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合肥工业大学 834 自动控制原理(含现控) 2021 年真题思维导图

211 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等 卷面 10 道大题,填空 10 空加九道综合题,覆盖传函、结构图、稳定性、根轨迹、频域与校正、离散、非线性与状态空间;逐年源文有少量 OCR 缺字,已用宝典段补齐。

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一(1~10)一、填空:传函、稳定性与状态空间基本计算20 分#

思路
  • 逐空各考一个基本概念或单步计算,注意劳斯表全零行、主导极点降阶与状态反馈镇定的条件。
本卷考法
  • 由单位脉冲响应求系统闭环传递函数(第 1 空)
本卷实例
  • 关键一步:单位脉冲响应就是系统闭环传递函数的拉氏反变换
  • 中间结果:e 的负 t 次方对应 1/(s+1),幅值 10 对应分子
  • 卡点:把脉冲响应误当成开环传函,或漏掉幅值 10
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过由单位脉冲响应求系统闭环传递函数(第 1 空)
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
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
  • 由阻尼比反求标准二阶开环传函的增益 K(第 2 空)
本卷实例
  • 关键一步:把 G(s)=K/(s(0.1s+1)) 化为标准二阶开环形式
  • 中间结果:分母 s 项系数 10 等于两倍阻尼比乘自然频率
  • 卡点:忘记分子应写成自然频率平方,导致 K 差一个数量级
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
  • 本卷考过由阻尼比反求标准二阶开环传函的增益 K(第 2 空)
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据数右半平面闭环极点个数(第 3 空)
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表,遇全零行先构造辅助方程再继续
  • 中间结果:首列变号次数即右半平面闭环极点数
  • 卡点:全零行不构造辅助方程直接继续,变号次数数错
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
  • 本卷考过用劳斯判据数右半平面闭环极点个数(第 3 空)
  • 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
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
  • 用闭环主导极点概念把高阶模型降阶(第 4 空)
本卷实例
  • 关键一步:取距虚轴最近且附近无闭环零点者为主导极点
  • 中间结果:保留最靠近虚轴的主导极点,并把高频段增益折算进分子
  • 卡点:降阶时漏掉高频段增益,直接写成 1/(s+1)
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
  • 本卷考过用闭环主导极点概念把高阶模型降阶(第 4 空)
  • 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
  • 正弦输入下由误差频率特性求稳态误差(第 5 空)
本卷实例
  • 关键一步:正弦输入下用误差频率特性在输入频率处的模与相角
  • 中间结果:稳态误差幅值为输入幅值乘误差频率特性模值
  • 卡点:正弦输入误用终值定理,或漏乘输入幅值 5
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
  • 本卷考过正弦输入下由误差频率特性求稳态误差(第 5 空)
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 判断相角骤减系统不宜用超前校正(第 6 空)
本卷实例
  • 关键一步:超前校正依赖截止频率附近的相位超前量
  • 中间结果:若该频段相角骤降,超前量会被抵消,需先评估相角储备
  • 卡点:只记超前校正能提高裕度,忽略相角骤降的不利影响
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
  • 本卷考过判断相角骤减系统不宜用超前校正(第 6 空)
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 由二阶状态方程判断相轨迹形状(第 7 空)
本卷实例
  • 关键一步:由状态矩阵特征值符号判断奇点类型与稳定性
  • 中间结果:由特征根实部符号与是否共轭判断奇点类型与轨迹形态
  • 卡点:把奇点类型与相轨迹形态对应错,或忘记看实部符号
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
  • 本卷考过由二阶状态方程判断相轨迹形状(第 7 空)
  • 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
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 判断连续系统离散化后能控性的变化(第 8 空)
本卷实例
  • 关键一步:离散系统的能控性会因采样周期选取而改变
  • 中间结果:能控性是否保持需由采样周期与系统结构具体判断
  • 卡点:忽略采样周期对能控性的影响
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
  • 本卷考过判断连续系统离散化后能控性的变化(第 8 空)
  • 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
本卷考法
  • 由传递函数写能观标准型(第 9 空,据宝典补回)
本卷实例
  • 关键一步:先写能控标准型,再用对偶定理得能观标准型
  • 中间结果:由 G(s) 分解出直接项后按对偶关系写系数阵
  • 卡点:忘记处理直接项 D,或对偶时系数顺序写反
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
  • 本卷考过由传递函数写能观标准型(第 9 空,据宝典补回)
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态方程判断能控性并给出可镇定的参数条件(第 10 空)
本卷实例
  • 关键一步:列能控性矩阵并要求满秩
  • 中间结果:能控性矩阵某行恒为零,需由满秩条件解出参数约束
  • 卡点:只看矩阵对角形式就误判能控,忽略 B 的结构
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
  • 本卷考过由状态方程判断能控性并给出可镇定的参数条件(第 10 空)
  • 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
  • 由极点可配置条件确定状态反馈镇定的参数范围(第 10 空)
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈可任意配置极点的前提是系统能控
  • 中间结果:能控性给出参数约束,镇定还要求全部极点在左半平面
  • 卡点:漏掉极点位置对可镇定的附加约束
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
  • 本卷考过由极点可配置条件确定状态反馈镇定的参数范围(第 10 空)
  • 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

