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内蒙古大学 867 自动控制原理 2015 年真题思维导图

211 院校共 11 题

难度:中等 11 题:一阶系统阶跃响应、带宽与动态指标、状态变量图、复合校正前馈、特征根左移、根轨迹与校正、对数频率反求与裕度、期望特性校正、离散系统、状态空间、描述函数

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一1一1、一阶系统阶跃响应随增益变化10 分#

思路
  • G(s)=K/(Ts+1):画不同放大倍数 K 下的单位阶跃响应曲线并比较各自特点
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由一阶传函画单位阶跃响应曲线并比较不同 K
本卷实例
  • 关键一步:对 K/(Ts+1) 乘 1/s 后取拉氏反变换
  • 中间结果:响应为按指数规律趋近终值 K 的曲线
  • 卡点:放大倍数只改变终值,不改变时间常数
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
  • 本卷考过由一阶传函画单位阶跃响应曲线并比较不同 K
  • 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
  • 本卷考过把不同 K 的曲线误画成不同时间常数
  • 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
  • 识别一阶惯性环节并写出其时间常数
本卷实例
  • 关键一步:由传函分母写出惯性时间常数 T
  • 中间结果:一阶惯性环节的转角频率为 1/T
  • 卡点:增益 K 不进入时间常数,只影响曲线高度
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
  • 本卷考过识别一阶惯性环节并写出其时间常数
  • 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
  • 本卷考过把惯性环节与积分环节混为一谈
  • 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

一2一2、截止频率对动态性能的影响10 分#

思路
  • 比较闭环截止频率增大时峰值时间与调整时间的变化,并说明对动态性能的影响
本卷考法
  • 说明闭环带宽与响应速度、峰值时间的关系
本卷实例
  • 关键一步:由闭环幅频特性看带宽随截止频率的变化
  • 中间结果:带宽越大则系统响应越快
  • 卡点:带宽过大易放大高频噪声
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
  • 本卷考过说明闭环带宽与响应速度、峰值时间的关系
  • 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
  • 本卷考过把开环截止频率与闭环带宽混为一谈
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 定性判断峰值时间与调整时间随带宽的变化
本卷实例
  • 关键一步:用带宽与时间尺度成反比的规律作比较
  • 中间结果:截止频率增大时两指标均减小
  • 卡点:题面未给具体数值,只作趋势判断
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
  • 本卷考过定性判断峰值时间与调整时间随带宽的变化
  • 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
  • 本卷考过把峰值时间与上升时间混用
  • 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

一3一3、一阶环节的状态变量图10 分#

思路
  • 画 G(s)=1/(Ts+1) 的状态变量图,并说明状态变量图由哪几类图形符号组成
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由一阶传递函数画状态变量图
本卷实例
  • 关键一步:把 1/(Ts+1) 写成积分器加反馈的连接
  • 中间结果:用积分器、比例器与加法器搭成一阶结构
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由一阶传递函数画状态变量图
  • 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
  • 本卷考过状态变量个数与系统阶数不符
  • 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
本卷考法
  • 说明状态变量图所用图形符号的种类
本卷实例
  • 关键一步:按信号流向把各符号连成有向图
  • 中间结果:常用符号为加法器、积分器、比例器与连接线
  • 卡点:符号种类以本题要求为准
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
  • 本卷考过说明状态变量图所用图形符号的种类
  • 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
  • 本卷考过漏数连接线而只报加法器与积分器
  • 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

二1二1、复合校正前馈补偿设计10 分#

思路
  • 复合校正系统 N(s) 为负载扰动,设计前馈补偿装置使系统输出不受扰动影响
本卷考法
  • 设计前馈补偿器实现扰动不变性
本卷实例
  • 关键一步:令扰动到输出的传递函数恒等于零
  • 中间结果:解出补偿装置关于各环节参数的表达式
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过设计前馈补偿器实现扰动不变性
  • 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
  • 本卷考过补偿器含高阶微分却直接采用
  • 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
本卷考法
  • 由扰动传函分析扰动对输出的影响
本卷实例
  • 关键一步:分别列给定与扰动两条传递通道
  • 中间结果:扰动通道的分子就是补偿设计的目标
  • 卡点:两输入同时存在须用叠加原理
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
  • 本卷考过由扰动传函分析扰动对输出的影响
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时未把参考输入置零
  • 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

