←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

南京航空航天大学 820 控制原理 2022 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等偏难 十道大题覆盖信号流图与梅森公式、二阶系统误差与动态性能、一阶环节反馈校正、三重极点与分离点、串联超前校正、由稳态误差与相角裕度反求模型、离散稳定性与递推响应、描述函数法自振、机械系统状态空间、三阶系统能控能观与极点配置;第二题与第六题题面不完整

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

一信号流图与梅森公式求传函15 分#

思路
  • 把多回路结构图化为信号流图,列全部回路与前向通道,用梅森增益公式求闭环传递函数
本卷考法
  • 由结构图信号流图用梅森公式求C(s)比R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先列全部回路与前向通道,再写特征式与余子式
  • 中间结果:特征式含三条回路且无两两不接触项
  • 卡点:第二条前向通路余子式要剔除与其接触的回路
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
  • 本卷考过由结构图信号流图用梅森公式求C(s)比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
  • 由结构图逐层化简核对梅森公式结果
本卷实例
  • 关键一步:从最内层回路向外逐层等效
  • 中间结果:化简后分母为1加各回路增益之和
  • 卡点:内环化简时勿把外环信号当常数
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
  • 本卷考过由结构图逐层化简核对梅森公式结果
  • 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

二二阶系统稳态误差与动态性能15 分#

思路
  • 由误差定义与二阶系统模型求稳态误差及动态指标,题面条件1与条件2互相矛盾,只能按形式化路径分析模态与误差
本卷考法
  • 按e等于r减c定义写误差传函并分析稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由误差定义列E(s)与R(s)之比
  • 中间结果:一型系统速度误差系数由开环增益决定
  • 卡点:题给条件1与条件2矛盾,逐年与宝典均注回忆有误
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差有两种定义:输入端 E(s)=R(s)-C(s) 与 E(s)=R(s)-B(s),须看清题意
  • 误差传递函数由结构决定
  • 单位反馈时两种定义等价
步骤
  • 按题意确定误差取在输入端还是反馈端
  • 由结构图写出误差传递函数
  • 乘输入后取 s→0 的极限
通用考法
  • 本卷考过按e等于r减c定义写误差传函并分析稳态误差
  • 写出误差传递函数
  • 说明不同误差定义对结果的影响
常见易错
  • 非单位反馈时两种误差定义混用导致结果差一个 H(s)
  • 忘记先判断系统是否稳定
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
  • 由闭环响应含e^-t与e^-2t分量定ξ与ωn
本卷实例
  • 关键一步:把响应模态对应到闭环特征根
  • 中间结果:特征根-1与-2给出期望特征多项式
  • 卡点:条件与稳态误差要求矛盾,无法解出实参数
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
  • 本卷考过由闭环响应含e^-t与e^-2t分量定ξ与ωn
  • 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
  • 由闭环传函求调节时间与超调量
本卷实例
  • 关键一步:化标准形式后由ξ与ωn代指标公式
  • 中间结果:调节时间按3除以ξωn估算
  • 卡点:题目回忆有误,指标只能按假定参数形式作答
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调节时间与超调量
  • 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

三一阶环节负反馈减小调节时间#

思路
  • 由一阶环节原调节时间与目标值确定反馈深度,再令闭环总放大系数不变反求前向增益与反馈系数
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由一阶环节ts减小为0.1倍确定反馈深度
本卷实例
  • 关键一步:闭环时间常数由开环时间常数除以1加回路增益
  • 中间结果:反馈深度由调节时间缩短倍数确定
  • 卡点:调节时间按Δ=±5%对应的3T计算
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
  • 本卷考过由一阶环节ts减小为0.1倍确定反馈深度
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由负反馈结构保持总放大系数不变求k0与kH
本卷实例
  • 关键一步:先写闭环增益再令其等于原放大系数
  • 中间结果:闭环增益为前向增益除以1加回路增益
  • 卡点:反馈加深会降低增益,需同时增大前向增益补偿
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 串联环节相乘,并联环节相加(同向)或相减(反向)
  • 负反馈等效为 G/(1+GH),正反馈为 G/(1-GH)
  • 反馈等效的前提是单回路、无交叉
步骤
  • 识别环节之间的连接方式
  • 分别套用串联、并联或反馈等效公式
  • 逐层化简直到只剩一个等效环节
通用考法
  • 本卷考过由负反馈结构保持总放大系数不变求k0与kH
  • 多环节系统求闭环传递函数
  • 判断反馈极性对分母符号的影响
常见易错
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式