二二、结构图求 C(s)/R(s)10 分#

思路
  • 逐条列写五条回路增益,用梅森增益公式求两条前向通道的闭环传函。
本卷考法
  • 由含五条回路的结构图用梅森增益公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先给所有回路编号,再找两两与三三互不接触组合
  • 中间结果:本题无两两或三三互不接触回路,特征式为 1 减各回路增益和
  • 卡点:回路数多时漏算或重复计算某条回路增益
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
  • 本卷考过由含五条回路的结构图用梅森增益公式求闭环传函
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路结构图的逐层化简或回路方程列写
本卷实例
  • 关键一步:两条前向通道分别写主通路增益与其余子式
  • 中间结果:分子为两前向通路贡献之和
  • 卡点:把局部反馈回路当成独立回路而多算一次
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
  • 本卷考过多回路结构图的逐层化简或回路方程列写
  • 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

三三、结构图:稳定 k 范围与稳态误差13 分#

思路
  • 先列闭环特征方程用劳斯判据定 k,再分别求输入与扰动误差并叠加。
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 列劳斯表求闭环稳定时 k 的取值范围(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:由结构图写闭环特征方程并列劳斯表,首列要求全为正
  • 中间结果:首列两个含 k 的元素给出 k 的下界与上界
  • 卡点:漏掉常数项大于零的约束,只算首列
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
  • 本卷考过列劳斯表求闭环稳定时 k 的取值范围(第 1 问)
  • 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
  • 求输入 r(t)=t 引起的稳态误差并解误差约束(第 2、3 问)
本卷实例
  • 关键一步:用误差传递函数乘输入拉氏式再取 s 趋于零的极限
  • 中间结果:输入误差与 k 成反比,据此解出误差小于 1 的 k 范围
  • 卡点:未先判稳就用终值定理
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
  • 本卷考过求输入 r(t)=t 引起的稳态误差并解误差约束(第 2、3 问)
  • 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
  • 求扰动 d(t)=1(t) 引起的稳态误差并与输入分量叠加(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:求扰动传函时把参考输入置零,再乘扰动拉氏式取极限
  • 中间结果:扰动误差与输入误差符号相反,总误差为两者之和
  • 卡点:只算输入误差,漏掉扰动分量
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
  • 本卷考过求扰动 d(t)=1(t) 引起的稳态误差并与输入分量叠加(第 2 问)
  • 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

四四、以 p 为参变量的根轨迹与虚轴极点16 分#

思路
  • 先把参数 p 整理成等效开环形式,再按根轨迹法则绘制并由虚轴交点定临界值。
本卷考法
  • 以 p 为参变量构造等效开环传函并绘制参数根轨迹(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:从特征方程分离含 p 的项,写成 1 加 p 乘等效开环等于零
  • 中间结果:等效开环为 p 除以 s(s²+2s+2)
  • 卡点:整理时没把参数完整提到分子位置
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 p 为参变量构造等效开环传函并绘制参数根轨迹(第 1 问)
  • 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
  • 按起点、终点、分支数、实轴段与渐近线法则绘制根轨迹(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:由开环极点定分支与起点,无零点则终点在无穷远
  • 中间结果:渐近线夹角为正负三分之派,与实轴交点为负三分之二
  • 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
  • 本卷考过按起点、终点、分支数、实轴段与渐近线法则绘制根轨迹(第 1 问)
  • 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
  • 求虚轴交点定稳定 p 范围及共轭虚根时另一极点(第 1、2 问)
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于 jω 代入特征方程,实部虚部同时为零
  • 中间结果:解出临界 p 与虚轴频率后回代求第三个闭环极点
  • 卡点:只算出一组虚轴交点就下结论
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
  • 本卷考过求虚轴交点定稳定 p 范围及共轭虚根时另一极点(第 1、2 问)
  • 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

