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河北工业大学 897 自动控制理论(含现控) 2018 年真题思维导图

211 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等 九道大题:填空五空、简答两问、非最小相位系统的奈氏判稳与PD控制器、状态空间对角化证明与能控能观、闭环极点配置与参数根轨迹、离散系统稳定范围与采样点输出、描述函数法典型化、子系统串联的状态空间与能控能观、状态反馈极点配置的可行性。多数题以结构图或曲线给出,需结合图形条件。

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一一、填空题:脉冲响应、单调条件与Bode反求25 分#

思路
  • 三空分别考由闭环传函求时域响应、二阶系统单调条件、由对数幅频渐近线反求传函。
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由单位反馈闭环传函部分分式展开,反求单位脉冲与阶跃响应
本卷实例
  • 关键一步:先由开环传函求闭环传函,再作部分分式反变换
  • 中间结果:闭环特征根为两个负实根,响应单调收敛
  • 卡点:勿漏乘输入信号的拉氏变换
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过由单位反馈闭环传函部分分式展开,反求单位脉冲与阶跃响应
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式
本卷考法
  • 由闭环极点分布判断响应是单调还是振荡并写出模态
本卷实例
  • 关键一步:比较两个实极点的位置,判断为过阻尼
  • 中间结果:响应由两个衰减指数项叠加
  • 卡点:实极点对应单调模态,共轭复根才振荡
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 极点决定响应由哪些模态组成,零点决定各模态的权重
  • 左半平面极点对应衰减,右半平面对应发散,虚轴对应等幅振荡
  • 离虚轴最近的极点为主导极点,主导响应的形状
  • 共轭复极点产生振荡,实极点产生单调分量
步骤
  • 求特征方程得到全部闭环极点
  • 按实数/共轭复数分类,写出对应模态
  • 找出主导极点对,近似为低阶系统
  • 结合零点判断各模态权重大小
通用考法
  • 本卷考过由闭环极点分布判断响应是单调还是振荡并写出模态
  • 由极点分布写出响应的大致形式
  • 判断系统是单调还是振荡、是否收敛
  • 用主导极点概念把高阶系统近似为二阶系统
常见易错
  • 只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
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
  • 由闭环特征方程化标准形式,令阻尼比不小于一,反求增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程与二阶标准式逐项比对
  • 中间结果:阻尼比与增益的平方根成正比
  • 卡点:先判系数为正再列阻尼比条件
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
  • 本卷考过由闭环特征方程化标准形式,令阻尼比不小于一,反求增益范围
  • 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
  • 由低频段高度定增益,由转折频率与斜率变化定环节
本卷实例
  • 关键一步:先读低频渐近线斜率与高度定型别与增益
  • 中间结果:每个转折频率对应一个一阶环节
  • 卡点:斜率变化负四十要写成两个重极点
  • 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
  • 低频段斜率给出积分环节个数即系统型别
  • 低频段高度或延长线与 0 dB 交点给出开环增益
  • 每个转折频率对应一个一阶或二阶环节
  • 斜率变化 -20 对应惯性环节,+20 对应一阶微分,-40 可能是振荡环节
步骤
  • 读低频段斜率确定型别 v
  • 由低频段高度或延长线确定增益 K
  • 逐个读出转折频率并判断对应环节类型
  • 结合相频曲线与谐振峰判定二阶环节参数
  • 写出并验证传递函数
通用考法
  • 本卷考过由低频段高度定增益,由转折频率与斜率变化定环节
  • 由给定 Bode 图写出传递函数
  • 由实验频率特性辨识系统模型
  • 检验候选传递函数与曲线是否吻合
常见易错
  • 把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 斜率变化为 -40 时直接写成一阶环节
公式

二1二1、幅频相频表达式与滞后环节条件5 分#

思路
  • 列写一阶微分环节的幅频、相频表达式,并由滞后网络标准形式给出参数条件。
本卷考法
  • 写出该环节的幅频与相频解析式并化简相角差
本卷实例
  • 关键一步:把分子分母分别取模再相除,相角相减
  • 中间结果:幅频为两个一阶环节模之比
  • 卡点:相角化简用反正切差角公式
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
  • 本卷考过写出该环节的幅频与相频解析式并化简相角差
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 对照滞后网络标准式,指出两时间常数应满足的关系
本卷实例
  • 关键一步:把给定传函与滞后网络标准式逐项对应
  • 中间结果:把给定传函对应到滞后网络的分子分母时间常数
  • 卡点:区分滞后与超前看两个时间常数的相对大小
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
  • 本卷考过对照滞后网络标准式,指出两时间常数应满足的关系
  • 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

