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华东理工大学 816 控制原理 2024 年真题思维导图

211 院校共 8 题合计 150 分

难度:中等 8 道综合计算题,覆盖信号流图与梅森公式、参数变化对稳定性与动态性能及稳态误差的影响、圆轨迹根轨迹与临界参数、非最小相位系统奈氏分析、由闭环对数幅频反求开环传函与裕度调整、采样系统稳定与稳态误差、描述函数法求自振条件与振幅频率、能控标准型与状态反馈极点配置。

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一一、由方程组画信号流图并用梅森公式求传函15 分#

思路
  • 把五个信号方程按因果关系画成信号流图,找出三个两两接触的回路与各前向通道,判断通路与回路的接触关系,代入梅森公式求闭环传函。
本卷考法
  • 由信号方程组画信号流图并用梅森公式求传函
本卷实例
  • 关键一步:按方程把各中间信号依次表示为上游信号的组合再连线
  • 关键一步:列出全部回路并判断两两是否接触
  • 中间结果:共三条回路且两两接触,无互不接触项
  • 中间结果:共五条前向通道,其中一条的余子式含单回路项
  • 卡点:源文方程组含 OCR 箭头残迹,需回原卷核对各变量关系
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
  • 本卷考过由信号方程组画信号流图并用梅森公式求传函
  • 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

二二、参数变化对稳定性、动态性能与稳态误差的影响20 分#

思路
  • 由结构图化简求闭环传函并化为标准二阶形式,由阻尼系数随参数变化判断稳定性与超调量、调节时间的变化趋势;再由开环传函求速度误差系数,判断参数对斜坡输入稳态误差的影响。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由含局部反馈的结构图求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先化简局部反馈再与串联环节相乘
  • 关键一步:把结果整理成标准二阶形式
  • 中间结果:闭环特征方程的二阶项系数与参数有关
  • 中间结果:结构图含两个积分环节与一个反馈系数
  • 卡点:需回原卷核对图1中反馈系数的接入位置
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
  • 本卷考过由含局部反馈的结构图求闭环传递函数
  • 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
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
  • 判断参数增大对阻尼比与动态性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:由标准二阶形式的系数读出阻尼比与自然频率
  • 关键一步:分析该参数增大时阻尼比的单调变化
  • 中间结果:参数增大使阻尼比增大、超调量减小
  • 中间结果:调节时间与阻尼比乘自然频率成反比
  • 卡点:自然频率也可能随参数变化,须同时看两者
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
  • 本卷考过判断参数增大对阻尼比与动态性能的影响
  • 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
  • 求速度误差系数并分析参数对斜坡输入稳态误差的影响
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函求速度误差系数
  • 关键一步:按稳态误差等于输入幅值除以速度误差系数分析
  • 中间结果:系统为一型系统,对斜坡输入有差
  • 中间结果:速度误差系数与该参数成反比
  • 卡点:须在稳定前提下讨论误差随参数的变化
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
  • 本卷考过求速度误差系数并分析参数对斜坡输入稳态误差的影响
  • 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

三三、圆轨迹根轨迹、临界参数与调节时间求复根20 分#

思路
  • 由开环传函按法则画根轨迹并证其为圆;由特征方程与虚轴交点求系统稳定条件和临界增益、振荡频率;再由调节时间确定复根实部,代入特征方程求增益与虚部。
本卷考法
  • 绘制含一个右半平面极点的根轨迹并判断实轴段
本卷实例
  • 关键一步:标出开环零极点并判断实轴上的根轨迹段
  • 关键一步:求渐近线、分离点与虚轴交点
  • 中间结果:实轴段为负无穷到零点的区间与零到正极点区间
  • 中间结果:两分支在实轴上分离后进入复平面
  • 卡点:分离点方程的解须按实轴段筛选
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
  • 本卷考过绘制含一个右半平面极点的根轨迹并判断实轴段
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界增益与振荡频率
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于 jω 代入闭环特征方程
  • 关键一步:令实部与虚部分别为零并联立求解
  • 中间结果:临界增益对应一对纯虚根
  • 中间结果:临界增益之上系统稳定
  • 卡点:只取到一组非零解时仍要说明另一组对应原点
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及临界增益与振荡频率
  • 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
  • 由调节时间要求确定复根实部并反求增益
本卷实例
  • 关键一步:由调节时间公式算出复根实部大小
  • 关键一步:把复根代入特征方程,由实部虚部分别对应系数
  • 中间结果:复根实部与调节时间成反比
  • 中间结果:增益由实部与虚部平方和给出
  • 卡点:调节时间用百分之五误差带对应系数三点五
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
  • 本卷考过由调节时间要求确定复根实部并反求增益
  • 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