四三重极点与无超调最快闭环传函#

思路
  • 令开环传函分母出现三重极点定出结构参数,再由分离点对应临界阻尼求无超调且响应最快时的闭环传函
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 由开环三重极点定参数并求分离点
本卷实例
  • 关键一步:令开环分母二次因子为完全平方求参数
  • 中间结果:三次重极点对应分离点方程
  • 卡点:须舍去引起零极点对消的那组参数
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
  • 本卷考过由开环三重极点定参数并求分离点
  • 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
  • 由分离点对应临界阻尼求无超调最快闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:分离点即根轨迹离开实轴处,对应临界阻尼
  • 中间结果:把分离点代入幅值条件求增益
  • 卡点:最快响应取实轴上的分离点而非复极点
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
  • 本卷考过由分离点对应临界阻尼求无超调最快闭环传函
  • 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
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
  • 判定无超调对应的阻尼比范围
本卷实例
  • 关键一步:无超调要求闭环极点全为负实根
  • 中间结果:临界阻尼时特征方程出现重根
  • 卡点:增益过大将出现共轭复根而振荡
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
  • 本卷考过判定无超调对应的阻尼比范围
  • 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

五相角裕度与串联超前校正设计#

思路
  • 先核系统型别与稳态误差要求,再算原系统相角裕度判断需要超前校正,按最大超前角与幅值条件设计校正装置
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度要求选择超前或滞后校正
本卷实例
  • 关键一步:先算未校正系统的截止频率与相角裕度
  • 中间结果:原相角裕度远小于30°,故选超前校正
  • 卡点:最大超前角设计时要预留5°到10°余量
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选择超前或滞后校正
  • 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
  • 由单位阶跃稳态误差要求核算开环增益
本卷实例
  • 关键一步:判断系统型别后写静态误差系数
  • 中间结果:0型系统阶跃误差由静态位置误差系数决定
  • 卡点:原增益可能已满足误差要求,重点在校正裕度
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
  • 本卷考过由单位阶跃稳态误差要求核算开环增益
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计超前校正使相角裕度达标
本卷实例
  • 关键一步:由所需最大超前角反求a
  • 中间结果:新截止频率取两个转折频率的几何中点
  • 卡点:最大超前角不宜超过60°
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
  • 本卷考过设计超前校正使相角裕度达标
  • 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

六由稳态误差与相角裕度反求模型及正弦误差#

思路
  • 由速度误差系数与G(j1)条件反求三阶开环传函,画Bode图,再由相角裕度定延迟时间,最后用频率响应法求正弦输入的稳态误差
本卷考法
  • 由G(j1)、稳态误差与相角裕度反求三阶开环传函
本卷实例
  • 关键一步:先由速度误差系数关系把k写成a与b的函数
  • 中间结果:G(j1)条件给出a与b的方程
  • 卡点:最小相位系统须保证零极点全在左半平面
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G(j1)、稳态误差与相角裕度反求三阶开环传函
  • 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
本卷考法
  • 画出反求所得开环传函的Bode图
本卷实例
  • 关键一步:按型别与转折频率逐段定斜率
  • 中间结果:低频段斜率为-20dB/dec,转折处叠加降20
  • 卡点:重极点处斜率一次变化-40dB/dec
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
  • 本卷考过画出反求所得开环传函的Bode图
  • 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
  • 由相角裕度60°反求延迟环节时间常数
本卷实例
  • 关键一步:在截止频率处令相角裕度等于60°
  • 中间结果:相位条件给出延迟时间常数
  • 卡点:延迟环节相角按弧度与角度换算
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60°反求延迟环节时间常数
  • 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
  • 由误差频率特性求r等于10sin t的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把s等于j1代入误差传函取模与相角
  • 中间结果:稳态误差为幅值乘正弦、相位移动
  • 卡点:误差传函含延迟项,取模时实部虚部都要算
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 频率特性是传递函数中令 s=jω 得到的复变函数
  • 幅频特性表示各频率正弦输入下的幅值放大倍数
  • 相频特性表示输出相对输入的相位差
  • 频率特性可用幅相曲线、Bode 图或尼柯尔斯图表示
步骤
  • 由传递函数令 s=jω 得到 G(jω)
  • 分别求出幅值 |G(jω)| 与相角 ∠G(jω)
  • 按需要绘制幅相曲线或对数频率特性
通用考法
  • 本卷考过由误差频率特性求r等于10sin t的稳态误差
  • 求给定传递函数的幅频与相频表达式
  • 计算某频率处的幅值与相角
  • 说明频率特性的物理含义
常见易错
  • 求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
  • 相角累加时漏掉积分环节的 -90°
公式

