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太原理工大学 830 自动控制原理(含现控) 2019 年真题思维导图

211 院校共 13 题

难度:中等 正文为阿拉伯编号 1~13 题,其中 9~13 题各含 1*、2* 两个小问。1~8 题印分 10/10/15/15/15/10/10/15,9~12 题各印两个 5 分小问,第 13 题两源均未印分值。自控部分覆盖结构图化简、劳斯判据、二阶指标与稳态误差、根轨迹、含延迟奈氏、Bode 串联校正、理想继电器描述函数、采样系统;现控部分覆盖模拟结构图与状态空间建立、状态转移矩阵、能控能观参数、稳定性与能观性分解。题面含多幅插图。

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1一、结构图转信号流图与梅逊公式10 分#

思路
  • 先把结构图的比较点与引出点化为信号流图节点,再找回路与前向通路用梅逊公式求传函。
本卷考法
  • 由结构图先画信号流图再用梅逊公式求传函
本卷实例
  • 关键一步:按比较点与引出点标节点并把增益标在支路上
  • 中间结果:独立回路表现为四个环节乘积的负值
  • 卡点:题1图为原卷插图,回路接触关系需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由结构图先画信号流图再用梅逊公式求传函
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 把多回路结构图等效化简后再求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先判各回路反馈极性再写回路增益
  • 中间结果:无两两不接触回路时分母为 1 减各回路增益
  • 卡点:反馈极性取反导致分母符号错误
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
  • 本卷考过把多回路结构图等效化简后再求闭环传函
  • 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

2二、劳斯判据确定时间常数范围10 分#

思路
  • 由系统结构图写闭环特征方程,列劳斯表并令首列元素大于零解出时间常数范围。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 列劳斯表求使闭环稳定的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程按降幂排列写出劳斯表前两行
  • 中间结果:首列含有参数 τ 的一次表达式
  • 卡点:题2图为原卷插图,开环传函结构需回原卷核对图
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
  • 本卷考过列劳斯表求使闭环稳定的参数范围
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由首列不等式取交集确定参数 τ 的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:把每个首列元素大于零化为 τ 的不等式
  • 中间结果:各不等式取交集得到 τ 的下界
  • 卡点:漏掉某个首列元素的不等式
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
  • 本卷考过由首列不等式取交集确定参数 τ 的取值范围
  • 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
  • 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

3三、二阶系统指标反求参数与稳态误差15 分#

思路
  • 由超调量与峰值时间解阻尼比和自然频率,比较闭环特征式系数求 K1、K2,再由速度误差系数求斜坡误差。
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
  • 由闭环传函化为标准二阶形式读阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:先按超调量公式反解阻尼比
  • 中间结果:峰值时间与自然频率的乘积为常数
  • 卡点:二次项系数未归一化就套标准形式
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
  • 本卷考过由闭环传函化为标准二阶形式读阻尼比与自然频率
  • 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
  • 由给定动态指标反求系统参数
本卷实例
  • 关键一步:用阻尼比与自然频率写出期望特征式
  • 中间结果:比较系数得到两个增益的联立方程
  • 卡点:峰值时间与上升时间的公式混用
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
  • 本卷考过由给定动态指标反求系统参数
  • 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
  • 求斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先求速度误差系数再取输入幅值除以它
  • 中间结果:误差与开环增益成反比
  • 卡点:未判稳就直接用终值定理
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
  • 本卷考过求斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 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

4四、三阶系统根轨迹出射角与虚轴交点15 分#

思路
  • 由开环极点写渐近线、分离点与出射角,再令特征方程实部虚部为零求与虚轴交点与临界增益。
本卷考法
  • 按法则绘制三阶系统根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:由开环零极点个数定渐近线中心与夹角
  • 中间结果:实轴段位于负实轴从原点到负无穷
  • 卡点:渐近线夹角公式中的奇数系数写错
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三阶系统根轨迹草图
  • 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坐标
本卷实例
  • 关键一步:令开环传函分母对 s 求导为零得分离点方程
  • 中间结果:分离点方程为一元二次且两根均在负实轴
  • 卡点:求出根后不筛选而保留了区间外的解
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坐标
  • 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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:按相角条件在复数极点处累加各零极点相角
  • 中间结果:一对共轭极点出射角互为相反数
  • 卡点:累加相角时把该极点自身的相角也算进去
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 出射角是根轨迹离开开环极点的方向
  • 入射角是根轨迹进入开环零点的方向
  • 计算时需代入相角条件并逐项累加各零极点贡献的相角
  • 共轭复数极点的出射角互为相反数
步骤
  • 取待求极点(或零点)为参考点
  • 写出相角条件并代入该点
  • 把其余零极点的相角移到等式右边累加
  • 求反正切得到出射角或入射角
通用考法
  • 本卷考过求复数极点的出射角
  • 求复数极点的出射角
  • 根据出射角画出根轨迹起始方向
  • 由入射角确定根轨迹终止方向
常见易错
  • 累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 忘记判断象限导致角度差 180°
公式
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于 jω 代入特征方程分离实部虚部
  • 中间结果:辅助方程给出交点在虚轴上的共轭位置
  • 卡点:只代一个 ω 就下结论漏掉另一组交点
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
  • 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

