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合肥工业大学 834 自动控制原理(含现控) 2020 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等 10道大题;第一题为9个填空小题并成一块,其余九道综合题覆盖结构图化简、参数稳定域与扰动误差、根轨迹、Bode图反求与PID校正、滞环继电非线性、采样系统、状态空间建模与状态反馈观测器

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1一、填空题(9小题)#

思路
  • 9个填空小题各自独立,覆盖非线性判别、一阶调节时间、脉冲响应反求传函、最小实现、能控标准型、离散稳定、数字控制器实现、主导极点化简与相轨迹类型
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 第一题第1小题:判断给定微分方程描述的系统是否为非线性
本卷实例
  • 关键一步:检查方程中是否出现变量乘积或变量平方项
  • 中间结果:含变量相乘或高次项即判为非线性系统
  • 卡点:只看到时变系数就误判为非线性
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
  • 本卷考过第一题第1小题:判断给定微分方程描述的系统是否为非线性
  • 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
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 第一题第2小题:由一阶传函与误差带求调节时间
本卷实例
  • 关键一步:读出时间常数并按给定误差带选倍数
  • 中间结果:误差带越小所需调节时间越长
  • 卡点:把时间常数与调节时间当成同一个量
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
  • 本卷考过第一题第2小题:由一阶传函与误差带求调节时间
  • 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
  • 第一题第3小题:由二阶脉冲响应表达式反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把响应各指数与正弦项拉氏变换后相加
  • 中间结果:合并后分母对应二阶特征多项式
  • 卡点:未判断系统阶数就直接套二阶公式
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
  • 本卷考过第一题第3小题:由二阶脉冲响应表达式反求传递函数
  • 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
本卷考法
  • 第一题第4小题:判断给定状态空间方程是否为最小实现
本卷实例
  • 关键一步:由状态空间求传递函数并检查有无零极点对消
  • 中间结果:存在零极点对消则不是最小实现
  • 卡点:把特征值个数与传函极点数直接等同
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
  • 本卷考过第一题第4小题:判断给定状态空间方程是否为最小实现
  • 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
本卷考法
  • 第一题第5小题:把给定状态方程化为能控标准型
本卷实例
  • 关键一步:先求特征多项式再按系数排能控标准型
  • 中间结果:变换后输入矩阵取最简形式
  • 卡点:友矩阵中系数符号写反
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
  • 本卷考过第一题第5小题:把给定状态方程化为能控标准型
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 第一题第6小题:判断离散状态方程是否渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵特征值并比较其模与一的大小
  • 中间结果:所有特征值模小于一时系统渐近稳定
  • 卡点:把连续系统实部判据套到离散系统上
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
  • 本卷考过第一题第6小题:判断离散状态方程是否渐近稳定
  • 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
  • 第一题第7小题:由数字控制器脉冲传函写可实现的算法程序
本卷实例
  • 关键一步:把D(z)/E(z)化为z的负幂有理式再交叉相乘
  • 中间结果:整理成当前输出与历史输入输出的差分方程
  • 卡点:忽略控制器必须物理可实现这一前提
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
  • 本卷考过第一题第7小题:由数字控制器脉冲传函写可实现的算法程序
  • 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
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
  • 第一题第8小题:用闭环主导极点法化简高阶传递函数
本卷实例
  • 关键一步:找出距虚轴最近的极点作为主导极点
  • 中间结果:保留主导极点并折算增益使化简前后一致
  • 卡点:忽略零点对超调量的放大作用
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
  • 本卷考过第一题第8小题:用闭环主导极点法化简高阶传递函数
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 第一题第9小题:按二阶欠阻尼系统选择对应相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比范围判断相轨迹为收敛螺线
  • 中间结果:欠阻尼对应向原点收敛的焦点型相轨迹
  • 卡点:把相轨迹与根轨迹的几何形态混淆
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
  • 本卷考过第一题第9小题:按二阶欠阻尼系统选择对应相轨迹
  • 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

2二、结构图求闭环传函#

思路
  • 由多回路结构图画信号流图,用梅森公式求闭环传递函数
本卷考法
  • 第二题:由结构图求闭环传递函数C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:画信号流图并列出回路与前向通路
  • 中间结果:按梅森公式把回路增益代入特征式
  • 卡点:不接触回路找漏或重复;结构图以图给出,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
  • 本卷考过第二题:由结构图求闭环传递函数C(s)/R(s)
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 第二题:化简含交叉反馈的多回路结构图
本卷实例
  • 关键一步:从最内环开始逐层等效化简
  • 中间结果:内环等效后再与外环组合成单回路
  • 卡点:化简内环时把外环信号当成常数
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
  • 本卷考过第二题:化简含交叉反馈的多回路结构图
  • 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

