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合肥工业大学 834 自动控制原理(含现控) 2022 年真题思维导图

211 院校共 9 题

难度:中等 卷面 9 道大题:填空 4 空加八道综合题,重点在状态空间与频域校正,根轨迹与离散综合题计算量较大;两源均未印分值。

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一(1~4)一、填空:响应求传函、裕度与状态空间#

思路
  • 四空分别考线性系统响应叠加、最大相角裕度、状态方程镇定性/能观性与状态转移矩阵反求。
本卷考法
  • 由单位阶跃响应与稳态值反求系统传递函数(第 1 空)
本卷实例
  • 关键一步:由单位阶跃响应的稳态值与输入幅值之比得闭环增益
  • 中间结果:传递函数由 h(t) 的拉氏变换与阶跃输入拉氏变换之比得到
  • 卡点:把响应稳态值当成时间常数,或漏掉输入幅值
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
  • 本卷考过由单位阶跃响应与稳态值反求系统传递函数(第 1 空)
  • 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
  • 求矩形脉冲输入下线性系统的零初始输出(第 1 空)
本卷实例
  • 关键一步:把矩形脉冲分解为两个阶跃叠加,利用线性系统叠加原理
  • 中间结果:输出为 h(t) 与其延迟 h(t-1) 之差再乘脉冲幅值
  • 卡点:只求零状态响应忽略延迟项,或把脉冲当冲激
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
  • 本卷考过求矩形脉冲输入下线性系统的零初始输出(第 1 空)
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求使相角裕度最大时的开环增益 K 与最大裕度(第 2 空)
本卷实例
  • 关键一步:先写相频表达式,求相角裕度取最大时的截止频率
  • 中间结果:由反正切式配方求极大值,再由幅值条件定 K
  • 卡点:把相角裕度公式中的 180 度基准弄错
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开环增益 K 与最大裕度(第 2 空)
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断状态方程渐近稳定条件与系统可观测条件(第 3 空)
本卷实例
  • 关键一步:由状态矩阵特征值实部全负得渐近稳定,由能观性矩阵满秩得可观
  • 中间结果:由特征值实部全负列 a 约束,由能观性矩阵行列式非零列另一约束
  • 卡点:只算特征方程不检查能观性矩阵的行列式
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
  • 本卷考过判断状态方程渐近稳定条件与系统可观测条件(第 3 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵反求系统矩阵 A(第 4 空)
本卷实例
  • 关键一步:对状态转移矩阵在 t 等于 0 处求导得系统矩阵 A
  • 中间结果:矩阵逐元素求导后取 t 等于 0 即可读出 A 各元素
  • 卡点:对矩阵逐元素求导时漏项或符号出错
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反求系统矩阵 A(第 4 空)
  • 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 T 等于 ln2 时的离散化系统矩阵(第 4 空)
本卷实例
  • 关键一步:离散化矩阵为 e 的 AT 次方,把 T 代入状态转移矩阵
  • 中间结果:T 等于 ln2 代回后指数项化简为 1/2 的幂次
  • 卡点:把 ln2 当成 1.2,或直接代时间常数
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 T 等于 ln2 时的离散化系统矩阵(第 4 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

二二、结构图求 C(s)/R(s)、C(s)/N(s) 与扰动不变性#

思路
  • 按梅森公式分别求参考输入与扰动输入传函,再由不变性条件求补偿关系。
本卷考法
  • 用梅森增益公式化简多回路结构图(第 1、2 问)
本卷实例
  • 关键一步:先列全部回路增益与不接触组合,再写两条前向通路
  • 中间结果:特征式为回路贡献的组合,分子为前向通路乘余子式之和
  • 卡点:余子式中未剔除与前向通路接触的回路
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
  • 本卷考过用梅森增益公式化简多回路结构图(第 1、2 问)
  • 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
本卷考法
  • 求参考输入与扰动输入分别作用下的传函及扰动不变性条件(第 1~3 问)
本卷实例
  • 关键一步:求扰动传函时把参考输入置零,分别列回路与通路
  • 关键一步:令扰动传函恒为零,得前向通道与反馈通道的匹配条件
  • 中间结果:C/R 与 C/N 分母相同,分子由各自通路决定
  • 卡点:两个输入同时存在时直接叠加却未验证线性性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 线性系统可用叠加原理,每次只保留一个输入
  • 求扰动的传递函数时令参考输入为零
  • 扰动误差与输入误差分别计算后再叠加
步骤
  • 令 R(s)=0,求扰动到输出的传递函数
  • 令 N(s)=0,求输入到输出的传递函数
  • 按题目要求叠加或单独分析
通用考法
  • 本卷考过求参考输入与扰动输入分别作用下的传函及扰动不变性条件(第 1~3 问)
  • 求扰动引起的输出或误差
  • 分析满足扰动不变性的补偿条件
常见易错
  • 两个输入同时存在时直接叠加却未验证系统的线性性
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式