5五、含延迟环节系统的奈氏图与稳定增益范围15 分#

思路
  • 把延迟环节写成 jω 的指数形式,画幅相曲线并求与负实轴交点,再用奈奎斯特判据定稳定增益上限。
本卷考法
  • 求含指数延迟环节的幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:延迟环节幅值为 1、相角为负 ω 乘延迟时间
  • 中间结果:幅频表达式与不带延迟时完全相同
  • 卡点:把延迟环节当成惯性环节处理
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
  • 本卷考过求含指数延迟环节的幅频与相频表达式
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由幅相曲线用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数再数曲线包围次数
  • 中间结果:曲线与负实轴交点决定稳定边界
  • 卡点:含有积分环节时未补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过由幅相曲线用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
  • 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
  • 求含纯延迟系统的临界开环增益
本卷实例
  • 关键一步:令交点幅值等于 1 反解临界增益
  • 中间结果:稳定范围由幅值条件不等式给出
  • 卡点:相位计算时忘记角度与弧度换算
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 延迟环节 e^{-τs} 的幅值为 1、相位为 -τω,只恶化相位
  • 延迟会显著缩小稳定域,τ 越大越难稳定
  • 频域判据需用相位裕度扣除延迟引起的附加滞后
步骤
  • 写出含延迟的开环传递函数
  • 分别求幅值与相位表达式
  • 在相频特性中扣除 τω 的滞后量
  • 按稳定裕度或奈氏判据求临界 τ 或临界 K
通用考法
  • 本卷考过求含纯延迟系统的临界开环增益
  • 求使系统稳定的最大延迟时间
  • 求含延迟系统的临界开环增益
  • 分析延迟对稳定裕度的影响
常见易错
  • 把延迟环节当成惯性环节处理
  • 相位计算时忘记角度与弧度换算
公式

6六、用 Bode 图设计串联超前校正10 分#

思路
  • 先画未校正系统的 Bode 图求截止频率与相角裕量,按所需补偿角定超前网络参数并校验校正后裕量。
本卷考法
  • 绘制单位反馈系统的开环对数频率特性
本卷实例
  • 关键一步:按转折频率逐段改斜率画渐近线
  • 中间结果:由低频段高度与斜率读出开环增益
  • 卡点:逐段改斜率时忘记累加而是替换
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
  • 本卷考过绘制单位反馈系统的开环对数频率特性
  • 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 Bode 图求相角裕量并确定校正目标
本卷实例
  • 关键一步:在截止频率处读相角再与 180 度比较
  • 中间结果:未校正相角裕量不足,需要超前补偿
  • 卡点:补偿角计算时忽略截止频率变化带来的相角损失
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 Bode 图求相角裕量并确定校正目标
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联超前校正装置满足相角裕量要求
本卷实例
  • 关键一步:由最大超前角与衰减系数定转折频率比
  • 中间结果:超前网络的两个转折频率位于截止频率两侧
  • 卡点:α 的取值与超前角公式方向取反
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
  • 本卷考过设计串联超前校正装置满足相角裕量要求
  • 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

7七、理想继电器非线性系统的描述函数法10 分#

思路
  • 由理想继电器写描述函数与负倒描述函数,令其与线性部分幅相曲线相交,由自振频率与幅值反求 k 和 a。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求理想继电器特性的描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义对输出基波分量积分
  • 中间结果:理想继电器描述函数幅值与输入幅值成反比
  • 卡点:把描述函数当成频率的函数
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器特性的描述函数
  • 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
  • 由负倒描述函数与线性部分交点求自振参数
本卷实例
  • 关键一步:先令线性部分相角为负 180 度定自振频率
  • 中间结果:交点幅值条件给出增益与振幅的关系
  • 卡点:题7图为原卷插图,继电器接法需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由负倒描述函数与线性部分交点求自振参数
  • 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