3三、稳定参数范围与输入扰动稳态误差#

思路
  • 先由劳斯判据求两参数稳定域,再分别求斜坡输入与负阶跃扰动下的稳态误差
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 第三题第1问:求系统稳定时K与Kt的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并令首列各元素同号
  • 中间结果:解不等式组取交集得两参数稳定域
  • 卡点:只列出部分首列元素的不等式
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
  • 本卷考过第三题第1问:求系统稳定时K与Kt的取值范围
  • 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
本卷考法
  • 第三题第2问:求输入斜坡下系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再按型别求静态速度误差系数
  • 中间结果:斜坡误差由输入斜率与开环增益之比给出
  • 卡点:输入为斜坡时误代入阶跃误差公式
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
  • 本卷考过第三题第2问:求输入斜坡下系统的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 第三题第3问:求扰动为负单位阶跃时的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,单独求扰动到误差的传函
  • 中间结果:扰动误差由扰动作用点到误差点各环节增益决定
  • 卡点:把扰动误差直接当作总误差
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
  • 本卷考过第三题第3问:求扰动为负单位阶跃时的稳态误差
  • 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

4四、根轨迹与稳定K及闭环传函#

思路
  • 画随K变化的根轨迹求稳定范围,再由指定闭环极点反求增益并写出闭环传递函数
本卷考法
  • 第四题第1问:画出系统随K变化的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:确定开环零极点、实轴段与渐近线
  • 中间结果:根轨迹由开环极点出发向零点或无穷远延伸
  • 卡点:实轴段判据中零极点个数算错
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
  • 本卷考过第四题第1问:画出系统随K变化的根轨迹
  • 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
本卷考法
  • 第四题第2问:求系统稳定时K的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:求根轨迹与虚轴交点并代入幅值条件
  • 中间结果:临界增益由虚轴交点坐标反算
  • 卡点:得到交点后没有回到原题核对参数定义
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
  • 本卷考过第四题第2问:求系统稳定时K的取值范围
  • 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
  • 第四题第3问:由闭环极点s=-3求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把指定极点代入闭环特征式求对应增益
  • 中间结果:再由增益写出该极点下的闭环传函
  • 卡点:只求增益而未回代写出完整闭环传函
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
  • 本卷考过第四题第3问:由闭环极点s=-3求闭环传递函数
  • 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

5五、Bode图反求传函与PID校正#

思路
  • 由Bode图反求开环传函并算剪切频率与相角裕度,再按超调量与调节时间要求设计PID使闭环为典型二阶欠阻尼系统
本卷考法
  • 第五题第1问:由Bode图求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定型别和增益
  • 中间结果:按各转折频率处斜率变化写出对应环节
  • 卡点:把延长线交点误当增益值而未折算型别
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
  • 本卷考过第五题第1问:由Bode图求开环传递函数
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 第五题第1问:求剪切频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:在幅频图上找幅值为零分贝处的频率
  • 中间结果:相角裕度由该频率处相角与负180度之差确定
  • 卡点:幅值裕度取倒数未取导致结论反了
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
  • 本卷考过第五题第1问:求剪切频率与相角裕度
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 第五题第2问:由超调量与调节时间求期望闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比
  • 中间结果:再由调节时间要求求自然频率
  • 卡点:两种误差带的调节时间系数搞混
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
  • 本卷考过第五题第2问:由超调量与调节时间求期望闭环极点
  • 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
本卷考法
  • 第五题第2问:设计PID装置使闭环为典型二阶欠阻尼系统
本卷实例
  • 关键一步:按期望闭环特征多项式与受控对象传函反求控制器
  • 中间结果:由控制器形式拆出比例积分微分三部分参数
  • 卡点:把积分增益过大引起的振荡说成相位超前
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
  • 本卷考过第五题第2问:设计PID装置使闭环为典型二阶欠阻尼系统
  • 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

6六、滞环继电非线性描述函数分析#

思路
  • 由滞环继电特性求描述函数并画负倒描述函数轨迹,与线性部分求交判断自振参数,再讨论参数变化对自振的影响
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 第六题第1问:由滞环继电特性求描述函数并画负倒曲线
本卷实例
  • 关键一步:按滞环继电特性写出描述函数表达式
  • 中间结果:负倒描述函数随幅值A变化的轨迹
  • 卡点:画成描述函数本身而不是负倒函数
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
  • 本卷考过第六题第1问:由滞环继电特性求描述函数并画负倒曲线
  • 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
  • 第六题第2问:分析系统稳定性并求自振频率与振幅
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分幅相曲线与负倒描述函数交点
  • 中间结果:交点对应自振频率与幅值并由稳定性判定取舍
  • 卡点:未标注A增大方向就判断交点稳定性
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
  • 本卷考过第六题第2问:分析系统稳定性并求自振频率与振幅
  • 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
本卷考法
  • 第六题第3问:分析a增大时系统自振特性的变化
本卷实例
  • 关键一步:比较a变化前后负倒描述函数轨迹的移动方向
  • 中间结果:轨迹移动改变交点位置进而影响自振参数
  • 卡点:只调增益而不检查是否引入新的自振点
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
  • 本卷考过第六题第3问:分析a增大时系统自振特性的变化
  • 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

