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太原理工大学 830 自动控制原理(含现控) 2022 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等 全卷8题,自控部分5题(两级RC网络方框图与传函、非零初值阶跃响应反求传函与指标、三阶系统根轨迹与超调约束、Nyquist与Bode求裕度、采样系统有无零阶保持器的稳定范围);现控部分3题(离散状态方程求解、非线性系统李雅普诺夫第二法判稳、用状态反馈改造传递函数)。两源均未印任何逐题分值,8个板块分值全部留空。题面含RC电路图与采样系统结构图,另附第4题用的对数坐标纸。

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1一、两级RC网络的方框图化简与传递函数#

思路
  • 对两级RC网络取电容电压与支路电流作中间变量列复阻抗方程,再画方框图化简求传函。
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由两级RC网络电路列复阻抗方程并求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用复阻抗法对每个节点列电流或电压关系式
  • 中间结果:后级网络会从前级取电流,两环节之间存在耦合项
  • 卡点:忽略后级取走的电流就会漏掉耦合项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过由两级RC网络电路列复阻抗方程并求传递函数
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由局部方程画出方框图并按串并联反馈等效化简
本卷实例
  • 关键一步:把每个方程画成一个环节,按信号流向连成方框图
  • 中间结果:化简后分母为两个时间常数之积再加耦合项
  • 卡点:RC电路图为原卷插图,节点与元件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
  • 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
  • 本卷考过由局部方程画出方框图并按串并联反馈等效化简
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 对有交叉连接的方框图逐层化简求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先化简内层局部反馈,再与外层串联支路合并
  • 中间结果:传函分母为两个一阶环节与一个附加耦合反馈项之和
  • 卡点:化简内层时把外层信号当成常数处理
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
  • 本卷考过对有交叉连接的方框图逐层化简求闭环传函
  • 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

2二、非零初值阶跃响应反求传函与动态指标#

思路
  • 由给定全响应据零初始条件反推零状态响应,取拉氏变换求传函,再判阻尼状况并算指标。
本卷考法
  • 区分零输入响应与零状态响应并由全响应求传函
本卷实例
  • 关键一步:把给定全响应拆成强制分量与由初值决定的自由分量
  • 中间结果:归一化为零初始条件后得到零状态响应 1-2e^{-t}+e^{-2t}
  • 卡点:直接用非零初值响应求传函会多出一个自由响应分量
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
  • 本卷考过区分零输入响应与零状态响应并由全响应求传函
  • 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
本卷考法
  • 由阶跃响应表达式反求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对零状态响应取拉氏变换再除以阶跃输入的变换
  • 中间结果:传函分母为两个一阶因子之积,直流增益为 1
  • 卡点:未判断系统阶数就直接套用二阶公式
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由阶跃响应表达式反求系统传递函数
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
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
  • 由闭环特征式求阻尼比与自然频率并判断阻尼状况
本卷实例
  • 关键一步:化为标准二阶形式后比较系数求出阻尼比与自然频率
  • 中间结果:阻尼比大于 1,系统为过阻尼
  • 卡点:阻尼比大于 1 时仍套用欠阻尼指标公式
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
  • 本卷考过由闭环特征式求阻尼比与自然频率并判断阻尼状况
  • 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
  • 计算单位阶跃响应的超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:过阻尼时最大超调量为零,调节时间由较慢的极点决定
  • 中间结果:最大超调量为零,调节时间取两个时间常数中较长者
  • 卡点:峰值时间与上升时间混用
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
  • 本卷考过计算单位阶跃响应的超调量与调节时间
  • 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
  • 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
  • 求系统在单位阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写出误差传递函数后取零频极限
  • 中间结果:输出直流增益为 1,故阶跃输入下稳态误差为零
  • 卡点:未先判稳就使用终值定理
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
  • 本卷考过求系统在单位阶跃输入下的稳态误差
  • 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