三三、比例负反馈校正对二阶系统性能的影响#

思路
  • 由结构图与阶跃响应曲线求原系统及校正后闭环传函、kp 与调节时间,再定性比较。
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
  • 由结构图求原系统闭环传函并由响应曲线定参数(第 1、2 问)
本卷实例
  • 关键一步:由阶跃响应超调量与峰值定阻尼比,再由响应求自然频率
  • 中间结果:原系统闭环传函分母为标准二阶形式,kp 由闭环增益匹配
  • 卡点:化为标准二阶形式时忘记把 s² 项系数归一
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
  • 本卷考过由结构图求原系统闭环传函并由响应曲线定参数(第 1、2 问)
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环传函求 5% 误差带的调节时间(第 1、2 问)
本卷实例
  • 关键一步:按阻尼比与自然频率套 5% 误差带调节时间近似公式
  • 中间结果:原系统与校正后系统的调节时间由各自阻尼比与自然频率算出
  • 卡点:把 2% 与 5% 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
  • 本卷考过由闭环传函求 5% 误差带的调节时间(第 1、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
  • 分析比例负反馈校正对系统性能的影响(第 3 问)
本卷实例
  • 关键一步:比例负反馈降低环路增益、提高阻尼,牺牲稳态精度换平稳性
  • 中间结果:由校正后阻尼比与环路增益的变化分别讨论动态与稳态性能
  • 卡点:只说响应变快或变慢,未同时说明稳态精度变化
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过分析比例负反馈校正对系统性能的影响(第 3 问)
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式

四四、根轨迹绘制、共轭极点定位与主导极点条件#

思路
  • 按法则绘制根轨迹,由实部条件定 K 与极点,再由主导极点距离比求 K 范围。
本卷考法
  • 按法则绘制 K 从 0 到无穷大的闭环根轨迹(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:由开环极点零点定起点终点、实轴段与渐近线
  • 中间结果:三条分支均终止于无穷远,渐近线夹角为 60 度与 180 度
  • 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
  • 本卷考过按法则绘制 K 从 0 到无穷大的闭环根轨迹(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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹的分离点与会合点(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:由 dK/ds 等于零列方程并筛选在根轨迹上的解
  • 中间结果:得到分离点坐标并舍去不在根轨迹上的根
  • 卡点:求出方程根后不筛选,保留不在根轨迹上的解
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
  • 本卷考过求根轨迹的分离点与会合点(第 1 问)
  • 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
  • 由共轭极点实部与主导极点距离条件确定 K 及极点(第 2、3 问)
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于负 0.25 加 jω 代入闭环特征方程求 K
  • 中间结果:由非主导极点到虚轴距离不小于主导极点四倍得 K 范围
  • 卡点:把非主导极点距离四倍关系的不等式方向写反
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
  • 本卷考过由共轭极点实部与主导极点距离条件确定 K 及极点(第 2、3 问)
  • 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
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
  • 用主导极点概念分析根轨迹上极点的移动速度(第 4 问)
本卷实例
  • 关键一步:由根轨迹上三个动点的位置与对称性定性判断移动快慢
  • 中间结果:用根轨迹对称性与实轴段走向定性比较三个动点速率
  • 卡点:把主导极点的定义与极点移动速度混为一谈
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
  • 本卷考过用主导极点概念分析根轨迹上极点的移动速度(第 4 问)
  • 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

五五、频域裕度计算与串联校正设计#

思路
  • 由开环传函绘制近似对数曲线并算裕度,再用参考模型法反求串联校正装置。
本卷考法
  • 绘制开环对数幅频与相频近似曲线(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:由型别和开环增益定低频段斜率与高度,再按转折频率逐段改斜率
  • 中间结果:低频段过点 (1,20),转折频率 10 处斜率由 -20 变 -40
  • 卡点:逐段改斜率时忘记是累加而不是替换
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 熟记 lg2≈0.3、lg5≈0.7、20lg2≈6dB
  • 从低频段开始逐段按各环节转折频率改变斜率
  • 低频段斜率由系统型别决定,高度由开环增益决定
  • 每经过一个转折频率斜率就叠加该环节的斜率变化
步骤
  • 把开环传递函数写成典型环节的标准乘积
  • 确定系统型别与开环增益,画出最低频段渐近线
  • 按转折频率从小到大逐段改斜率
  • 逐点叠加得到幅频与相频曲线
通用考法
  • 本卷考过绘制开环对数幅频与相频近似曲线(第 1 问)
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
  • 计算指定频率处的幅值与相角
  • 由低频段斜率与高度判断型别与增益
常见易错
  • 逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 低频段起始高度没有乘上型别的 -20v dB/dec
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由近似曲线计算相角裕度与幅值裕度(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:先求截止频率与相位穿越频率,再分别算裕度
  • 中间结果:由截止频率与相位穿越频率处的幅值、相角分别算两裕度
  • 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
  • 本卷考过由近似曲线计算相角裕度与幅值裕度(第 1 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
本卷考法
  • 用参考模型校正(期望特性法)求串联校正装置传函(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:先写期望开环特性,再与原开环传递函数相除
  • 中间结果:用期望开环特性除以原开环特性得校正装置的因式分解形式
  • 卡点:期望特性中频段或转折频率取错,导致校正装置不可实现
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 期望特性法直接按指标画出希望的开环对数幅频特性
  • 用期望特性减去未校正特性得到校正装置特性
  • 关键是确定低频段高度、中频段宽度与高频段斜率
  • 中频段斜率一般取 -20 dB/dec 并保持足够宽度
步骤
  • 按稳态要求确定低频段斜率与高度
  • 按相角裕度要求确定中频段宽度与截止频率
  • 按抗噪要求确定高频段斜率
  • 相减求得校正装置并检验可实现性
通用考法
  • 本卷考过用参考模型校正(期望特性法)求串联校正装置传函(第 2 问)
  • 用期望特性法设计校正装置
  • 说明中频段宽度与相角裕度的关系
  • 由校正装置特性反写传递函数
常见易错
  • 期望特性的中频段取窄导致裕度不足
  • 相减后得到的特性不可物理实现却未检查
公式