四四、非最小相位系统奈氏分析与参数求解20 分#

思路
  • 由开环传函画奈氏曲线,按相位穿越频率判断曲线是否包围临界点,分参数范围讨论稳定性;再由相角、幅值和斜坡稳态误差三个条件联立求系统参数与频率特性。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 画非最小相位系统奈氏曲线并分参数讨论稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求开环右半平面极点数并与曲线包围临界点圈数代入 Z 等于 P 加 N
  • 关键一步:由相位穿越频率处幅值是否大于一判断包围
  • 中间结果:开环无右半平面极点,故包围即不稳定
  • 中间结果:相位穿越频率由令相角等于负一百八十度求得
  • 卡点:右半平面零点使相频曲线与一般惯性环节走向不同
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
  • 本卷考过画非最小相位系统奈氏曲线并分参数讨论稳定性
  • 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
  • 分析非最小相位零点对奈氏曲线与稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较同幅频特性的最小与非最小相位系统相频曲线
  • 关键一步:非最小相位系统相位滞后更大
  • 中间结果:右半平面零点使相位范围明显下移
  • 中间结果:相同幅值条件下更易包围临界点
  • 卡点:勿把右半平面零点与右半平面极点混淆
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过分析非最小相位零点对奈氏曲线与稳定性的影响
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
本卷考法
  • 由斜坡输入稳态误差条件反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:由单位斜坡输入求速度误差系数
  • 关键一步:稳态误差等于速度误差系数的倒数
  • 中间结果:系统为一型系统,速度误差系数等于开环增益
  • 中间结果:结合幅值与相角条件可解出三个参数
  • 卡点:三个条件须联立求解,单独一个不足以定全部参数
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
  • 本卷考过由斜坡输入稳态误差条件反求开环增益
  • 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

五五、由闭环对数幅频特性反求开环传函与增益调整20 分#

思路
  • 由闭环对数幅频特性读出开环型别、转折频率与低频高度写出闭环传函;再由闭环与开环关系反解开环传函并识别典型环节;最后按给定相角裕度求截止频率并反求开环增益。
本卷考法
  • 由闭环对数幅频特性曲线反求闭环与开环传函
本卷实例
  • 关键一步:由起始斜率定型别、由转折频率写闭环传函
  • 关键一步:由闭环传函与开环传函的关系反解开环传函
  • 中间结果:闭环传函为三个惯性环节串联
  • 中间结果:开环传函由闭环分母减分子得到
  • 卡点:需回原卷核对图2闭环幅频曲线的低频高度与转折频率
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 谐振峰值 Mr 越大振荡越强,通常要求 Mr 在 1.1 到 1.5 之间
  • 谐振频率 ωr 与峰值时间相关
  • 带宽频率 ωb 越大响应越快但抗噪能力下降
  • 由等 M 圆与等 N 圆可由开环频率特性求闭环特性
步骤
  • 由开环频率特性求闭环频率特性
  • 读出谐振峰值、谐振频率与带宽
  • 按经验公式估计超调量与调节时间
通用考法
  • 本卷考过由闭环对数幅频特性曲线反求闭环与开环传函
  • 由闭环幅频特性求谐振峰值与带宽
  • 由 Mr 估算超调量
  • 分析带宽与响应速度的关系
常见易错
  • 当 ξ>0.707 时仍套用谐振峰值公式
  • 把开环谐振与闭环谐振混为一谈
公式
本卷考法
  • 指出开环传函由哪些典型环节组成
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函分解为比例、积分与惯性环节的乘积
  • 关键一步:按各环节写出对应的转折频率
  • 中间结果:开环含一个积分环节与两个惯性环节及比例环节
  • 中间结果:起始斜率为负二十分贝每十倍频
  • 卡点:开环增益的数值须由闭环低频高度换算
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 六种典型环节:比例、积分、微分、惯性、振荡、延迟
  • 惯性环节由时间常数 T 描述,T 越小响应越快
  • 振荡环节由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 共同描述
  • 延迟环节只改变相位,不改变幅值
步骤
  • 把传递函数分解为若干典型环节的乘积
  • 逐环节写出幅频与相频表达式
  • 按环节类型判断对系统性能的影响
通用考法
  • 本卷考过指出开环传函由哪些典型环节组成
  • 指出给定传递函数由哪些典型环节串联组成
  • 由阶跃响应曲线或 Bode 图识别环节类型
  • 比较两个系统的时间常数大小
常见易错
  • 把一阶微分环节 (τs+1) 与纯微分环节 s 混为一谈
  • 把延迟环节的相位滞后误当作幅值衰减
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度要求确定截止频率并反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:令相角裕度等于给定值,解出对应的截止频率
  • 关键一步:令该频率处幅值等于一,解出所需开环增益
  • 中间结果:相角裕度由一百八十度加开环相角给出
  • 中间结果:增益与截止频率由幅值条件联立确定
  • 卡点:截止频率必须先由相角条件定出,不能先假定
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要求确定截止频率并反求开环增益
  • 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

