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哈尔滨工程大学 808 自动控制理论(含现控) 2019 年真题思维导图

211 院校共 12 题

难度:中等偏难 全卷正文一~十二共 12 题,多数题的分值直接印在题头。覆盖复杂信号流图求传函并定稳定条件、由稳态误差为零反求参数、特征根所在区域与阻尼比约束、根轨迹绘制与临界增益、相角裕度最大时的增益、串联超前校正设计、描述函数法与含延迟自振、最小拍数字控制器、能控标准型与最小实现、状态反馈可配置性判断、状态反馈实现期望传函、状态空间稳定性与冲激响应。第1、2、3、7题题面含原卷插图。

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1一、复杂信号流图与稳定条件#

思路
  • 由系统框图改画信号流图,找出全部回路并确认无互不接触回路写特征式,用梅森公式求闭环传函,再由特征方程各项系数同号求 T1、T2 的稳定范围。
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:逐条找遍全部独立回路并注意方向
  • 中间结果:特征式由一减去各回路增益之和构成
  • 卡点:回路重复计数会使特征式多出冗项
  • 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
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由闭环特征方程系数同号求两参数的稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:二次特征方程各项系数须同号系统才稳定
  • 中间结果:稳定条件化为关于 T1、T2 的两个不等式
  • 卡点:常数项为负时判据方向要相应变号
  • 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
  • 本卷考过由闭环特征方程系数同号求两参数的稳定范围
  • 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

2二、由稳态误差为零反求参数15 分#

思路
  • 由结构图写闭环传函与误差传函,先判断闭环稳定,再用终值定理让斜坡输入下误差为零,反求参数 b。
本卷考法
  • 由斜坡输入下稳态误差为零反求待定参数
本卷实例
  • 关键一步:先由误差传函写出含参数的稳态误差表达式
  • 中间结果:误差为零要求误差传函分子的一次项系数为零
  • 卡点:未判稳直接套终值定理结论不可靠
  • 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
  • 本卷考过由斜坡输入下稳态误差为零反求待定参数
  • 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
本卷考法
  • 按输出端误差定义写误差传函
本卷实例
  • 关键一步:误差取输入减输出,误差传函为一减闭环传函
  • 中间结果:误差传函分子保留参数 a 与 b 的信息
  • 卡点:输入端与输出端误差定义相差一个环节
  • 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误差传函
  • 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
  • 由闭环特征方程判断系统稳定的前提
本卷实例
  • 关键一步:二阶特征方程只需各项系数同号
  • 中间结果:时间常数大于零是使用终值定理的前提
  • 卡点:稳定前提不成立时求出的参数无意义
  • 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
  • 本卷考过由闭环特征方程判断系统稳定的前提
  • 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

3三、特征根区域约束与参数范围15 分#

思路
  • 化闭环传函为二阶标准形式得到阻尼比约束,再把特征根位于 s=-1 左侧的条件用坐标平移化为新特征方程系数约束,联立求 K、T 范围。
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
  • 由闭环传函读出自然频率与阻尼比表达式
本卷实例
  • 关键一步:先化二阶标准形式再对照系数
  • 中间结果:阻尼比与自然频率由 K 与 T 组合给出
  • 卡点:未归一化 s 平方项会读出错误阻尼比
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读出自然频率与阻尼比表达式
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 坐标平移求特征根位于指定直线左侧的范围
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成新变量使 s=-1 成为新虚轴
  • 中间结果:平移后特征方程系数给出 K 与 T 的约束
  • 卡点:平移只改一次项与常数项,符号易写错
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
  • 本卷考过坐标平移求特征根位于指定直线左侧的范围
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比与区域双重要求联立求参数可行域
本卷实例
  • 关键一步:把两个不等式取交集得到 K-T 平面区域
  • 中间结果:区域边界由阻尼比线与平移边界共同围成
  • 卡点:取交集时端点包含与否要一致
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由阻尼比与区域双重要求联立求参数可行域
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式