六六、采样系统稳定域、稳态误差与阶跃响应#

思路
  • 先求闭环脉冲传函用朱莉判据定 K 范围,再由稳态误差要求反求采样周期并写响应前三项。
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用朱莉判据求采样系统稳定时 K 范围(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:由开环脉冲传函写闭环特征方程,套朱莉判据列不等式
  • 中间结果:D(1) 大于零、D(-1) 大于零与常数项模小于 1 给出 K 上界
  • 卡点:把离散系统稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
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
  • 本卷考过用朱莉判据求采样系统稳定时 K 范围(第 1 问)
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 由稳态误差要求反求采样周期 T(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:对斜坡输入用速度误差系数列稳态误差表达式再反解 T
  • 中间结果:稳态误差与采样周期成正比,由误差等于 0.1 解出 T
  • 卡点:直接套 s 域静态误差系数公式处理离散系统
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
  • 本卷考过由稳态误差要求反求采样周期 T(第 2 问)
  • 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
  • 求离散系统阶跃响应表达式的前三项(第 3 问)
本卷实例
  • 关键一步:由闭环脉冲传函做长除法或 z 反变换得到输出序列
  • 中间结果:输出序列前三项由特征方程根与初值确定
  • 卡点:部分分式或长除时符号出错,导致前三项不对
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
  • 本卷考过求离散系统阶跃响应表达式的前三项(第 3 问)
  • 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、死区继电非线性的描述函数法求 K 范围#

思路
  • 写出负倒描述函数曲线,由线性部分与它的交点位置列稳定条件反求 K。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求含死区继电特性的描述函数与负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按给定 N(x) 表达式直接写负倒描述函数并分析其极值
  • 中间结果:负倒曲线存在极值点,随 x 增大先左移后返回
  • 卡点:忽略描述函数的适用条件 x 大于等于 h
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
  • 本卷考过求含死区继电特性的描述函数与负倒描述函数
  • 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
  • 用描述函数法分析系统稳定时 K 的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分奈氏曲线与负倒曲线交点,按稳定判据列不等式
  • 中间结果:由临界交点对应的模值反解出 K 的临界值
  • 卡点:未判断 A 增大方向,稳定与不稳定区间判反
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分析系统稳定时 K 的取值范围
  • 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、结构图写状态空间表达式、状态转移矩阵与李雅普诺夫判稳#

思路
  • 由图选状态变量列状态方程,再求转移矩阵并用李雅普诺夫方程判稳。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由结构图指定状态变量列写状态空间表达式(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:按图中指定状态变量写微分方程并整理成矩阵形式
  • 中间结果:得到 A、B、C 矩阵,输出方程由指定输出量确定
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配,或输出方程漏项
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
  • 本卷考过由结构图指定状态变量列写状态空间表达式(第 1 问)
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:对 sI 减 A 的逆做拉氏反变换
  • 中间结果:特征方程根决定转移矩阵中指数项的形式
  • 卡点:矩阵求逆行列式算错或反变换漏项
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
  • 本卷考过求状态转移矩阵(第 2 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫直接法判别系统稳定性(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:取正定矩阵 Q 解李雅普诺夫方程得 P,再判 P 的正定性
  • 中间结果:若 P 正定则系统渐近稳定,否则不稳定
  • 卡点:把李雅普诺夫方程中 P、Q 的角色混用
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
  • 本卷考过用李雅普诺夫直接法判别系统稳定性(第 2 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

九九、状态反馈极点配置与全维状态观测器设计#

思路
  • 先验证能控性再配状态反馈阵,对偶验证能观性后配观测器增益阵。
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 -1、-2、-3(第 1 问)
本卷实例
  • 关键一步:先算能控性矩阵满秩,再比较期望与闭环特征多项式
  • 中间结果:由系数对应关系解出三个反馈增益
  • 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
  • 本卷考过设计状态反馈使闭环极点为 -1、-2、-3(第 1 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计全维状态观测器使极点为 -4、-5、-6(第 2 问)
本卷实例
  • 关键一步:由能观性矩阵满秩后设观测器增益阵,比较特征多项式
  • 中间结果:由期望极点多项式系数解出观测器增益阵
  • 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
  • 本卷考过设计全维状态观测器使极点为 -4、-5、-6(第 2 问)
  • 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