读取特征参数
  • 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、扰动稳态误差与误差为零补偿#

思路
  • 先用梅森公式写扰动误差传函并判断系统稳定,再由终值定理求斜坡扰动引起的稳态误差;最后按输出端误差为零的条件反求补偿系数。
本卷考法
  • 求斜坡扰动作用下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:求扰动误差时必须把参考输入置零
  • 中间结果:扰动误差传函的分母即系统特征式
  • 卡点:未判稳直接套终值定理会使结论失效
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求斜坡扰动作用下的稳态误差
  • 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
  • 设计补偿器使斜坡输入下稳态误差为零
本卷实例
  • 关键一步:令误差传函分子在 s 趋于零时为零
  • 中间结果:补偿系数由误差传函分子的常数项平衡确定
  • 卡点:补偿后仍要重新检查闭环稳定性
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过设计补偿器使斜坡输入下稳态误差为零
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式

4四、参数根轨迹与有阻尼振荡范围#

思路
  • 由结构图写开环传函并按参数根轨迹法则画 k1 的轨迹,用分离点方程定分离与会合点,再由阻尼比约束给出有阻尼振荡的参数范围,最后按抛物线输入求稳态误差。
本卷考法
  • 以 k1 为参变量绘制参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先把含参项提到分子成标准根轨迹形式
  • 中间结果:开环含两个积分环节与一个开环零点
  • 卡点:参数未完整提到分子会使轨迹形状判错
  • 卡点:需回原卷核对图
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 k1 为参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
  • 由分离点与阻尼条件确定有阻尼振荡范围
本卷实例
  • 关键一步:分离点处二阶特征根相等对应临界情况
  • 中间结果:实轴上的轨迹段位于两相邻开环极点之间
  • 卡点:分离点方程的解需筛掉不在轨迹上的根
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由分离点与阻尼条件确定有阻尼振荡范围
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由静态加速度误差系数求抛物线输入稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先由 k1 定开环增益再求加速度误差系数
  • 中间结果:误差系数由开环传递函数的低频增益给出
  • 卡点:误用速度误差公式会得到错误量纲
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由静态加速度误差系数求抛物线输入稳态误差
  • 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

5五、奈氏判据与特征根区域约束#

思路
  • 由开环频率特性求相位穿越频率,按奈氏判据由幅值条件定临界增益;再把虚轴平移化为新开环,用同一判据定闭环极点位于指定直线左侧的增益范围。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环幅相曲线与奈氏判据定稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数
  • 中间结果:相位穿越频率处幅值为一对应临界增益
  • 卡点:开环无积分环节故无需补画无穷大圆弧
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
  • 本卷考过由开环幅相曲线与奈氏判据定稳定增益范围
  • 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
  • 用坐标平移把特征根区域约束化为增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成新变量使指定直线变为虚轴
  • 中间结果:平移后频率特性对应新开环的相位条件
  • 卡点:平移后增益与相角的对应关系需重算
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
  • 本卷考过用坐标平移把特征根区域约束化为增益范围
  • 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

6六、根轨迹过点定控制器参数与主导极点#

思路
  • 由结构图写含 PI 控制器的开环传函,用幅值条件与相角条件联立求控制器系数使根轨迹经过给定闭环极点,再由根之和求第三个极点判断主导性并分析稳态精度改善。
本卷考法
  • 由根轨迹经过指定闭环极点确定控制器参数
本卷实例
  • 关键一步:指定点在轨迹上须同时满足幅值与相角条件
  • 中间结果:把控制器频率特性分离为相角与幅值方程
  • 卡点:相角未按象限计算会整体差 180 度
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由根轨迹经过指定闭环极点确定控制器参数
  • 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
  • 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
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由根之和求第三闭环极点并判断主导极点
本卷实例
  • 关键一步:用根之和由已知两极点反求第三个实极点
  • 中间结果:第三个极点到虚轴的距离决定能否忽略
  • 卡点:只看距离不看留数会误判主导性
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过由根之和求第三闭环极点并判断主导极点
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式
本卷考法
  • 分析 PI 控制器把 0 型系统变为 I 型的作用
本卷实例
  • 关键一步:积分项提供开环积分环节从而提高系统型别
  • 中间结果:含积分后位置误差由有限值降为零
  • 卡点:积分作用过强会削弱系统稳定裕度
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过分析 PI 控制器把 0 型系统变为 I 型的作用
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式