7七、采样系统闭环传函与稳态输出#

思路
  • 由采样系统结构求闭环脉冲传函,用终值定理由稳态输出反求参数,再求输出序列
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 第七题第1问:求采样系统的闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对含零阶保持器的前向通道整体取Z变换
  • 中间结果:闭环脉冲传函由前向与反馈脉冲传函组合
  • 卡点:采样开关位置判断错导致组环方式错
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
  • 本卷考过第七题第1问:求采样系统的闭环脉冲传递函数
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 第七题第2问:由稳态输出反求参数a
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理写出稳态输出表达式
  • 中间结果:令其等于给定稳态值即可解出参数a
  • 卡点:未先确认系统稳定就使用终值定理
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
  • 本卷考过第七题第2问:由稳态输出反求参数a
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 第七题第3问:求采样系统的输出序列y(k)
本卷实例
  • 关键一步:对闭环脉冲传函做Z反变换
  • 中间结果:输出序列写成各极点对应分量的和
  • 卡点:部分分式分解时漏项导致反变换出错
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
  • 本卷考过第七题第3问:求采样系统的输出序列y(k)
  • 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

8八、由结构图写状态空间表达式#

思路
  • 按图中给定的状态变量对双回路系统列写状态方程与输出方程,整理成矩阵形式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 第八题:按图中状态变量列写双回路系统的状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:对每个储能元件取状态变量并列写回路与节点方程
  • 中间结果:整理成矩阵形式的系统矩阵与输入输出矩阵
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配;电路以图给出,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
  • 本卷考过第八题:按图中状态变量列写双回路系统的状态空间表达式
  • 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

9九、脉冲响应矩阵与离散化#

思路
  • 由状态矩阵求状态转移矩阵与脉冲响应函数矩阵,按采样周期离散化,再画离散系统方框图
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 第九题第1问:求系统的脉冲响应函数矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先由状态矩阵求状态转移矩阵
  • 中间结果:脉冲响应矩阵由输出矩阵与转移矩阵及输入矩阵相乘
  • 卡点:把脉冲响应矩阵与状态转移矩阵混同
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
  • 本卷考过第九题第1问:求系统的脉冲响应函数矩阵
  • 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
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 第九题第2问:求采样周期为1秒时的离散化方程
本卷实例
  • 关键一步:按离散化公式分别求离散状态矩阵与输入矩阵
  • 中间结果:对矩阵指数在采样周期上积分得输入矩阵
  • 卡点:把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散化状态方程由状态转移矩阵在采样周期处的取值构成
  • 输入矩阵是状态转移矩阵与输入矩阵乘积在采样周期上的积分
  • 带零阶保持器时即按上述积分式离散化,输出矩阵不变
步骤
  • 求连续系统的状态转移矩阵
  • 把采样周期代入得到离散状态矩阵
  • 对输入矩阵做积分得到离散输入矩阵
  • 写出差分形式的离散状态方程并按递推求采样点上的响应
通用考法
  • 本卷考过第九题第2问:求采样周期为1秒时的离散化方程
  • 求连续系统在给定采样周期下的离散化状态方程
  • 由给出的状态响应反求系统矩阵再离散化
  • 计算采样点上的状态与输出序列
常见易错
  • 把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
  • 积分上限写成采样周期以外的量,或忘记乘输入矩阵
公式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 第九题第3问:画出离散系统的方框图
本卷实例
  • 关键一步:按离散状态方程与输出方程画延迟单元与增益支路
  • 中间结果:方框图含单位延迟环节与状态反馈支路
  • 卡点:把连续积分器符号画进离散方框图
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
  • 本卷考过第九题第3问:画出离散系统的方框图
  • 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

10十、状态反馈、全维观测器与传递函数#

思路
  • 先设计状态反馈配置闭环极点,再设计全维观测器配置观测器极点,最后求组合系统的传递函数
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 第十题第1问:设计状态反馈使闭环极点为-5与-6
本卷实例
  • 关键一步:先判能控性再令期望与闭环特征多项式系数相等
  • 中间结果:解线性方程组得状态反馈增益各分量
  • 卡点:未验证能控性就直接做极点配置
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
  • 本卷考过第十题第1问:设计状态反馈使闭环极点为-5与-6
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 第十题第2问:设计全维观测器使极点为-8与-10
本卷实例
  • 关键一步:用对偶关系把观测器极点配置化为状态反馈问题
  • 中间结果:由期望观测器特征多项式解出观测器增益阵
  • 卡点:把观测器增益阵写成状态反馈增益阵的形式
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
  • 本卷考过第十题第2问:设计全维观测器使极点为-8与-10
  • 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
本卷考法
  • 第十题第3问:在观测器存在条件下求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由状态反馈加观测器组合后的状态方程求传函
  • 中间结果:组合系统的特征多项式为两特征式之积
  • 卡点:忽略观测器极点对闭环传函的影响
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
  • 本卷考过第十题第3问:在观测器存在条件下求系统传递函数
  • 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