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华北电力大学(保定) 821 自动控制理论(含现控) 2022 年真题思维导图

211 院校共 7 题合计 150 分

难度:中等偏上 七道大题覆盖结构图与扰动前馈、单回路比例积分控制、机械系统建模与二阶响应、双容水箱与奈奎斯特判据、状态空间稳定性与最小实现、状态反馈与观测器、离散差分方程;多题要求画奈氏或 Bode 草图,图题只写结构性步骤。

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一一、结构图与扰动补偿、稳定域25 分#

思路
  • 由方框图分别求开环、给定与扰动通道的闭环传函和误差传函;列闭环特征方程用劳斯判据求 k 稳定区间;由单位斜坡稳态误差要求列不等式;最后令扰动到输出传函为零反解前馈控制器并判断可实现性。
本卷考法
  • 求给定与扰动分别作用时的闭环传函和误差传函
本卷实例
  • 关键一步:求某一输入通道传函时把另一输入置零
  • 关键一步:按结构图分别列出给定前向通路与扰动前向通路
  • 中间结果:两个通道共享同一闭环特征多项式,仅分子不同
  • 卡点:求扰动传函时未把参考输入置零
  • 卡点:结构图为原卷插图,反馈极性需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求给定与扰动分别作用时的闭环传函和误差传函
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求闭环系统对参数 k 的稳定区间
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程整理成 k 的多项式
  • 关键一步:列劳斯表并令首列元素同号
  • 中间结果:k 的稳定区间由几个不等式取交集得到
  • 卡点:特征方程缺项时未补零
  • 卡点:把不等式端点是否包含写错
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求闭环系统对参数 k 的稳定区间
  • 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
  • 由单位斜坡稳态误差上限反求参数 k 范围
本卷实例
  • 关键一步:先按系统型别写出速度误差系数
  • 关键一步:把稳态误差表示成 k 的函数后代入不等式
  • 中间结果:满足误差上限的 k 区间需与稳定区间取交集
  • 卡点:未判稳就使用稳态误差公式
  • 卡点:把斜坡输入稳态误差与阶跃输入公式混用
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
  • 本卷考过由单位斜坡稳态误差上限反求参数 k 范围
  • 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
  • 设计前馈控制器使扰动对输出的影响为零并讨论可实现性
本卷实例
  • 关键一步:写出扰动到输出的传函并令其分子为零
  • 关键一步:反解前馈控制器的传递函数
  • 中间结果:前馈控制器为扰动通道与给定通道相应环节之比
  • 卡点:求出的前馈控制器可能含纯微分而物理不可实现
  • 卡点:未说明实现的近似条件
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
  • 本卷考过设计前馈控制器使扰动对输出的影响为零并讨论可实现性
  • 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

二二、单回路比例积分控制20 分#

思路
  • 比例控制时闭环为一阶系统,由调节时间反求 k 并求单位阶跃稳态误差;积分控制时闭环成二阶系统,先由终值定理求稳态误差,再由调节时间和超调量条件确定 k 范围。
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由一阶闭环系统的调节时间要求反求比例增益
本卷实例
  • 关键一步:写出比例控制时的闭环一阶传函
  • 关键一步:按百分之五误差带的调节时间公式反解时间常数
  • 中间结果:比例增益由闭环时间常数与对象时间常数的关系确定
  • 卡点:把百分之五误差带的系数当成百分之二
  • 卡点:忽略控制器与对象串联后的时间常数
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
  • 本卷考过由一阶闭环系统的调节时间要求反求比例增益
  • 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
  • 求比例控制和积分控制下单位阶跃输入的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先由开环传函原点极点个数判断系统型别
  • 关键一步:按型别直接读出单位阶跃输入的稳态误差
  • 中间结果:有积分环节时单位阶跃稳态误差为零
  • 卡点:未判稳就代入终值定理
  • 卡点:把一阶对象加比例控制误判为无差系统
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
  • 本卷考过求比例控制和积分控制下单位阶跃输入的稳态误差
  • 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
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
  • 由积分控制下的闭环特征式读取阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征多项式整理成二阶标准形
  • 关键一步:对照一次项与常数项读出两个参数
  • 中间结果:积分增益同时影响阻尼比与自然频率
  • 卡点:未把最高次项系数归一
  • 卡点:把对象时间常数与积分时间常数混淆
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
  • 本卷考过由积分控制下的闭环特征式读取阻尼比与自然频率
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量上限求积分增益的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比下限
  • 关键一步:把阻尼比与积分增益的关系代入得不等式
  • 中间结果:超调量小于百分之四点三对应阻尼比大于零点七零七
  • 卡点:超调量公式中漏乘百分之百
  • 卡点:把阻尼比不等号方向写反
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
  • 本卷考过由超调量上限求积分增益的取值范围
  • 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