7七、相平面法分析继电非线性系统#

思路
  • 把系统方程化为误差的相平面方程,按继电特性分区写出各区线性方程,求各区奇点坐标与类型,再按初始点画相轨迹并判断稳定性。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 分段写相平面方程并判断奇点类型与稳定性
本卷实例
  • 关键一步:按继电输出正负把相平面分为两个区
  • 中间结果:各区平衡点由方程右端常数项平移确定
  • 卡点:相轨迹斜率公式的分子分母易写反
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过分段写相平面方程并判断奇点类型与稳定性
  • 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

8八、采样系统稳态误差与稳定性#

思路
  • 由连续部分脉冲传函与稳态误差要求确定采样周期,再列闭环特征方程用稳定条件判稳,最后用长除法取采样输出前两项。
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散系统斜坡稳态误差反求采样周期
本卷实例
  • 关键一步:先求开环脉冲传函的速度误差系数
  • 中间结果:离散速度误差系数由 z 趋于一的极限给出
  • 卡点:离散误差系数不能直接套 s 域公式
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过由离散系统斜坡稳态误差反求采样周期
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
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:特征根模值均小于一系统才稳定
  • 中间结果:二阶特征方程两根可由求根公式写出
  • 卡点:稳定条件是模小于一而非实部小于零
  • 卡点:需回原卷核对图
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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用长除法把闭环输出展成采样序列前两项
本卷实例
  • 关键一步:先写出闭环脉冲传函与阶跃输入之积
  • 中间结果:按 z 的负幂次长除得到输出序列系数
  • 卡点:部分分式分解漏项会使序列错位
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过用长除法把闭环输出展成采样序列前两项
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式

9九、组合系统对角标准型与BIBO稳定#

思路
  • 按两子系统的连接关系写互联状态方程并化为对角标准型,再由状态矩阵特征值判断渐近稳定与BIBO稳定。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由两子系统连接关系建立状态空间描述
本卷实例
  • 关键一步:先写各子系统状态方程再消去内部变量
  • 中间结果:反馈连接后组合 A 矩阵含子系统的 C 与 B
  • 卡点:状态变量个数应为两子系统阶数之和
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由两子系统连接关系建立状态空间描述
  • 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
  • 由状态矩阵特征值判断组合系统BIBO稳定
本卷实例
  • 关键一步:特征值全在左半平面系统才渐近稳定
  • 中间结果:组合传函的分母即状态矩阵特征多项式
  • 卡点:渐近稳定与BIBO稳定并非等价条件
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由状态矩阵特征值判断组合系统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

10十、状态转移矩阵反求A与输出响应#

思路
  • 第一问由转移矩阵在时间零点的导数求系统矩阵 A;第二问由 A、B、C 与初始条件、冲激输入,用状态转移矩阵求状态与输出响应。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由转移矩阵反求系统矩阵并求冲激响应
本卷实例
  • 关键一步:转移矩阵对时间求导后取时间零点即得 A
  • 中间结果:零初值下状态响应为转移矩阵与 B 的乘积
  • 卡点:矩阵求逆前需确认行列式不为零
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
  • 本卷考过由转移矩阵反求系统矩阵并求冲激响应
  • 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
  • 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

11十一、状态反馈闭环传函与能控能观#

思路
  • 把状态反馈律代入原状态方程得闭环状态空间,由能控标准型直接写闭环传函,再分别构造能控与能观判别阵用秩判断性质。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 代入状态反馈律求闭环系统状态空间描述
本卷实例
  • 关键一步:把反馈律代入原状态方程整理闭环 A 矩阵
  • 中间结果:闭环特征多项式由 A 减 B 乘 k 给出
  • 卡点:反馈增益符号写反会改变闭环特征根
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过代入状态反馈律求闭环系统状态空间描述
  • 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
本卷考法
  • 由闭环状态空间描述直接写出闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈不改变系统传递函数的零点
  • 中间结果:能控标准型下传函分母系数与 A 末行对应
  • 卡点:漏掉直接传递项会使传函分子少一项
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由闭环状态空间描述直接写出闭环传递函数
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能控与能观判别阵并用秩判断性质
本卷实例
  • 关键一步:能控阵按列拼 B 与各次 A 乘 B
  • 中间结果:能控标准型本身已保证系统完全能控
  • 卡点:能观阵按行拼 C 与 C 乘 A 不可记反
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过构造能控与能观判别阵并用秩判断性质
  • 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