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哈尔滨工程大学 808 自动控制理论(含现控) 2020 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。覆盖由方程组绘制结构图求传函、用劳斯表辅助方程解高次特征方程、根轨迹与主导极点及稳态误差、测速反馈与比例微分控制对比、由闭环传函反求开环增益、串联超前与滞后两种校正、描述函数法与相平面分析、采样系统稳定的采样周期范围、结构图状态空间建模与BIBO稳定、能控能观与能控性指数及镇定、观测器与状态反馈设计。第4、7、8、9、11题题面含原卷插图。

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1一、由方程组绘结构图求传函#

思路
  • 把三个方程逐步化为以中间变量表示的方框,按信号流向绘出结构图,再用梅森公式或结构图化简求闭环传函。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 按串联并联与反馈关系化简结构图求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先把方程整理成各变量之间的因果关系再画方框
  • 中间结果:回路增益由反馈通道与前向通道之积给出
  • 卡点:负反馈分母符号写成 1 减会改变结论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 串联环节相乘,并联环节相加(同向)或相减(反向)
  • 负反馈等效为 G/(1+GH),正反馈为 G/(1-GH)
  • 反馈等效的前提是单回路、无交叉
步骤
  • 识别环节之间的连接方式
  • 分别套用串联、并联或反馈等效公式
  • 逐层化简直到只剩一个等效环节
通用考法
  • 本卷考过按串联并联与反馈关系化简结构图求闭环传函
  • 多环节系统求闭环传递函数
  • 判断反馈极性对分母符号的影响
常见易错
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 把多回路结构图逐层化简为单一传递函数
本卷实例
  • 关键一步:从最内环开始逐层等效化简
  • 中间结果:每化简一层就把比较点与引出点并入等效环节
  • 卡点:化简内环时把外环信号当成常数会出错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过把多回路结构图逐层化简为单一传递函数
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
本卷考法
  • 由结构图转信号流图并用梅森公式核对结果
本卷实例
  • 关键一步:分别找出全部前向通路与独立回路
  • 中间结果:无双回路互不接触时特征式只含一次项
  • 卡点:余子式漏掉与通路接触的回路
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
  • 本卷考过由结构图转信号流图并用梅森公式核对结果
  • 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

2二、用劳斯表辅助方程解高次方程#

思路
  • 对六次多项式列劳斯表,出现全零行时用上一行构造辅助方程,求辅助方程根后再用长除法降阶,得到其余根。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯表全零行与辅助方程求解高次特征方程
本卷实例
  • 关键一步:全零行出现说明存在关于原点对称的根
  • 中间结果:辅助方程对 s 求导后回填劳斯表下一行
  • 卡点:系数缺项时未补零会使劳斯表错位
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 特征方程各项系数全为正只是必要条件,不充分
  • 劳斯表首列元素全部同号 ⇔ 系统稳定
  • 首列符号变化次数等于右半平面闭环极点数
  • 首列出现 0 时需用 ε 法或乘辅助多项式处理
步骤
  • 写出闭环特征方程并整理成降幂排列
  • 若某次幂系数缺项,该项补零
  • 列劳斯表:前两行为系数,之后各行按交叉相减
  • 检查首列符号:全同号则稳定,有变号则数出个数
通用考法
  • 本卷考过用劳斯表全零行与辅助方程求解高次特征方程
  • 判断给定系统的稳定性
  • 指出右半平面闭环极点的个数
  • 求使系统稳定的参数范围
常见易错
  • 系数有缺项时不补零,直接套用判据
  • 首列出现 0 后仍按常规继续算,未用 ε 法
公式
本卷考法
  • 由辅助方程与长除法求全部特征根
本卷实例
  • 关键一步:辅助方程给出成对的对称根,长除法得剩余因子
  • 中间结果:降阶后的二次方程可直接求根
  • 卡点:长除法常数项抄错会使余数不为零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 全响应由零输入响应与零状态响应两部分叠加而成
  • 零输入响应的形式由特征根决定,系数由初始条件定
  • 零状态响应用卷积或拉氏变换法求,也可查典型输入的响应表
  • 初值条件要区分零时刻前后的跳变,含输入导数项的方程会在零时刻产生跳变
步骤
  • 写出微分方程并取拉氏变换,把初始条件作为等效输入移到等号右端
  • 分别求零输入解与零状态解,再相加得全响应
  • 用初始条件定常数,必要时用终值核对稳态值
  • 检查求得的解在零时刻是否等于给定初值
通用考法
  • 本卷考过由辅助方程与长除法求全部特征根
  • 由微分方程与初始条件求系统的全响应
  • 分别求零输入响应与零状态响应
  • 判断给定初值下响应是否单调或是否有极值
常见易错
  • 只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 分子含输入导数时忽略零时刻的跳变,导致初值对不上
公式