3三、三阶系统的根轨迹与超调量约束#

思路
  • 按法则画该三阶系统根轨迹,由超调量要求定等阻尼线求增益上限,再由速度误差要求求下限。
本卷考法
  • 按绘制法则画无零点的三阶系统根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:标出三个负实极点,判断实轴上的根轨迹段
  • 中间结果:渐近线共三条,交点在极点实部的均值处
  • 卡点:实轴根轨迹段判据中的零极点个数算错
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
  • 本卷考过按绘制法则画无零点的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
  • 用分离点方程求根轨迹实轴上的分离点
本卷实例
  • 关键一步:令增益对 s 的导数为零解方程并筛去不在根轨迹上的根
  • 中间结果:两个分离点均为负实数,分别位于两条实轴段上
  • 卡点:求出方程根后不筛选就全部保留
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
  • 本卷考过用分离点方程求根轨迹实轴上的分离点
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及使系统稳定的增益上限
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征式列劳斯表,令首列元素为零求临界增益
  • 中间结果:临界增益使一对闭环极点恰好落在虚轴上
  • 卡点:只代一个频率就下结论会漏掉另一组交点
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使系统稳定的增益上限
  • 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
  • 由等阻尼线求满足超调量要求的根轨迹增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由超调量求出阻尼比,画出等阻尼线与根轨迹求交点
  • 中间结果:交点对应的增益即为满足超调量要求的增益上限
  • 卡点:把等阻尼线画成了垂直线
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
  • 本卷考过由等阻尼线求满足超调量要求的根轨迹增益范围
  • 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
本卷考法
  • 由静态速度误差系数要求反求增益下限
本卷实例
  • 关键一步:由速度误差系数定义写出它与开环增益的关系式
  • 中间结果:速度误差系数不小于 1 等价于增益不小于 24
  • 卡点:把开环增益与静态误差系数混为一谈
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
  • 本卷考过由静态速度误差系数要求反求增益下限
  • 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

4四、由Nyquist图与Bode图求稳定裕度#

思路
  • 由开环传函求幅频相频并用渐近线画Bode图,求两个特征频率代裕度公式,再反求增益。
本卷考法
  • 求开环传函的幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:把各环节写成标准形式,幅值取模相乘、相角相加
  • 中间结果:低频段由积分环节决定,斜率为负二十每十倍频
  • 卡点:求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
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
  • 本卷考过求开环传函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
本卷考法
  • 用渐近线画开环对数幅频特性并求截止频率
本卷实例
  • 关键一步:由低频段高度与各转折频率逐段改变斜率画渐近线
  • 中间结果:渐近线与零分贝线的交点给出截止频率
  • 卡点:逐段改变斜率时忘记累加而是直接替换
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
  • 本卷考过用渐近线画开环对数幅频特性并求截止频率
  • 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
  • 由截止频率与穿越频率计算相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:在截止频率处算相角距负一百八十度的差值
  • 中间结果:幅值裕度为穿越频率处幅值的倒数再取分贝
  • 卡点:把截止频率与穿越频率两个频率用反
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
  • 本卷考过由截止频率与穿越频率计算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
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特曲线判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再数曲线绕临界点的圈数
  • 中间结果:开环没有右半平面极点时包围圈数为零即闭环稳定
  • 卡点:包围圈数的正负号定义搞反
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
  • 本卷考过用奈奎斯特曲线判断闭环稳定性
  • 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

5五、采样系统有无零阶保持器的稳定范围#

思路
  • 分别对含与不含零阶保持器的连续部分作 z 变换,用朱利判据求两种情况的稳定增益范围。
本卷考法
  • 判断采样系统是否含零阶保持器并写出其传函
本卷实例
  • 关键一步:区分连续环节、采样开关与零阶保持器各自的位置
  • 中间结果:含保持器时离散化结果多出一项与采样周期有关的分式
  • 卡点:采样系统图为原卷插图,保持器与开关位置需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 采样把连续信号变成脉冲序列,采样周期 T 是关键参数
  • 采样定理要求采样频率不低于信号最高频率的两倍
  • 采样频率不足会产生频率混叠
  • 零阶保持器把离散信号恢复为连续信号,并引入半个采样周期的延迟
步骤
  • 确定信号最高频率或系统带宽
  • 按采样定理确定采样频率与采样周期上限
  • 必要时加入前置滤波器抑制混叠
通用考法
  • 本卷考过判断采样系统是否含零阶保持器并写出其传函
  • 由信号最高频率确定采样周期
  • 判断给定采样频率是否满足采样定理
  • 说明零阶保持器的频率特性
常见易错
  • 把采样定理写成采样周期不大于信号周期即可
  • 忽略零阶保持器带来的相位滞后
公式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 分别求含与不含零阶保持器的开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:对连续部分先作部分分式再逐项查 z 变换表
  • 中间结果:两种结构得到的开环脉冲传函的分子分母都不相同
  • 卡点:把没有采样开关隔开的两个连续环节直接相乘
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
  • 本卷考过分别求含与不含零阶保持器的开环脉冲传函
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用朱利判据求两种结构下系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征式后列朱利判据的三条不等式
  • 中间结果:去掉零阶保持器后增益上界变严,两种情况结果不同
  • 卡点:离散稳定条件是特征根模小于一而不是实部小于零
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两种结构下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

