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武汉理工大学 848 自动控制原理(含现控) 2023 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等偏难 全卷10题,覆盖信号流图与梅森公式求系统传函和误差传函、全部零极点位于指定竖线左侧的参数范围、由调节时间与超调量反求结构参数、含可变增益系统的根轨迹与无超调范围、奈奎斯特判据、由相角裕度与峰值时间联立求参数、串联校正装置设计、离散系统脉冲传函与稳定充要条件、判断状态转移矩阵并求系统矩阵、状态反馈极点配置;末题把状态方程列写与极点配置串在一起,综合性强。

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1一、信号流图与梅森公式#

思路
  • 由结构图画出信号流图,标出各独立回路、两两不接触回路与前向通路,分别以输出点和误差点为终点用梅森公式求系统传函与误差传函。
本卷考法
  • 画信号流图并用梅森公式求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按结构图补全信号流图的节点与支路
  • 中间结果:特征式由独立回路与两两不接触回路累加
  • 卡点:回路与前向通路的正负号需回原卷核对图
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
  • 本卷考过画信号流图并用梅森公式求系统传递函数
  • 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
本卷考法
  • 用梅森公式求误差传递函数 E(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:把误差点作为输出,列出到误差点的前向通路
  • 中间结果:误差传函可用 1 减去反馈通道与输出传函之积
  • 卡点:误差定义在输入端还是输出端会影响结果
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
  • 本卷考过用梅森公式求误差传递函数 E(s)/R(s)
  • 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

2二、全部零极点位于指定竖线左侧的参数范围#

思路
  • 以指定竖线为新虚轴作变量平移,把相对稳定问题化为常规稳定问题,对平移后的特征方程用代数判据列参数不等式,取交集得到k的范围。
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求使全部零极点都位于 s=−1 左侧的 k 范围
本卷实例
  • 关键一步:作变量平移把指定竖线移到虚轴再判稳
  • 中间结果:平移后特征方程化为 s1²+ks1−1+2k
  • 卡点:平移方向写反会把稳定域判成相反区间
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
  • 本卷考过求使全部零极点都位于 s=−1 左侧的 k 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用代数判据对平移后的特征方程求参数条件
本卷实例
  • 关键一步:对平移后的多项式列劳斯表并令首列同号
  • 中间结果:由首列各元素大于零取交集得到 k 范围
  • 卡点:二阶多项式仍要检验常数项符号
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
  • 本卷考过用代数判据对平移后的特征方程求参数条件
  • 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

3三、由动态指标反求结构图参数#

思路
  • 由结构图写出闭环传函并化为二阶标准形式,利用超调量确定阻尼比、利用2%误差带调节时间确定自然频率,再反求结构图中的k1、k2。
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
  • 由结构图写闭环传函并化为二阶标准形式
本卷实例
  • 关键一步:把闭环分母首项归一化后与标准式比较系数
  • 中间结果:自然频率由 k1 决定,阻尼比由 k1k2 决定
  • 卡点:反馈支路增益漏乘会使阻尼比表达式出错
  • 卡点:图3结构图支路需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由结构图写闭环传函并化为二阶标准形式
  • 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
  • 由调节时间与超调量反求 k1、k2
本卷实例
  • 关键一步:先由超调量定阻尼比,再由调节时间求自然频率
  • 中间结果:2% 误差带下调节时间与阻尼比自然频率成反比
  • 卡点:2% 与 5% 误差带的系数不同,须按题目取值
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
  • 本卷考过由调节时间与超调量反求 k1、k2
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由指标要求反求参数并核对可实现性
本卷实例
  • 关键一步:把求得的参数代回闭环模型复算指标
  • 中间结果:参数须同时满足超调量与调节时间两项要求
  • 卡点:只满足单项指标就下结论会漏掉交叉校验
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由指标要求反求参数并核对可实现性
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式

4四、根轨迹绘制与无超调增益范围#

思路
  • 按常规根轨迹法则画分支、实轴段、渐近线、分离点并判断与虚轴的交点;第2问由闭环极点全为负实数得到无超调条件,据此在两个分离点对应的临界增益之间确定增益范围。
本卷考法
  • 画根轨迹的起点终点、实轴段与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:先定开环零点极点,再判实轴段与渐近线
  • 中间结果:本题有三条分支、两条渐近线
  • 卡点:渐近线交点计算时零点要取负号
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
  • 本卷考过画根轨迹的起点终点、实轴段与渐近线
  • 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
  • 求根轨迹的分离点并确定对应增益
本卷实例
  • 关键一步:用分离点方程求出 d 并代回求对应增益
  • 中间结果:两个分离点分别对应无超调区间的端点
  • 卡点:分离点方程求解时容易漏掉重根情形
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确定对应增益
  • 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
  • 判断根轨迹与虚轴有无交点
本卷实例
  • 关键一步:把 s=jω 代入特征方程看是否有正实解
  • 中间结果:本题对 k>0 根轨迹不与虚轴相交
  • 卡点:不能默认根轨迹必与虚轴相交
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
  • 本卷考过判断根轨迹与虚轴有无交点
  • 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
  • 第2问由根轨迹确定阶跃响应无超调的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:无超调要求闭环极点全为负实数
  • 中间结果:增益区间由两个分离点对应的临界增益夹出
  • 卡点:端点处出现重根,是否计入无超调区间要按题意
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
  • 本卷考过第2问由根轨迹确定阶跃响应无超调的增益范围
  • 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