3三、根轨迹与主导极点及稳态误差#

思路
  • 按根轨迹法则画三极点系统轨迹并求与虚轴交点判稳,由阻尼比线用相角条件求闭环极点再用幅值条件定增益,用根之和求第三个极点判断主导性,最后求斜坡稳态误差。
本卷考法
  • 画三极点系统的 180 度根轨迹并判稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴段与渐近线再画曲线走向
  • 中间结果:与虚轴交点由劳斯判据或幅值条件求得
  • 卡点:分离点与渐近线交点不可混为一谈
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
  • 本卷考过画三极点系统的 180 度根轨迹并判稳定范围
  • 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
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
  • 用根之和求第三个极点并判断主导极点
本卷实例
  • 关键一步:用根之和由已知共轭极点反求实极点
  • 中间结果:实极点距虚轴远于共轭极点五倍才可忽略
  • 卡点:只看距离不看留数会误判主导性
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
  • 本卷考过用根之和求第三个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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比要求在根轨迹上确定闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:阻尼角线与根轨迹的交点即满足阻尼比
  • 中间结果:相角条件定交点位置、幅值条件定增益
  • 卡点:试根范围未取在实轴段会得到假解
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
  • 本卷考过由阻尼比要求在根轨迹上确定闭环极点
  • 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
本卷考法
  • 求斜坡输入下闭环系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先由闭环误差传函再用终值定理
  • 中间结果:误差系数由开环传递函数低频增益确定
  • 卡点:未判稳就套终值定理会使结论失效
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
  • 本卷考过求斜坡输入下闭环系统的稳态误差
  • 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

4四、测速反馈与比例微分控制对比#

思路
  • 分别写出测速反馈与比例微分两种结构下的等效开环与闭环特征方程,令阻尼比与自然频率相同得参数关系,再用静态误差系数比较单位斜坡稳态误差并分析原因。
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
  • 由两种校正结构的特征方程比对阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:先分别写两种结构的等效开环传函
  • 中间结果:阻尼比与自然频率相同给出参数相等关系
  • 卡点:测速反馈会改变自然频率而比例微分不会
  • 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
  • 本卷考过由两种校正结构的特征方程比对阻尼比与自然频率
  • 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
本卷考法
  • 比较两种结构在单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:分别求两种结构的速度误差系数
  • 中间结果:速度误差系数由开环低频增益给出
  • 卡点:把扰动误差与输入误差混为一谈
  • 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
  • 本卷考过比较两种结构在单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 分析比例微分与测速反馈对动态性能的不同作用
本卷实例
  • 关键一步:微分作用等效于增加阻尼但会放大高频噪声
  • 中间结果:比例微分不改变自然频率、测速反馈会降低它
  • 卡点:微分增益过大反而放大噪声与振荡
  • 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
  • 本卷考过分析比例微分与测速反馈对动态性能的不同作用
  • 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

5五、由闭环传函反求开环增益#

思路
  • 由闭环传函写含待求倍数的开环传函,写出开环频率特性,由相位裕度条件列相角方程求截止频率,再用幅值条件反求所需开环增益倍数。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相位裕度要求反求开环增益应增大的倍数
本卷实例
  • 关键一步:相位裕度条件先定截止频率再代入幅值条件
  • 中间结果:开环增益倍数由幅值条件前后的比值给出
  • 卡点:闭环传函与开环传函之间相差一加开环
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
  • 本卷考过由相位裕度要求反求开环增益应增大的倍数
  • 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:各环节幅值相乘、相角相加
  • 中间结果:相频表达式由三个惯性环节的相角叠加
  • 卡点:积分环节相角漏计会使截止频率偏大
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、串联超前与滞后校正设计#

思路
  • 先由速度误差系数定开环增益并算未校正相位裕度,再分别按超前与滞后校正步骤求转折频率,各自验证校正后的相位裕度。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联超前校正使相位裕度达到要求
本卷实例
  • 关键一步:由需补偿角算 α 并以幅值零点确定新截止频率
  • 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:截止频率变化引起的附加相角损失要预留
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
  • 本卷考过设计串联超前校正使相位裕度达到要求
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联滞后校正提升相位裕度且不改低频增益
本卷实例
  • 关键一步:先按相位条件选新截止频率再由幅值条件定 β
  • 中间结果:滞后网络转折频率取在新截止频率的十分之一上下
  • 卡点:转折频率过高会抵消增益改善效果
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过设计串联滞后校正提升相位裕度且不改低频增益
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式
本卷考法
  • 由静态速度误差系数确定未校正开环增益
本卷实例
  • 关键一步:速度误差系数等于开环增益除以时间常数
  • 中间结果:校正装置低频增益为一故不改变误差系数
  • 卡点:超前网络提升裕度但不改变系统型别
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确定未校正开环增益
  • 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
  • 分别验证两种校正方案的相位裕度
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:校正后相位裕度为 180 度加相角
  • 卡点:两种方案的新截止频率不同需分别验证
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
  • 本卷考过分别验证两种校正方案的相位裕度
  • 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、描述函数法与相平面分析#