二2二2、线性传函与非线性描述函数的异同5 分#

思路
  • 比较传递函数与描述函数的定义基础、适用对象与相互替代关系。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 比较描述函数与传递函数的定义、适用条件与分析方法
本卷实例
  • 关键一步:从两者都基于频率响应但定义对象不同切入
  • 中间结果:描述函数只适用于特定非线性环节串联线性部分
  • 卡点:描述函数不是频率的函数
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
  • 本卷考过比较描述函数与传递函数的定义、适用条件与分析方法
  • 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
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 说明线性元件无描述函数、非线性元件无传递函数的本质原因
本卷实例
  • 关键一步:从叠加原理是否成立判断两种工具能否使用
  • 中间结果:传递函数依赖线性时不变前提
  • 卡点:勿把非线性系统一概说成不稳定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 不满足叠加原理,输出与初始条件、输入幅值都有关
  • 可能出现自持振荡即极限环
  • 响应可能对初始条件敏感,出现跳跃谐振
  • 线性系统的稳定性概念需要推广为局部稳定性
步骤
  • 确认系统含明显非线性环节
  • 判断该非线性是本质非线性还是可线性化的弱非线性
  • 按非线性分析方法选择描述函数法或相平面法
通用考法
  • 本卷考过说明线性元件无描述函数、非线性元件无传递函数的本质原因
  • 说明非线性系统与线性系统的本质差别
  • 指出同步振荡、跳跃谐振等特有现象
  • 判断某系统应选用哪种分析方法
常见易错
  • 把非线性环节线性化后直接沿用线性理论的全部结论
  • 认为非线性系统一定不稳定

三三、非最小相位系统的奈氏判稳与PD控制器15 分#

思路
  • 开环含右半平面极点,先补画无穷大圆弧并按公式判稳,再串联PD后重求稳定增益范围。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 对含右半平面极点的开环作奈氏判据,补画绕行圆弧
本卷实例
  • 关键一步:按开环右半平面极点数与包围圈数计算闭环右半平面极点数
  • 中间结果:幅相曲线与负实轴有无交点决定是否穿越
  • 卡点:含积分或右半平面极点时勿漏补画无穷大圆弧
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
  • 本卷考过对含右半平面极点的开环作奈氏判据,补画绕行圆弧
  • 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
本卷考法
  • 由开环传函写出幅频相频,分析幅相曲线走向与交点
本卷实例
  • 关键一步:分别求幅值单调性与相角范围,再画大致走向
  • 中间结果:低频起于负实轴方向的无穷远
  • 卡点:相角计算勿漏积分环节的负九十度
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出幅频相频,分析幅相曲线走向与交点
  • 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
本卷考法
  • 串联PD控制器后重写开环传函,再用奈氏判据求稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把PD写成比例微分形式乘进开环传函
  • 中间结果:微分项引入开环零点改变幅相曲线形状
  • 卡点:零点使幅相曲线相位抬升,勿沿用原曲线
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
  • 本卷考过串联PD控制器后重写开环传函,再用奈氏判据求稳定增益范围
  • 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

四四、状态空间对角化、状态转移矩阵与能控能观20 分#

思路
  • 用可逆变换把二阶系统对角化,再求矩阵指数并判断能控能观。
本卷考法
  • 证明取变换阵可将 A 化为对角标准型并验证
本卷实例
  • 关键一步:先算 A 的特征多项式,确认两特征值互异
  • 中间结果:变换阵的列与特征值对应
  • 卡点:变换阵必须可逆,特征值互异才保证
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
  • 本卷考过证明取变换阵可将 A 化为对角标准型并验证
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由对角标准型的矩阵指数反求原系统的状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先求对角阵指数,再左乘变换阵右乘其逆
  • 中间结果:对角阵指数为各特征值指数的对角阵
  • 卡点:变换方向反了会得到错误结果
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
  • 本卷考过由对角标准型的矩阵指数反求原系统的状态转移矩阵
  • 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
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,比较秩与阶数
本卷实例
  • 关键一步:能控判别阵取 B 与 AB 并排
  • 中间结果:能控判别阵秩小于阶数则不能控
  • 卡点:能观判别阵是 C 与 CA 上下叠放
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,比较秩与阶数
  • 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

五五、闭环极点配置与参数根轨迹15 分#

思路
  • 由期望极点比对特征多项式定参数,再以该参数为变量画根轨迹并定无超调范围。
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
  • 由给定闭环极点写出理想特征多项式并展开
本卷实例
  • 关键一步:把期望极点写成因式相乘再展开成标准形式
  • 中间结果:理想特征多项式的各项系数已知
  • 卡点:特征多项式系数与传函参数对应关系勿写反
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
  • 本卷考过由给定闭环极点写出理想特征多项式并展开
  • 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
  • 以参数为变量整理出等效开环传函并画参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把含参数的项移到分母构造等效开环传函
  • 中间结果:等效开环的零点与极点位置确定根轨迹形状
  • 卡点:参数根轨迹仍需按幅值条件定参数
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
  • 本卷考过以参数为变量整理出等效开环传函并画参数根轨迹
  • 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
  • 由闭环根为实根确定无超调时参数的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:无超调对应闭环根落在实轴上
  • 中间结果:根轨迹实轴段的分界决定参数范围
  • 卡点:临界阻尼点是范围的端点,注意开闭
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
  • 本卷考过由闭环根为实根确定无超调时参数的取值范围
  • 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
  • 计算分离点与渐近线,作根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:由等效开环零极点列分离点方程
  • 中间结果:分离点必在实轴根轨迹段上
  • 卡点:求出的分离点要筛选,舍去不在根轨迹上的根
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
  • 本卷考过计算分离点与渐近线,作根轨迹草图
  • 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