三三、机电系统建模与响应15 分#

思路
  • 由牛顿第二定律对质量块列微分方程并整理成传递函数;由终值定理求单位阶跃输入下的稳态值;把新增质量视为质量参数变化,重新求阻尼比后代入超调量公式。
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由机械系统受力图列写微分方程并求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按牛顿第二定律写出质量块所受合力等于质量乘加速度
  • 关键一步:把弹簧力与阻尼力按位移和速度方向列式
  • 中间结果:微分方程经拉氏变换得质量乘 s 平方加阻尼乘 s 加刚度的分母
  • 卡点:弹簧力与阻尼力正负号取反
  • 卡点:图中受力方向与质量块连接方式需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 依据牛顿第二定律或达朗贝尔原理列方程
  • 三种基本元件:质量 m、粘性阻尼 f、弹簧 k
  • 同一方向取正,反向取负,逐项列出合力
步骤
  • 选定正方向并作受力分析
  • 分别写出质量、阻尼、弹簧对应的力
  • 按 F=ma 列写运动方程
  • 取拉氏变换整理成传递函数
通用考法
  • 本卷考过由机械系统受力图列写微分方程并求传递函数
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 两质量块经弹簧阻尼连接的系统建模
常见易错
  • 阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
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
  • 由传递函数求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把传递函数分母写成标准二阶形式
  • 关键一步:比较一次项和常数项系数
  • 中间结果:阻尼比等于阻尼除以两倍根号下质量乘刚度
  • 卡点:未先确认质量与刚度均为正值
  • 卡点:把阻尼系数与刚度的单位量纲混用
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
  • 本卷考过由传递函数求阻尼比与自然频率
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比计算二阶系统单位阶跃响应的超调量
本卷实例
  • 关键一步:先由终值定理求稳态值
  • 关键一步:把新质量代入参数后求阻尼比再算超调量
  • 中间结果:超调量只与阻尼比有关,随阻尼比增大而减小
  • 卡点:把新增物体的重力当作初速度处理
  • 卡点:忽略题目说明的初始速度和重力加速度影响
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
  • 本卷考过由阻尼比计算二阶系统单位阶跃响应的超调量
  • 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

四四、双容水箱与奈奎斯特判据30 分#

思路
  • 由方框图求开环传函,分别按比例、积分、比例积分控制器画奈奎斯特曲线,用奈奎斯特判据求 k 的稳定区间;令 k 等于一求单位阶跃输入下各方案稳态误差;最后针对上游水压扰动给出优化方案。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环奈奎斯特曲线判断闭环稳定性并求参数稳定区间
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数
  • 关键一步:再观察曲线对负一临界点的包围情况
  • 中间结果:闭环稳定条件转化为曲线不包围临界点的参数范围
  • 卡点:开环含积分环节时未补画无穷大圆弧
  • 卡点:包围圈数正负号定义搞反
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
  • 本卷考过由开环奈奎斯特曲线判断闭环稳定性并求参数稳定区间
  • 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
  • 分别讨论比例、积分与比例积分控制器对稳定性和误差的影响
本卷实例
  • 关键一步:写出三种控制器下开环传函的表达式
  • 关键一步:比较积分环节对系统型别与相位的影响
  • 中间结果:引入积分环节提高型别但增加相位滞后
  • 卡点:把比例积分控制器误当成超前环节
  • 卡点:积分时间取值改变不改变低频斜率但影响转折频率
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
  • 本卷考过分别讨论比例、积分与比例积分控制器对稳定性和误差的影响
  • 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
本卷考法
  • 求双容水箱系统在单位阶跃设定值下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判断闭环系统在所给控制器参数下稳定
  • 关键一步:按开环型别写出单位阶跃误差公式
  • 中间结果:含积分环节时单位阶跃输入稳态误差为零
  • 卡点:未判稳就代入终值定理
  • 卡点:把设定值水位与实际水位之差当成误差定义
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
  • 本卷考过求双容水箱系统在单位阶跃设定值下的稳态误差
  • 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
前馈与比值控制 过程控制与检测仪表
本卷考法
  • 分析上游水压扰动并提出前馈或比值控制优化方案
本卷实例
  • 关键一步:把上游水压视为可测扰动并写出其对水位的影响通道
  • 关键一步:按前馈补偿思想设计补偿通道或调整控制器参数
  • 中间结果:前馈补偿器由扰动通道与给定通道的比值确定
  • 卡点:补偿器不可实现时未说明近似条件
  • 卡点:忽略副回路对扰动的抑制作用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 前馈按扰动直接补偿,属于开环控制,不改变原回路稳定性
  • 完全不变性条件要求前馈通道传递函数等于扰动通道与调节通道之比的倒数
  • 比值控制保持两个流量成给定比例,常用开环比值与双闭环比值
  • 前馈与反馈组合成复合控制系统
步骤
  • 写出扰动通道与调节通道的传递函数
  • 按不变性条件求前馈补偿器
  • 对两个需配比的量确定比值系数与乘除环节位置
  • 画出复合或比值控制系统方框图
通用考法
  • 本卷考过分析上游水压扰动并提出前馈或比值控制优化方案
  • 求前馈补偿器使扰动对被控量不产生影响
  • 设计比值控制系统并计算比值系数
  • 说明前馈为什么不影响稳定性
常见易错
  • 前馈补偿器求出含高阶微分、不可实现却直接采用
  • 比值系数没有换算成仪表量程
公式