二2二2、闭环特征根实部约束求K范围#

思路
  • G(s)=K/[s(1+0.33s)(1+0.107s)],要求闭环特征根实部均小于 -1,求 K 的取值范围
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求使闭环极点都位于指定竖线左侧的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于新变量减一,把边界竖线映射为虚轴
  • 中间结果:得到以新变量为自变量的特征多项式
  • 卡点:需对全部系数不等式取交集
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
  • 本卷考过求使闭环极点都位于指定竖线左侧的参数范围
  • 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
  • 本卷考过把 s 换成新变量后忘记回代检验
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据确定参数稳定域
本卷实例
  • 关键一步:对变换后的特征式列劳斯表
  • 中间结果:首列各元素同号给出参数上下限
  • 卡点:端点处为临界稳定,稳定区间不取等号
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确定参数稳定域
  • 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
  • 本卷考过首列出现零时未用小扰动法
  • 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

二3二3、串联校正装置与根轨迹指标10 分#

思路
  • 含串联校正装置的负反馈系统:绘制根轨迹,并按最佳阻尼比求超调量与调节时间
本卷考法
  • 按法则绘制含零点系统的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定开环零极点并标出实轴段与渐近线
  • 中间结果:由实轴上的分支形状判断走向
  • 卡点:需回原卷核对图
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含零点系统的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 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
  • 求根轨迹的分离点并筛选有效解
本卷实例
  • 关键一步:写出以增益为显式的表达式并令其导数为零
  • 中间结果:分离点方程的解需代回相角条件检验
  • 卡点:多个解中只留落在轨迹上的那个
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并筛选有效解
  • 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
  • 本卷考过保留不在根轨迹上的方程根
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 按最佳阻尼比计算超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由最佳阻尼比取定阻尼比并相应定极点
  • 中间结果:由实部绝对值求调节时间
  • 卡点:两种误差带的调节时间系数不同
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
  • 本卷考过按最佳阻尼比计算超调量与调节时间
  • 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
  • 本卷考过超调量公式中漏乘百分之百
  • 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

二4二4、由对数幅频特性反求与裕度10 分#

思路
  • 由最小相位系统对数幅频渐近线求开环传函与相频曲线,再求相角裕度、幅值裕度与稳态误差
本卷考法
  • 由对数幅频渐近线反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定型别与增益
  • 中间结果:低频段高度对应增益的折合读数
  • 卡点:斜率每变化 20 对应一个一阶环节
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
  • 本卷考过由对数幅频渐近线反求开环传递函数
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点误当增益而未折算型别
  • 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
  • 求相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由相频特性确定相位穿越频率
  • 中间结果:裕度由对应频率处的幅值或相角给出
  • 卡点:幅值裕度取倒数后再取分贝
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
  • 本卷考过求相角裕度与幅值裕度
  • 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
  • 本卷考过把相位穿越频率与幅值穿越频率用反
  • 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
  • 由开环传函求指定输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先数积分环节个数确定系统型别
  • 中间结果:按输入类型选用对应的静态误差系数
  • 卡点:系统不稳定时不存在有限稳态误差
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
  • 本卷考过由开环传函求指定输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过未判稳就直接使用终值定理
  • 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