思路
  • 第一问画线性部分幅相曲线与负倒描述函数判断有无自振,第二、三问按继电与比例微分环节分段写相平面方程并画相轨迹,分析微分环节对性能的影响。
本卷考法
  • 用描述函数法判断非线性系统是否存在自持振荡
本卷实例
  • 关键一步:负倒描述函数与幅相曲线有交点才可能自振
  • 中间结果:交点在负实轴上的位置决定振幅与频率
  • 卡点:未标注振幅增大方向无法判断自振稳定性
  • 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
  • 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
  • 本卷考过用描述函数法判断非线性系统是否存在自持振荡
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 分段写相平面方程并绘制相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按开关线把相平面分区再逐区求解
  • 中间结果:各区轨迹为抛物线族,由初始点定常数
  • 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绘制相轨迹
  • 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
  • 分析比例微分环节对相轨迹与稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:比例微分改变开关线斜率从而使切换提前
  • 中间结果:微分作用使振荡次数减少、响应加快
  • 卡点:微分作用过强可能引入新的振荡
  • 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
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过分析比例微分环节对相轨迹与稳定性的影响
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式

8八、采样系统稳定周期范围#

思路
  • 求连续部分加零阶保持器的脉冲传函,写闭环特征方程,用朱利稳定判据列不等式组解出采样周期的取值范围。
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用朱利判据求使离散系统稳定的采样周期范围
本卷实例
  • 关键一步:先由特征方程列出朱利判据的三个不等式
  • 中间结果:稳定条件化为关于指数项的不等式组
  • 卡点:稳定条件是特征根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
  • 本卷考过用朱利判据求使离散系统稳定的采样周期范围
  • 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
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续传函与零阶保持器求开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:零阶保持器与连续部分合并后作 z 变换
  • 中间结果:脉冲传函分母含 z 减一与 z 减指数项
  • 卡点:两连续环节间无采样开关不能直接相乘
  • 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
  • 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
  • 本卷考过由连续传函与零阶保持器求开环脉冲传函
  • 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BIBO稳定#

思路
  • 按结构图中所选状态变量列状态方程与输出方程写状态空间描述,再由状态空间求传递函数,用特征根与零极点对消判断BIBO稳定性。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 按结构图所选状态变量建立状态空间描述
本卷实例
  • 关键一步:对每个积分器的输出选取一个状态变量
  • 中间结果:状态方程由各节点方程整理成矩阵形式
  • 卡点:状态变量个数须与系统阶数一致
  • 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
  • 本卷考过按结构图所选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函并判断BIBO稳定
本卷实例
  • 关键一步:传函分母为特征多项式、分子由 C 与 B 的组合给出
  • 中间结果:存在右半平面极点且无对消则非BIBO稳定
  • 卡点:渐近稳定与BIBO稳定不能互相替代
  • 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
  • 本卷考过由状态空间描述求传函并判断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

10十、能控能观与能控性指数及镇定#

思路
  • 构造能控与能观判别阵用秩判断性质,由能控阵各列与 B 的线性相关性求能控性指数,再看不能控模态特征值是否具有负实部判断能否镇定。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能控能观判别阵并计算能控性指数
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:能控性指数为能控阵中线性无关的列数
  • 卡点:能观阵按行拼 C 与 C 乘 A 不可记反
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
  • 本卷考过构造能控能观判别阵并计算能控性指数
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由不能控部分的特征值判断系统能否镇定
本卷实例
  • 关键一步:检查不能控模态特征值是否都具有负实部
  • 中间结果:不能控且含正实部特征值则系统无法镇定
  • 卡点:能控不等于可镇定,须先分能控子空间
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
  • 本卷考过由不能控部分的特征值判断系统能否镇定
  • 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、观测器与状态反馈设计#

思路
  • 先验证能控能观,由期望极点按分离原理分别配置状态反馈增益 K 与观测器增益 G,再写出闭环状态空间并求状态反馈后系统的传递函数。
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望极点配置全维状态观测器的增益矩阵
本卷实例
  • 关键一步:观测器特征多项式系数须与期望多项式对应相等
  • 中间结果:观测器增益由 A 减 G 乘 C 的特征多项式确定
  • 卡点:观测器增益与状态反馈增益的方向容易写反
  • 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
  • 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
  • 本卷考过按期望极点配置全维状态观测器的增益矩阵
  • 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
  • 按期望极点配置状态反馈增益矩阵
本卷实例
  • 关键一步:由 A 减 B 乘 K 的特征多项式与期望多项式比系数
  • 中间结果:状态反馈不改变系统传递函数的零点
  • 卡点:未验证能控性直接配置极点不合理
  • 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
  • 本卷考过按期望极点配置状态反馈增益矩阵
  • 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
本卷考法
  • 求状态反馈后系统对参考输入的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈后重新写闭环 A 与 B 矩阵
  • 中间结果:传函分母为期望特征多项式
  • 卡点:观测器不改变参考到输出的传递函数
  • 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
  • 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
  • 本卷考过求状态反馈后系统对参考输入的传递函数
  • 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