6六、离散状态方程的解#

思路
  • 对离散状态方程作 z 变换求出状态矩阵的逆,再乘初值作 z 反变换得到状态序列。
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用 z 变换与 z 反变换求离散状态序列
本卷实例
  • 关键一步:对离散状态方程两边取 z 变换解出状态的象函数
  • 中间结果:状态的象函数等于状态矩阵逆阵乘 z 再乘初值
  • 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 z 变换与 z 反变换求离散状态序列
  • 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
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散状态方程求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:把状态方程写成矩阵形式后求含 z 的矩阵之逆
  • 中间结果:矩阵求逆后化为部分分式再逐项作反变换
  • 卡点:矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散化状态方程由状态转移矩阵在采样周期处的取值构成
  • 输入矩阵是状态转移矩阵与输入矩阵乘积在采样周期上的积分
  • 带零阶保持器时即按上述积分式离散化,输出矩阵不变
步骤
  • 求连续系统的状态转移矩阵
  • 把采样周期代入得到离散状态矩阵
  • 对输入矩阵做积分得到离散输入矩阵
  • 写出差分形式的离散状态方程并按递推求采样点上的响应
通用考法
  • 本卷考过由离散状态方程求状态转移矩阵
  • 求连续系统在给定采样周期下的离散化状态方程
  • 由给出的状态响应反求系统矩阵再离散化
  • 计算采样点上的状态与输出序列
常见易错
  • 把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
  • 积分上限写成采样周期以外的量,或忘记乘输入矩阵
公式
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵求给定初值下的状态响应
本卷实例
  • 关键一步:把给定初值代入状态转移矩阵对应的反变换式
  • 中间结果:状态序列为两个特征根幂的线性组合
  • 卡点:卷积求和时变量代换写错
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
  • 本卷考过由状态转移矩阵求给定初值下的状态响应
  • 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

7七、非线性系统的李雅普诺夫第二法判稳#

思路
  • 先令导数为零求平衡点,取二次型候选函数验证正定,沿轨线求导判断符号并讨论大范围渐近稳定。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 构造李雅普诺夫函数判断非线性系统渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:令状态导数为零求平衡点,再取含高次项的正定函数
  • 中间结果:沿轨线对函数求导得到负定或半负定表达式
  • 卡点:只判断函数正定而不检查它的导数
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
  • 本卷考过构造李雅普诺夫函数判断非线性系统渐近稳定
  • 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
  • 讨论非线性系统在平衡点的稳定性与改善
本卷实例
  • 关键一步:先求平衡点,再结合李雅普诺夫导数的符号判断稳定性
  • 中间结果:导数负定且随状态趋于无穷时,原点处大范围渐近稳定
  • 卡点:把非线性项直接线性化后沿用线性系统的结论
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
  • 本卷考过讨论非线性系统在平衡点的稳定性与改善
  • 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
  • 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

8八、用状态反馈改造系统传递函数#

思路
  • 由传函无零极点对消判完全可控,写能控标准型后按目标极点比较特征多项式系数求反馈阵。
本卷考法
  • 由传递函数写出能控标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:把严格真分式部分按能控标准型写出各矩阵
  • 中间结果:能控标准型的状态矩阵末行由分母系数取负得到
  • 卡点:友矩阵中系数符号写反
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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用传函有无零极点对消判断系统能控性
本卷实例
  • 关键一步:检查分子与分母有无相同因子,无对消则完全可控
  • 中间结果:传递函数无零极点对消,系统可任意配置极点
  • 卡点:只算某几个矩阵乘积就下结论
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
  • 本卷考过用传函有无零极点对消判断系统能控性
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈阵把闭环极点配置到目标位置
本卷实例
  • 关键一步:由目标传函的极点写出希望特征多项式再与闭环特征式比较系数
  • 中间结果:两个目标传函各对应一组反馈增益
  • 卡点:按负反馈设增益阵时符号容易整体取反
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阵把闭环极点配置到目标位置
  • 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
本卷考法
  • 用状态反馈移动极点以得到目标传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先确认原传函无零极点对消,再用反馈移动闭环极点
  • 中间结果:反馈后闭环特征多项式等于目标极点对应的特征多项式
  • 卡点:漏掉直接传递项会改变目标传函的分子
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
  • 本卷考过用状态反馈移动极点以得到目标传递函数
  • 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