8八、采样系统稳定范围与阶跃脉冲响应15 分#

思路
  • 由零阶保持器求开环脉冲传函,写闭环特征方程用朱利判据求 K 范围,再用长除法求脉冲响应序列。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含零阶保持器的连续传函求脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:对连续部分做部分分式后逐项作 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函分子分母均为 z 的二次式
  • 卡点:忘记把零阶保持器计入脉冲传函
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
  • 本卷考过由含零阶保持器的连续传函求脉冲传函
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用朱利判据确定使离散系统稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:对二次特征式列出三个朱利不等式
  • 中间结果:稳定范围由特征式常数项与端点值共同限制
  • 卡点: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
  • 本卷考过用朱利判据确定使离散系统稳定的 K 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用长除法由闭环脉冲传函求阶跃响应序列
本卷实例
  • 关键一步:把闭环输出写成 z 的负幂级数再逐项取系数
  • 中间结果:前四个采样周期的输出值构成数列
  • 卡点:部分分式分解时漏项导致反变换出错
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
  • 本卷考过用长除法由闭环脉冲传函求阶跃响应序列
  • 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

9九、模拟结构图与状态空间表达式10 分#

思路
  • 先归纳由微分方程、传函、状态空间绘制模拟结构图的步骤,再按结构图列状态方程与输出方程。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由给定系统结构图建立状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:在每个积分器输出处设状态变量再写一阶方程组
  • 中间结果:状态方程阶数等于结构图中独立积分器个数
  • 卡点:题9-1图为原卷插图,反馈支路接法需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由给定系统结构图建立状态空间表达式
  • 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
  • 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
  • 说明由传函或状态方程绘制模拟结构图的基础步骤
本卷实例
  • 关键一步:先明确数学描述再确定积分器、加法器与比例器
  • 中间结果:三类描述对应的结构图元件连接顺序不同
  • 卡点:把结构图等效化简与模拟结构图绘制混为一谈
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
  • 本卷考过说明由传函或状态方程绘制模拟结构图的基础步骤
  • 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

10十、状态转移矩阵的计算方法10 分#

思路
  • 先归纳求状态转移矩阵的四种方法,再用凯莱-哈密顿定理把矩阵函数展成 A 的二次多项式并定系数。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 用凯莱-哈密顿定理求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程把高次幂用 A 的二次多项式表示
  • 中间结果:系数由特征值处的函数值与原函数导数联立确定
  • 卡点:重根时忘记对 λ 求导补充一个方程
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
  • 本卷考过用凯莱-哈密顿定理求状态转移矩阵
  • 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

11十一、约当标准型的能控性与能观性条件10 分#

思路
  • 对约当型系统按能控性判据看输入阵对应行,对能观型按可观测性矩阵满秩条件解参数取值范围。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 求约当型系统完全能控与完全能观的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:对约当型直接看输入阵对应行是否为零
  • 中间结果:完全能控要求对应特征值的输入分量不为零
  • 卡点:把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
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
  • 本卷考过求约当型系统完全能控与完全能观的参数范围
  • 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

12十二、状态稳定性与非线性系统李雅普诺夫分析10 分#

思路
  • 先由状态矩阵特征值判断状态稳定性、由传函极点判断输出稳定性,再取二次型函数分析非线性系统稳定性。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫第二法分析非线性系统平衡点稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取径向无界的二次型函数并沿方程求导
  • 中间结果:导数为负定说明平衡点渐近稳定
  • 卡点:只判 V 正定不检查 V 导数的符号
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二法分析非线性系统平衡点稳定性
  • 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
本卷考法
  • 由状态矩阵与传递函数分别判断状态和输出稳定性
本卷实例
  • 关键一步:分别看状态矩阵特征值与传函极点是否全在左半平面
  • 中间结果:系统可能状态不稳定但输出稳定
  • 卡点:把状态稳定性与输出稳定性混为一谈
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
  • 本卷考过由状态矩阵与传递函数分别判断状态和输出稳定性
  • 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

13十三、能观性判断与能观性分解#

思路
  • 先构造能观性判别矩阵求秩判断能否观,再选变换阵把系统化为能观与不能观子系统分离的形式。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统能否观并作能观性结构分解
本卷实例
  • 关键一步:由 C、CA、CA 平方堆叠求秩
  • 中间结果:秩小于阶数说明系统不完全能观
  • 卡点:选取变换阵时未验证其可逆
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
  • 本卷考过判断系统能否观并作能观性结构分解
  • 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