六六、采样系统稳定范围与稳态误差约束15 分#

思路
  • 由含零阶保持器与延迟环节的开环脉冲传函写闭环特征方程,用朱利判据求稳定增益范围;再求误差脉冲传函,按阶跃加斜坡输入用终值定理求稳态误差并解出增益下界。
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用朱利判据求采样系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征多项式列出朱利判据条件
  • 关键一步:解不等式组取交集得稳定增益范围
  • 中间结果:特征多项式为三阶且常数项含增益
  • 中间结果:稳定范围为原点右侧一段开区间
  • 卡点:需回原卷核对图3中延迟环节的位置与阶数
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
  • 本卷考过用朱利判据求采样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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器与延迟环节的开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把零阶保持器与被控对象相乘后整体取 z 变换
  • 关键一步:延迟环节用 z 的负幂次表示
  • 中间结果:延迟环节使开环脉冲传函分子含 z 的负幂
  • 中间结果:闭环特征方程由开环脉冲传函代入反馈公式得到
  • 卡点:采样开关位置不同会使闭环脉冲传函写错
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
  • 本卷考过求含零阶保持器与延迟环节的开环脉冲传函
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求阶跃加斜坡输入下的离散稳态误差并反解增益
本卷实例
  • 关键一步:由误差脉冲传函乘输入 z 变换取 z 趋于一的极限
  • 关键一步:令稳态误差小于给定值解出增益范围
  • 中间结果:阶跃分量误差为零、斜坡分量误差与增益成反比
  • 中间结果:误差条件给出增益下界
  • 卡点:用终值定理前须先确认系统稳定
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
  • 本卷考过求阶跃加斜坡输入下的离散稳态误差并反解增益
  • 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

七七、描述函数法分析非线性系统自振20 分#

思路
  • 把线性部分化为等效开环并令虚部为零求自振频率,由负倒描述函数与线性部分幅相曲线在负实轴相交列自振方程,解出自振频率与振幅并写出参数满足的条件。
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
本卷实例
  • 关键一步:按定义取正弦输入下一次谐波分量求描述函数
  • 关键一步:写出负倒描述函数并标注振幅增大方向
  • 中间结果:理想继电特性描述函数与振幅成反比
  • 中间结果:负倒描述函数为过原点的负实轴射线
  • 卡点:需回原卷核对图4中非线性环节的类型与参数 M
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
  • 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
  • 用描述函数法求自振频率、振幅与参数条件
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分虚部为零解出自振频率
  • 关键一步:由负倒描述函数等于线性部分实部列方程解振幅
  • 中间结果:线性部分与负倒描述函数在负实轴相交
  • 中间结果:交点处的参数关系给出自振存在条件
  • 卡点:须注明振幅增大方向与极限环稳定性的关系
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求自振频率、振幅与参数条件
  • 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、能控标准型、能控性判断与状态反馈极点配置20 分#

思路
  • 由开环传函写能控标准型状态空间表达式,构造能控性矩阵判秩;设状态反馈增益阵,由期望极点写期望特征多项式并与闭环特征多项式比较系数求增益,再画状态变量图。
本卷考法
  • 由传递函数写出能控标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:把传函化为真分式并分离直通项
  • 关键一步:按分母系数从低到高写在友矩阵末行
  • 中间结果:状态矩阵为友矩阵形式,输入矩阵末元为一
  • 中间结果:输出矩阵由传函分子系数决定
  • 卡点:化真分式时直通项处理易错
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出能控标准型状态空间表达式
  • 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
  • 构造能控性矩阵判断系统是否完全能控
本卷实例
  • 关键一步:由输入矩阵及其与状态矩阵的乘积组成能控性矩阵
  • 关键一步:求能控性矩阵的秩并与系统阶数比较
  • 中间结果:能控性矩阵满秩
  • 中间结果:完全能控故极点可任意配置
  • 卡点:能控性矩阵只算到低阶幂次会漏判
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
  • 本卷考过构造能控性矩阵判断系统是否完全能控
  • 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
  • 由期望极点设计状态反馈增益阵
本卷实例
  • 关键一步:由三个期望极点相乘展开期望特征多项式
  • 关键一步:与闭环特征多项式比较同次项系数求增益阵
  • 中间结果:期望含一对共轭复极点与一个实极点
  • 中间结果:三个增益相当于三个系数方程
  • 卡点:反馈增益符号与友矩阵系数对应关系易写反
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
  • 本卷考过由期望极点设计状态反馈增益阵
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 按状态方程与输出方程画状态变量图
本卷实例
  • 关键一步:每个积分器输出取作一个状态变量
  • 关键一步:按状态方程与输出方程连接比例支路与求和点
  • 中间结果:状态反馈增益接在积分器前的求和点
  • 中间结果:输出由状态变量经输出矩阵组合得到
  • 卡点:漏画某条前向支路会使变量维数对不上
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
  • 本卷考过按状态方程与输出方程画状态变量图
  • 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