4四、根轨迹绘制与临界增益15 分#

思路
  • 按根轨迹法则画三极点系统的 180 度根轨迹,由重极点确定分离点、由渐近线确定走向,再用劳斯判据或幅值条件求与虚轴交点得临界增益。
本卷考法
  • 按绘制法则画含重极点的三阶系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先数开环零极点并判断实轴上的轨迹段
  • 中间结果:三条渐近线交于三极点的平均位置
  • 卡点:实轴段判据的零极点个数容易算错
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
  • 本卷考过按绘制法则画含重极点的三阶系统根轨迹
  • 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
  • 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
  • 由重极点直接判定根轨迹的分离与会合点
本卷实例
  • 关键一步:重极点本身即为根轨迹的分离点
  • 中间结果:分离点处两条轨迹相切后分开
  • 卡点:分离点方程的解需筛掉不在轨迹上的根
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
  • 本卷考过由重极点直接判定根轨迹的分离与会合点
  • 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
本卷考法
  • 由劳斯表出现全零行求与虚轴交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令劳斯表首列某行为零对应临界增益
  • 中间结果:辅助方程给出虚轴交点的频率
  • 卡点:只取一个交点会漏掉对称的另一组
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
  • 本卷考过由劳斯表出现全零行求与虚轴交点及临界增益
  • 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

5五、相角裕度最大时的增益10 分#

思路
  • 写出开环频率特性的相角表达式,令相角裕度最大即相角取极大,用不等式取等条件定截止频率,再由幅值条件求增益。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求使相角裕度最大时的截止频率与开环增益
本卷实例
  • 关键一步:把相角表达式整理成可用均值不等式取极大的形式
  • 中间结果:相角取极值对应其分母函数取极小的频率
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率不可混用
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
  • 本卷考过求使相角裕度最大时的截止频率与开环增益
  • 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
  • 由开环传函写幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:分别对分子与分母取模并累加相角
  • 中间结果:含积分环节提供固定的负 90 度相移
  • 卡点:积分环节的相角容易漏计
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写幅频与相频表达式
  • 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
  • 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

6六、串联超前校正设计15 分#

思路
  • 由稳态误差系数要求定开环增益,算未校正相角裕度并确定需补偿的超前角,用超前网络公式求 α 与时间常数,最后验证校正后的相角裕度。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 用串联超前校正提升截止频率附近的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:按需补偿角算 α 并把幅值零点作为新截止频率
  • 中间结果:超前网络两个转折频率由 α 与新截止频率确定
  • 卡点:截止频率变化带来的附加相角损失需预留
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超前校正利用相位超前特性提高相角裕度
  • 会使截止频率提高,响应加快
  • 最大超前角出现在两个转折频率的几何中点
  • 最大超前角不超过 60°,否则噪声放大明显
步骤
  • 由未校正系统的相角裕度差额确定所需最大超前角
  • 由最大超前角公式求 α
  • 由 α 与目标截止频率求两个转折频率
  • 写出校正装置传递函数并校验
通用考法
  • 本卷考过用串联超前校正提升截止频率附近的相角裕度
  • 设计串联超前校正装置
  • 计算校正后的相角裕度与截止频率
  • 分析超前校正的局限性
常见易错
  • 计算补偿角时忽略截止频率变化带来的附加相角损失
  • α 的取值与超前角公式方向取反
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:速度误差系数等于低频段开环增益
  • 中间结果:开环增益由误差系数与时间常数比确定
  • 卡点:速度误差系数与开环增益的单位不同
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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 验证校正后系统的相角裕度是否满足指标
本卷实例
  • 关键一步:在新截止频率处代入幅值与相角
  • 中间结果:校正后相角裕度为 180 度加相角
  • 卡点:容易忘记按新截止频率而非原截止频率验证
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
  • 本卷考过验证校正后系统的相角裕度是否满足指标
  • 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