二5二5、期望特性法串联校正设计20 分#

思路
  • 固有对象要求速度误差系数与动态指标,设计预期开环传函并反求校正装置的传递函数
本卷考法
  • 用期望特性法画期望开环幅频并反求校正装置
本卷实例
  • 关键一步:按速度误差系数与截止频率画期望渐近线
  • 中间结果:校正装置等于期望特性除以固有特性
  • 卡点:相减后的特性要检查是否物理可实现
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
  • 本卷考过用期望特性法画期望开环幅频并反求校正装置
  • 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
  • 本卷考过期望中频段过窄导致裕度不足
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 分析超前校正对截止频率与裕度的改善
本卷实例
  • 关键一步:在中频段安排转折频率以抬高幅频
  • 中间结果:由转折频率写出校正环节的时间常数
  • 卡点:高频段斜率决定抗噪能力
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
  • 本卷考过分析超前校正对截止频率与裕度的改善
  • 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
  • 本卷考过补偿角未计截止频率移动带来的相角损失
  • 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

二6二6、离散系统脉冲传函与稳定20 分#

思路
  • 含零阶保持器的离散系统:求开环与闭环脉冲传函、稳定的采样周期范围,并求输出响应与稳态误差
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续部分加零阶保持器求脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把被控对象与零阶保持器合并后作 z 变换
  • 中间结果:闭环脉冲传函由开环脉冲传函反馈得到
  • 卡点:部分分式展开后逐项查 z 变换表
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
  • 本卷考过由连续部分加零阶保持器求脉冲传递函数
  • 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
  • 本卷考过忘记把零阶保持器计入开环脉冲传函
  • 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
  • 用双线性变换加劳斯判据求稳定的采样周期范围
本卷实例
  • 关键一步:令 z 由新变量分式表示,把单位圆映射到左半平面
  • 中间结果:对新变量域的特征式列劳斯表
  • 卡点:采样周期出现在指数项中,需求解非线性不等式
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
  • 本卷考过用双线性变换加劳斯判据求稳定的采样周期范围
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而非模小于一
  • 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
  • 按终值定理求采样系统的输出响应与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把闭环脉冲传函与输入的 z 变换相乘
  • 中间结果:长除法得到各采样点上的输出序列
  • 卡点:稳态误差用 z 趋于一时的终值求取
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
  • 本卷考过按终值定理求采样系统的输出响应与稳态误差
  • 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
  • 本卷考过未判稳就套用终值定理
  • 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

二7二7、状态空间表达式与极点配置20 分#

思路
  • 由系统方框图写状态空间表达式,判断稳定性、能控性与能观性,再判断能否配置极点到指定位置
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统方框图选状态变量并列写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:在每个积分器的输出端设一个状态变量
  • 中间结果:由各环节连接关系写出系数矩阵
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由系统方框图选状态变量并列写状态空间表达式
  • 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
  • 本卷考过状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性与能观性判据判断系统属性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控与能观判别矩阵并求秩
  • 中间结果:秩等于系统阶数则对应属性成立
  • 卡点:系统能控但不一定能观
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
  • 本卷考过由能控性与能观性判据判断系统属性
  • 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
  • 本卷考过只算到倒数第二个矩阵就下结论
  • 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
  • 判断能否用状态反馈把极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写出期望特征多项式
  • 中间结果:与含反馈增益的特征式逐项比较定增益
  • 卡点:能控是任意配置极点的前提
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
  • 本卷考过判断能否用状态反馈把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
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 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

二8二8、描述函数法求自振参数20 分#

思路
  • 非线性环节描述函数已知,按给定相角滞后条件求增益与自振频率、幅值,并判断增益增大对自振的影响
本卷考法
  • 由描述函数与线性部分交点求自振频率与幅值
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分相角等于给定滞后量定交点频率
  • 中间结果:由幅值平衡条件解出该情况下的增益
  • 卡点:需同时满足幅值条件与相角条件
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
  • 本卷考过由描述函数与线性部分交点求自振频率与幅值
  • 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
  • 本卷考过画的是描述函数而不是负倒描述函数
  • 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
本卷考法
  • 定性分析增益变化对自振频率与幅值的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较增益变化后曲线与负倒描述函数的位置
  • 中间结果:交点沿负倒描述函数曲线移动
  • 卡点:结论以自振频率与幅值的变化趋势表述
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过定性分析增益变化对自振频率与幅值的影响
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 本卷考过仅调增益而不检查是否出现新的自振点
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振