六六、离散系统稳定范围与采样点输出20 分#

思路
  • 由结构图求闭环脉冲传函,用 z 域稳定条件求增益范围,再逐拍递推采样输出。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含零阶保持器的结构图求开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先求连续部分的 z 变换再写闭环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函的分母给出特征方程
  • 卡点:含零阶保持器时勿把连续传函直接代 z
  • 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
  • 本卷考过由含零阶保持器的结构图求开环与闭环脉冲传函
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环特征方程用朱利判据求使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成 z 的多项式并套朱利判据
  • 中间结果:稳定要求全部特征根落在单位圆内
  • 卡点:勿把稳定条件写成实部小于零
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用朱利判据求使系统稳定的增益范围
  • 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
本卷考法
  • 由闭环脉冲传函递推前三个采样周期的输出值
本卷实例
  • 关键一步:对闭环脉冲传函作长除法或 z 反变换得输出序列
  • 中间结果:输出序列由差分方程逐拍递推
  • 卡点:初始条件与该拍输入勿对应错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环极点在 z 平面上的位置决定响应形式
  • 极点越靠近原点衰减越快,越靠近单位圆振荡越强
  • 极点的幅角决定振荡频率,幅值决定衰减速度
  • 采样周期增大会使动态性能变差甚至不稳定
步骤
  • 求闭环脉冲传递函数的极点
  • 按极点在单位圆内的位置判断响应形式
  • 由极点的模与幅角估算衰减与振荡频率
  • 与连续系统指标对应关系相互校验
通用考法
  • 本卷考过由闭环脉冲传函递推前三个采样周期的输出值
  • 由闭环极点分布判断动态性能
  • 与连续域指标互相换算
  • 说明采样周期对动态性能的影响
常见易错
  • 把 z 平面极点当作 s 平面极点直接读阻尼比
  • 忽略单位圆上极点对应等幅振荡
公式

七七、非线性系统的描述函数法典型化10 分#

思路
  • 把含非线性环节的框图等效变换成 N(A) 与线性部分串联的典型形式,写出线性部分传函。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 把非线性环节移到典型位置,整理出线性部分的等效传函
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程分离出非线性描述函数与线性部分
  • 中间结果:等效线性部分含局部反馈的整理结果
  • 卡点:结构图等效时勿改变比较点与反馈极性
  • 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
  • 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
  • 本卷考过把非线性环节移到典型位置,整理出线性部分的等效传函
  • 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
  • 说明整理成典型形式后如何用负倒描述函数分析自振
本卷实例
  • 关键一步:把线性部分与负倒描述函数放在同一复平面
  • 中间结果:交点即自振的频率与振幅
  • 卡点:判稳定要标注振幅增大方向
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
  • 本卷考过说明整理成典型形式后如何用负倒描述函数分析自振
  • 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

八八、子系统串联的状态空间与能控能观15 分#

思路
  • 按串联关系写出组合系统的状态空间表达式,求传递函数并判断能控能观性。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由两子系统串联关系写出组合系统的 A、B、C 矩阵
本卷实例
  • 关键一步:把前一子系统的输出作为后一子系统的输入代入
  • 中间结果:组合矩阵含两子系统间的耦合块
  • 卡点:子系统的输出矩阵与输入矩阵相乘顺序勿颠倒
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串联关系写出组合系统的 A、B、C 矩阵
  • 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
  • 用状态空间求组合系统的传递函数并观察零极点对消
本卷实例
  • 关键一步:按传递函数矩阵公式代入组合矩阵
  • 中间结果:分子分母出现公因式说明有对消
  • 卡点:勿漏直接传递项 D,本题 D 为零
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
  • 本卷考过用状态空间求组合系统的传递函数并观察零极点对消
  • 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
  • 对组合系统构造判别阵判断能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别计算能控与能观判别阵的秩
  • 中间结果:组合后能控性可能因对消而丧失
  • 卡点:秩按矩阵阶数比较,勿按子系统阶数
  • 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
  • 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
  • 本卷考过对组合系统构造判别阵判断能控性与能观性
  • 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

九九、状态反馈极点配置的可行性20 分#

思路
  • 先由能控判别阵秩判断能否任意配置极点,再对不可控系统按可配置子空间求反馈阵。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用能控判别阵的秩判断系统能否任意配置极点
本卷实例
  • 关键一步:先算能控判别阵的秩并与阶数比较
  • 中间结果:不可控系统的部分极点固定不可移动
  • 卡点:不可控不等于不能配置任何极点
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的秩判断系统能否任意配置极点
  • 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
  • 对不可控系统作结构分解,仅对能控子系统配置极点并回代
本卷实例
  • 关键一步:按能控性分解得到能控子系统再设反馈增益
  • 中间结果:能控子系统的特征多项式与期望式比对
  • 卡点:反馈增益要在分解前系统上验证,勿只在变换后系统配置
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
  • 本卷考过对不可控系统作结构分解,仅对能控子系统配置极点并回代
  • 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