7七、描述函数法与延迟自振15 分#

思路
  • 对线性部分画幅相曲线、对继电特性求负倒描述函数并比较交点判断自振,由幅值条件求振幅与频率;加入延迟后用相角条件与幅值条件联立求参数。
本卷考法
  • 用负倒描述函数与幅相曲线交点求自持振荡
本卷实例
  • 关键一步:先画负倒描述函数并标注振幅的增大方向
  • 中间结果:交点是否稳定取决于穿越时振幅的走向
  • 卡点:画成描述函数而非负倒描述函数会判反
  • 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
  • 自振条件为 G(jω)N(A)=-1,即线性部分特性与负倒描述函数曲线相交
  • 交点给出自振频率 ω 与自振幅值 A
  • 负倒描述函数曲线上幅值增大的方向决定自振是否稳定
  • 交点处两条曲线的走向关系决定极限环稳定性
步骤
  • 求线性部分的频率特性 G(jω)
  • 求非线性环节的负倒描述函数 -1/N(A) 并确定 A 的增大方向
  • 在同一复平面上画两条曲线并求交点
  • 由交点处的走向判断自振是否存在且稳定,读出 ω 与 A
通用考法
  • 本卷考过用负倒描述函数与幅相曲线交点求自持振荡
  • 判断系统是否产生自持振荡
  • 求自振频率与自振幅值
  • 分析参数变化对自振的影响
常见易错
  • 画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
  • 未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 把交点频率当成截止频率
公式
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由继电特性写出描述函数与其负倒表达式
本卷实例
  • 关键一步:继电特性描述函数与振幅成反比
  • 中间结果:负倒描述函数为负实数并随振幅单调变化
  • 卡点:描述函数是振幅的函数而非频率的函数
  • 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
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过由继电特性写出描述函数与其负倒表达式
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式
本卷考法
  • 含纯延迟时由相角与幅值条件求参数
本卷实例
  • 关键一步:延迟环节相角与频率成正比须单独列相角方程
  • 中间结果:相角条件给出延迟与频率的对应关系
  • 卡点:角度与弧度换算遗漏会使结果偏大
  • 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
  • 延迟环节 e^{-τs} 的幅值为 1、相位为 -τω,只恶化相位
  • 延迟会显著缩小稳定域,τ 越大越难稳定
  • 频域判据需用相位裕度扣除延迟引起的附加滞后
步骤
  • 写出含延迟的开环传递函数
  • 分别求幅值与相位表达式
  • 在相频特性中扣除 τω 的滞后量
  • 按稳定裕度或奈氏判据求临界 τ 或临界 K
通用考法
  • 本卷考过含纯延迟时由相角与幅值条件求参数
  • 求使系统稳定的最大延迟时间
  • 求含延迟系统的临界开环增益
  • 分析延迟对稳定裕度的影响
常见易错
  • 把延迟环节当成惯性环节处理
  • 相位计算时忘记角度与弧度换算
公式

8八、最小拍数字控制器设计#

思路
  • 选闭环传函使误差传函包含对象的单位圆外零点与纯延迟因子,由闭环与误差传函之和为一用待定系数法求各系数,再按闭环与开环之比求数字控制器。
本卷考法
  • 按阶跃输入设计最小拍数字控制器
本卷实例
  • 关键一步:闭环传函须包含对象的单位圆外零点以保证稳定
  • 中间结果:误差传函须保留对象全部单位圆外零点
  • 卡点:忽略控制器的因果性会得到不可实现解
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
  • 本卷考过按阶跃输入设计最小拍数字控制器
  • 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
  • 由闭环传函与开环脉冲传函之比反求控制器
本卷实例
  • 关键一步:用闭环传函除以开环传函与误差传函之积
  • 中间结果:控制器表达式分子分母按 z 的负幂排列
  • 卡点:采样开关位置不同则脉冲传函不同
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
  • 本卷考过由闭环传函与开环脉冲传函之比反求控制器
  • 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、能控标准型与最小实现10 分#