五五、Bode 图反求传函、性能比较与串联校正18 分#

思路
  • 按各段斜率与转折频率写两系统传函,比较裕度与暂态和稳态性能,传函相除判校正类型。
本卷考法
  • 由图(a)与图(b)的开环对数幅频特性反求两系统开环传函(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定积分环节个数与增益,斜率变化点定环节类型
  • 中间结果:由斜率变化量判断各转折环节的阶次与类型
  • 卡点:斜率变化量对应环节阶次数错,或漏掉低频段高度
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
  • 本卷考过由图(a)与图(b)的开环对数幅频特性反求两系统开环传函(第 1 问)
  • 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
  • 由相角裕度比较两系统的稳定性(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:截止频率处相角加 180 度得相角裕度,裕度越大越稳定
  • 中间结果:由两图转折频率分别算截止频率与相角裕度
  • 卡点:把截止频率与相位穿越频率用反
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
  • 本卷考过由相角裕度比较两系统的稳定性(第 2 问)
  • 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
  • 由相角裕度定性比较两系统超调量与调节时间(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:相角裕度与超调量成反比,用阻尼比近似关系定性判断
  • 中间结果:用两系统相角裕度大小关系反推超调量与调节时间
  • 卡点:只比超调量,忘记同时说明调节时间
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
  • 本卷考过由相角裕度定性比较两系统超调量与调节时间(第 2 问)
  • 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
  • 比较两Ⅰ型系统恒速输入下的稳态误差(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:Ⅰ型系统速度误差系数越大稳态误差越小
  • 中间结果:由两图低频段高度比出速度误差系数再比较恒速误差
  • 卡点:把开环增益与静态速度误差系数混为一谈
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
  • 本卷考过比较两Ⅰ型系统恒速输入下的稳态误差(第 2 问)
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 判断把图(a)校正为图(b)所需串联校正类型并写传函(第 3 问)
本卷实例
  • 关键一步:用目标传函除以原传函得校正装置并分析其频率特性
  • 中间结果:用目标传函除以原传函,由两转折频率大小关系判断类型
  • 卡点:把两个转折频率大小顺序写反,导致校正装置形式判错
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
  • 本卷考过判断把图(a)校正为图(b)所需串联校正类型并写传函(第 3 问)
  • 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

六六、采样系统求输出 Z 变换 C(z)14 分#

思路
  • 由结构图列采样系统的输入输出关系,对连续环节取 z 变换后解出 C(z)。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样系统结构图列闭环脉冲传递函数并求 C(z)
本卷实例
  • 关键一步:先求 G1G2 的 z 变换,再由闭环关系解出 C(z)
  • 中间结果:闭环脉冲传函分母为 1 加 K 乘 G1G2(z)
  • 卡点:把两个无采样开关隔开的连续环节直接相乘
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
  • 本卷考过由采样系统结构图列闭环脉冲传递函数并求 C(z)
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用 z 变换求单位阶跃输入下输出 Z 变换表达式
本卷实例
  • 关键一步:对 1/(s(s+a)) 做 z 变换,先用部分分式展开
  • 中间结果:结果含 z 减 1 与 z 减 e 的负 aT 次方两个因式
  • 卡点:部分分式分解漏项导致 z 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
  • 本卷考过用 z 变换求单位阶跃输入下输出 Z 变换表达式
  • 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

七七、继电非线性系统的描述函数分析16 分#

思路
  • 求线性部分与负倒描述函数曲线,按交点判稳并算自振幅值与振荡频率。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求理想继电特性的描述函数与负倒描述函数曲线(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:理想继电特性 N(A) 等于 4 除以派 A
  • 中间结果:负倒曲线为负派 A 除以 4,随 A 增大沿负实轴伸向负无穷
  • 卡点:画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
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
  • 本卷考过求理想继电特性的描述函数与负倒描述函数曲线(第 1 问)
  • 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
  • 用描述函数法判断系统稳定性并求自振幅值与频率(第 1、2 问)
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分幅相曲线与负实轴交点,再与负倒曲线比较
  • 中间结果:交点模值与负倒曲线相等时解出放大系数 k 与频率
  • 卡点:未标注 A 增大方向就判断稳定性
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
  • 本卷考过用描述函数法判断系统稳定性并求自振幅值与频率(第 1、2 问)
  • 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、状态转移矩阵、离散化与系统等价15 分#