五五、状态空间稳定性与最小实现25 分#

思路
  • 由状态方程求预解矩阵和传递函数;根据传递函数极点判断外部稳定性;分别构造能控性和能观性矩阵;约去传递函数中的零极点对消后按能控标准型写最小实现。
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数并判断零极点对消
本卷实例
  • 关键一步:求预解矩阵后按输出矩阵乘预解矩阵再乘输入矩阵
  • 关键一步:对分子分母进行因式分解并约去公因子
  • 中间结果:传递函数极点少于系统阶数时存在零极点对消
  • 卡点:漏掉直接传递项
  • 卡点:把系统阶数直接当成传递函数极点数
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断零极点对消
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用特征方程和劳斯判据判断系统外部稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先由传递函数分母写出特征方程
  • 关键一步:列劳斯表观察首列符号
  • 中间结果:传递函数分母出现不稳定根则外部不稳定
  • 卡点:把外部稳定与内部稳定混为一谈
  • 卡点:特征方程缺项时未补零
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
  • 本卷考过用特征方程和劳斯判据判断系统外部稳定性
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断四阶系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:按输入矩阵与状态矩阵构造能控判别矩阵
  • 关键一步:按输出矩阵与状态矩阵构造能观判别矩阵
  • 中间结果:两个判别矩阵均满秩时系统既能控又能观
  • 卡点:只算到三阶子式就下结论
  • 卡点:把能控判别矩阵与能观判别矩阵的构造顺序弄反
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
  • 本卷考过判断四阶系统的能控性与能观性
  • 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
本卷考法
  • 由约简后的传递函数写出能控标准型最小实现
本卷实例
  • 关键一步:把传递函数化为真分式并确定直接传递项
  • 关键一步:按分母系数写友矩阵与输入矩阵
  • 中间结果:最小实现维数等于约简后传递函数的阶数
  • 卡点:友矩阵系数符号写反
  • 卡点:未处理真分式化分中的直接项
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
  • 本卷考过由约简后的传递函数写出能控标准型最小实现
  • 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

六六、状态反馈与观测器25 分#

思路
  • 先用李雅普诺夫第一法由特征值判断被控对象稳定性;验证能控后设状态反馈矩阵,按期望极点写特征多项式比对系数求 K;再判断反馈后系统的能观性;不可测状态由全维观测器重构后实现状态反馈。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫第一法分析被控对象的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求系统矩阵的特征值
  • 关键一步:按特征值是否全在左半平面判断平衡状态稳定性
  • 中间结果:存在正实部特征值则原系统不稳定
  • 卡点:把李雅普诺夫第一法说成第二法
  • 卡点:未先求特征多项式就直接看矩阵元素符号
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第一法分析被控对象的稳定性
  • 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
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位于负十一、负十二和负三
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写出期望特征多项式
  • 关键一步:设反馈矩阵求闭环特征多项式并比较同次项系数
  • 中间结果:三个反馈增益由三个系数方程确定
  • 卡点:未验证能控性
  • 卡点:状态反馈符号与状态方程中的输入符号弄反
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位于负十一、负十二和负三
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断状态反馈后闭环系统的能观性
本卷实例
  • 关键一步:用反馈后的状态矩阵与输出矩阵构造能观判别矩阵
  • 关键一步:计算其秩并与系统阶数比较
  • 中间结果:能观判别矩阵满秩则状态反馈不破坏能观性
  • 卡点:仍用反馈前的状态矩阵计算
  • 卡点:把秩与行列式的关系用错
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
  • 本卷考过判断状态反馈后闭环系统的能观性
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 说明状态变量不可测时如何用观测器实现状态反馈
本卷实例
  • 关键一步:按能观性条件设计全维状态观测器
  • 关键一步:用观测状态代替真实状态构成反馈律
  • 中间结果:观测器极点应比闭环极点更快以减小观测误差影响
  • 卡点:把观测器增益与状态反馈增益混淆
  • 卡点:忽略观测器极点过快会放大噪声
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
  • 本卷考过说明状态变量不可测时如何用观测器实现状态反馈
  • 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

七七、离散差分方程与稳定10 分#

思路
  • 对差分方程两边取 z 变换,利用移位定理整理出闭环脉冲传递函数;令特征多项式为零求闭环极点,按全部极点的模小于一判断稳定性。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由差分方程求闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:设零初始条件后对差分方程两边取 z 变换
  • 关键一步:按移位定理把超前项写成 z 的幂与变换式之积
  • 中间结果:输出变换式与输入变换式之比即为闭环脉冲传函
  • 卡点:漏掉移位定理带来的初始条件项
  • 卡点:把差分方程的阶数与传函阶数弄混
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
  • 本卷考过由差分方程求闭环脉冲传递函数
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环特征方程的根判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令特征多项式为零求两个特征根
  • 关键一步:比较特征根的模与一的大小
  • 中间结果:两个特征根模均小于一则该离散系统稳定
  • 卡点:把稳定条件误写成实部小于零
  • 卡点:共轭复根的模计算错误
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的根判断离散系统稳定性
  • 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