思路
  • 先对传函约分并化为真分式,按能控标准型规则写状态空间实现,再由是否存在零极点对消判断是否为最小实现。
本卷考法
  • 由传递函数写三阶能控标准型状态空间实现
本卷实例
  • 关键一步:先化真分式再按末行系数放分母系数
  • 中间结果:能控标准型的 A 矩阵为友矩阵形式
  • 卡点:友矩阵系数符号写反会改变特征多项式
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
  • 本卷考过由传递函数写三阶能控标准型状态空间实现
  • 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
本卷考法
  • 由零极点对消判断实现是否为最小实现
本卷实例
  • 关键一步:传函存在零极点对消则该实现不是最小的
  • 中间结果:对消后的阶数才是系统实际的最小阶数
  • 卡点:把特征值个数直接当成传函极点数会误判
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
  • 本卷考过由零极点对消判断实现是否为最小实现
  • 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、状态反馈可配置性判断9 分#

思路
  • 分别对三个系统按约当型判据检查相同特征值对应的能控性秩条件,秩满足则可任意配置极点,否则该特征值不可配置。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统能否通过状态反馈实现极点任意配置
本卷实例
  • 关键一步:对相同特征值检查约当块对应的能控性秩条件
  • 中间结果:秩等于特征值重数时极点才可任意配置
  • 卡点:未验证能控性直接配置会得出错误增益
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
  • 本卷考过判断系统能否通过状态反馈实现极点任意配置
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 对含重特征值的系统构造判别阵判断能控性
本卷实例
  • 关键一步:重特征值下不能用单值判据替代能控性判断
  • 中间结果:能控性判别阵按 B 与各次 A 乘 B 依列拼成
  • 卡点:只算到 A 的 n 减二次方就下结论
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
  • 本卷考过对含重特征值的系统构造判别阵判断能控性
  • 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

11十一、状态反馈实现期望传函8 分#

思路
  • 由传函写能控标准型实现,设状态反馈增益使闭环特征多项式等于期望多项式,比较系数求增益,再写闭环状态空间描述。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 用极点配置求状态反馈增益使闭环传函达到期望
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈不改变传函零点只改变特征多项式
  • 中间结果:期望特征多项式由期望极点展开得到
  • 卡点:特征多项式比较系数时符号容易写反
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求状态反馈增益使闭环传函达到期望
  • 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
  • 由传递函数写能控标准型便于极点配置
本卷实例
  • 关键一步:能控标准型下反馈增益与特征多项式系数一一对应
  • 中间结果:A 矩阵末行为分母系数的相反数
  • 卡点:传函若含对消会先改变系统的实际阶数
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
  • 本卷考过由传递函数写能控标准型便于极点配置
  • 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
本卷考法
  • 写出闭环状态空间描述并核对闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:闭环 A 矩阵为 A 减去 B 乘 k
  • 中间结果:闭环传函分母为期望特征多项式
  • 卡点:反馈增益排列顺序须与状态变量一致
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
  • 本卷考过写出闭环状态空间描述并核对闭环传函
  • 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

12十二、状态空间稳定性与冲激响应13 分#

思路
  • 先求状态矩阵特征多项式与特征值判断渐近稳定,再求传递函数看是否发生零极点对消判断BIBO稳定,最后用状态转移矩阵与冲激输入求输出响应。
本卷考法
  • 由特征值与零极点对消判断渐近稳定与BIBO稳定
本卷实例
  • 关键一步:先求特征值判渐近稳定再求传函判BIBO稳定
  • 中间结果:传函约去不稳定极点后BIBO结论会改变
  • 卡点:渐近稳定与BIBO稳定不是等价条件
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
  • 本卷考过由特征值与零极点对消判断渐近稳定与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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵与冲激输入求输出响应
本卷实例
  • 关键一步:零初始条件下响应由转移矩阵与 B 的乘积给出
  • 中间结果:状态转移矩阵可由拉氏反变换求得
  • 卡点:矩阵求逆前要确认行列式不为零
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
  • 本卷考过由状态转移矩阵与冲激输入求输出响应
  • 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