七离散系统稳定性、脉冲传函与递推响应#

思路
  • 求开环与闭环脉冲传递函数,由特征根判稳,写差分方程并用初值逐拍递推求c(2)与c(3)
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由开环脉冲传函写特征方程并判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先求G(z)再写闭环特征方程
  • 中间结果:特征根模均小于1则系统稳定
  • 卡点:零阶保持器要计入G(z)
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
  • 本卷考过由开环脉冲传函写特征方程并判断稳定性
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由G(z)写闭环脉冲传函与差分方程
本卷实例
  • 关键一步:闭环脉冲传函为G(z)比1加G(z)
  • 中间结果:交叉相乘得输入输出差分方程
  • 卡点:差分方程阶次对应特征多项式阶次
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G(z)写闭环脉冲传函与差分方程
  • 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
  • 由初值用差分方程迭代求c(2)与c(3)
本卷实例
  • 关键一步:把差分方程按递推式整理后逐拍代入
  • 中间结果:每拍结果由前两拍与当前输入决定
  • 卡点:初值c(0)与c(1)要按题给代入
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
  • 本卷考过由初值用差分方程迭代求c(2)与c(3)
  • 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

八描述函数法分析自振与参数范围#

思路
  • 求负倒描述函数并与线性部分幅相曲线比较,按交点位置划分稳定、不稳定与周期运动三类k范围,再求稳定自振的振幅与频率
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求N(A)等于(A+6)比(A+2)的负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:取负倒数并把A从0到无穷的取值映射到复平面
  • 中间结果:负倒曲线起点为-1/3,终点为-1
  • 卡点:A增大方向决定交点是稳定周期运动还是发散
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N(A)等于(A+6)比(A+2)的负倒描述函数
  • 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
  • 由线性部分k值与交点求稳定周期运动振幅与频率
本卷实例
  • 关键一步:令G(jω)虚部为零求相位穿越频率
  • 中间结果:交点幅值比较给出k的稳定与振荡区间
  • 卡点:穿越方向由不稳定区进入稳定区才存在稳定自振
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
  • 本卷考过由线性部分k值与交点求稳定周期运动振幅与频率
  • 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

九机械减震系统状态空间与极点配置#

思路
  • 由牛顿第二定律列减震器动态方程与状态空间,求特征根与状态转移矩阵,由初值求零输入响应,最后重设参数使特征根为给定重根
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由弹簧质量阻尼减震器列写动态方程与状态空间
本卷实例
  • 关键一步:按牛顿第二定律写质量加速度与合力关系
  • 中间结果:状态变量取位移与速度得二阶状态方程
  • 卡点:输出方程为位移,不含直接传递项
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
  • 本卷考过由弹簧质量阻尼减震器列写动态方程与状态空间
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求特征根并由(sI-A)逆求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先求特征根再作部分分式反变换
  • 中间结果:e^At各元素为两个指数函数的组合
  • 卡点:矩阵求逆后各元素要逐项反变换
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
  • 本卷考过求特征根并由(sI-A)逆求状态转移矩阵
  • 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
本卷考法
  • 由初始条件求零输入响应y(t)及其导数
本卷实例
  • 关键一步:按特征根写自由响应形式再代初值
  • 中间结果:零输入响应为两个指数项之和
  • 卡点:题给y与y导数是输出初值,勿与状态初值混用
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
  • 本卷考过由初始条件求零输入响应y(t)及其导数
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 重新设计f与k使特征根均为负10
本卷实例
  • 关键一步:令特征多项式等于含重根的期望多项式
  • 中间结果:比较系数解出阻尼与刚度参数
  • 卡点:特征根位置由物理参数直接决定,非状态反馈
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
  • 本卷考过重新设计f与k使特征根均为负10
  • 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

十三阶系统能控能观与极点配置#

思路
  • 由能控矩阵与能观矩阵的秩条件定参数,画状态变量图,再判稳并用状态反馈把极点配置到指定位置
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控能观矩阵秩确定参数a、b、c的取值
本卷实例
  • 关键一步:分别列能控矩阵与能观矩阵并求秩条件
  • 中间结果:能观矩阵上三角结构使能观性与参数无关
  • 卡点:能控矩阵需算到A²B
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
  • 本卷考过由能控能观矩阵秩确定参数a、b、c的取值
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态方程画系统状态变量图
本卷实例
  • 关键一步:每个积分器对应一个状态,按A与B连线
  • 中间结果:三阶系统含三个积分器与反馈系数
  • 卡点:输出方程含2u的直接传递项要单独画支路
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
  • 本卷考过由状态方程画系统状态变量图
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断稳定性并将极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:先由特征值判稳,再用能控性保证可配置
  • 中间结果:状态反馈特征多项式与期望多项式比系数
  • 卡点:极点含两个相同值时期望多项式按重根写
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
  • 本卷考过判断稳定性并将极点配置到指定位置
  • 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