思路
  • 先求状态转移矩阵,再按精确法离散化,最后比较两系统传函判等价。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态方程求状态转移矩阵(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:对 sI 减 A 的逆矩阵做拉氏反变换
  • 中间结果:特征多项式为 s²+5s+4,反变换含两个指数项
  • 卡点:矩阵求逆行列式算错,或拉氏反变换漏项
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
  • 本卷考过由状态方程求状态转移矩阵(第 1 问)
  • 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
  • 求连续系统在 T 等于 1 秒时的离散化状态空间方程(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:G 为状态转移矩阵在 T 处取值,H 为状态转移矩阵乘 B 的积分
  • 中间结果:离散状态矩阵由 e 的负 T 与 e 的负 4T 次方组合
  • 卡点:积分上限写错,或忘记乘输入矩阵 B
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
  • 本卷考过求连续系统在 T 等于 1 秒时的离散化状态空间方程(第 2 问)
  • 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
本卷考法
  • 由两系统传函是否相同判断系统是否等价(第 3 问)
本卷实例
  • 关键一步:分别求两系统传递函数并比较
  • 中间结果:分别求两系统传函并比较其是否相同
  • 卡点:只比较状态矩阵是否相同,忽略相似变换
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
  • 本卷考过由两系统传函是否相同判断系统是否等价(第 3 问)
  • 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

九九、能控标准型与最小实现10 分#

思路
  • 先把传函化为真分式再写能控标准型,最小实现由零极点相消最多的组合确定。
本卷考法
  • 由传递函数求 3 阶能控标准型(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:由分母系数写友矩阵,分子系数写输出矩阵
  • 中间结果:系统矩阵末行为负的分母系数,输出阵由分子系数决定
  • 卡点:友矩阵系数符号写反,或真分式化分处理错误
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求 3 阶能控标准型(第 1 问)
  • 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
  • 由零极点相消求最小实现阶次与参数(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:枚举分子二次式与分母各极点的相消组合并筛选 a 小于 b
  • 中间结果:枚举相消组合并用 a 小于 b 筛选,保留可约去极点最多的组合
  • 卡点:枚举相消组合时遗漏,或未检查 a 小于 b 约束
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
  • 本卷考过由零极点相消求最小实现阶次与参数(第 2 问)
  • 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

十十、平衡状态、BIBO 稳定性与状态反馈极点配置18 分#

思路
  • 令状态导数为零求平衡状态,由传函极点判 BIBO 稳定,再比较特征多项式定反馈阵。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态方程求自由运动平衡状态(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:令两个状态导数同时为零,解代数方程组
  • 中间结果:平衡状态由状态矩阵的零空间确定
  • 卡点:平衡状态与状态空间表达式建立混淆
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 第一法通过线性化系统的特征值判断原系统的局部稳定性
  • 第二法用李雅普诺夫函数直接判断稳定性,无需解方程
  • 李雅普诺夫函数正定且其导数为负定则渐近稳定
  • 线性定常系统中李雅普诺夫方程有正定解等价于系统稳定
步骤
  • 选取或构造李雅普诺夫函数
  • 沿系统轨迹求其对时间的导数
  • 判断函数与导数的正负定性
  • 据此得出稳定性结论
通用考法
  • 本卷考过由状态方程求自由运动平衡状态(第 1 问)
  • 用李雅普诺夫方程判断系统稳定性
  • 构造李雅普诺夫函数证明渐近稳定
  • 分析非线性系统的稳定性范围
常见易错
  • 李雅普诺夫方程中 P、Q 的角色混用
  • 只判断 V 正定就下结论而未检查导数
公式
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数并判 BIBO 稳定(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:求 C 乘 sI 减 A 的逆乘 B,约去零极点后看极点
  • 中间结果:化成传函并约去零极点,由极点位置判 BIBO 稳定性
  • 卡点:不做零极点对消直接看特征值,误判不稳定
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表达式求传递函数并判 BIBO 稳定(第 2 问)
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈使闭环极点为 -3、-3(第 3 问)
本卷实例
  • 关键一步:先验证能控性矩阵满秩,再比较闭环与期望特征多项式
  • 中间结果:由系数对应关系解出反馈阵两个增益元素
  • 卡点:未验证能控性就做极点配置,或系数符号写反
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
  • 本卷考过设计状态反馈使闭环极点为 -3、-3(第 3 问)
  • 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