5五、奈奎斯特图与稳定性判定#

思路
  • 写开环幅频相频表达式并画奈奎斯特曲线,先数开环右半平面极点数,再按曲线包围临界点的情况判断闭环稳定性,最后用劳斯判据校验。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏图判断系统稳定性并写包围次数
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P,再数包围情况
  • 中间结果:按 Z=P−2N 得到右半平面闭环极点数
  • 卡点:曲线起点在无穷远,需补画小半圆
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
  • 本卷考过由奈氏图判断系统稳定性并写包围次数
  • 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
  • 求开环幅频相频并画奈氏曲线
本卷实例
  • 关键一步:把 s=jω 代入后整理表达式
  • 中间结果:由实部虚部零点确定曲线与坐标轴交点
  • 卡点:相频从 −180° 附近出发,起始角易读错
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
  • 本卷考过求开环幅频相频并画奈氏曲线
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据对闭环特征方程做稳定性校验
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并列出劳斯表
  • 中间结果:劳斯表首列变号两次说明有两个正实部根
  • 卡点:列劳斯表时各项系数不能漏项
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对闭环特征方程做稳定性校验
  • 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

6六、由相角裕度与峰值时间求参数#

思路
  • 把开环传函化为闭环标准二阶形式,由相角裕度条件给出关于a、b的第一个方程,由单位阶跃峰值时间给出第二个方程,联立解出a、b。
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
  • 把闭环系统化为标准二阶形式
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函写闭环分母并归一化
  • 中间结果:自然频率与阻尼比由 a、b 表示
  • 卡点:开环增益与闭环常数项的对应关系易混
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
  • 本卷考过把闭环系统化为标准二阶形式
  • 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
  • 由峰值时间求自然频率与阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:用峰值时间公式把 tp 与自然频率阻尼比联系起来
  • 中间结果:结合相角裕度条件可列出关于 a、b 的方程
  • 卡点:峰值时间是闭环指标,不能用开环参数直接代
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
  • 本卷考过由峰值时间求自然频率与阻尼比
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度条件补充第二个方程
本卷实例
  • 关键一步:在剪切频率处令相角等于 −180°+γ
  • 中间结果:幅值条件与相角条件联立解出 a、b
  • 卡点:相角裕度对应的频率须用幅值等于 1 来确定
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条件补充第二个方程
  • 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

7七、串联校正装置设计#

思路
  • 先按静态速度误差系数要求确定开环增益,再在满足剪切频率下限与相角裕度下限的条件下设计串联校正装置,最后校验校正后指标。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计超前校正同时满足 Kv 与相角裕度要求
本卷实例
  • 关键一步:先按 Kv 定增益,再按相角差额选超前网络
  • 中间结果:本题选用近似比例加微分的超前装置
  • 卡点:校正后剪切频率提高会改变相角裕度计算值
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同时满足 Kv 与相角裕度要求
  • 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
本卷考法
  • 由 Kv=20 确定开环增益
本卷实例
  • 关键一步:用开环传函写静态速度误差系数并令其等于 20
  • 中间结果:本题开环增益直接等于 Kv
  • 卡点:增益确定后还需检验稳定裕度
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 Kv=20 确定开环增益
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 校验校正后剪切频率与相角裕度是否达标
本卷实例
  • 关键一步:在 Bode 图上按要求频率读出相角裕度
  • 中间结果:校正后剪切频率需不低于题目给定下限
  • 卡点:题目同时给 wc 下限与 γ 下限,要同时满足
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
  • 本卷考过校验校正后剪切频率与相角裕度是否达标
  • 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

8八、离散系统脉冲传函与稳定条件#

思路
  • 对含零阶保持器的连续部分求开环脉冲传函,再按反馈关系求闭环脉冲传函;由特征方程根落在单位圆内导出系统稳定的充要条件。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 第1问求含零阶保持器的闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先对连续部分与零阶保持器合并后作 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函含 e 的负幂参数,需保留字母
  • 卡点:连续环节之间无采样开关时不能直接相乘
  • 卡点:图8结构图采样开关需回原卷核对图
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
  • 本卷考过第1问求含零阶保持器的闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 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
  • 第2问求系统稳定的充要条件
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程的根落在单位圆内列条件
  • 中间结果:一阶系统稳定条件是特征根绝对值小于 1
  • 卡点:参数 a、b 均为正,讨论时要保留符号约束
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
  • 本卷考过第2问求系统稳定的充要条件
  • 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

9九、判断状态转移矩阵并求系统矩阵#

思路
  • 先检验给定矩阵在零时刻是否为单位阵、是否满足转移矩阵的求导关系与可逆关系,确认后再对其求导并取 t=0 的值得到系统矩阵A。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 判断给定矩阵是否为状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:检验零时刻是否为单位阵、是否满足求导关系
  • 中间结果:验证 φ(t)φ(−t)=I 且初值为单位阵
  • 卡点:只验证初值为单位阵不足以判定
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
  • 本卷考过判断给定矩阵是否为状态转移矩阵
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵求系统矩阵 A
本卷实例
  • 关键一步:对转移矩阵求导并取 t=0 的值得到 A
  • 中间结果:本题 A 为二阶方阵,元素由导数初值给出
  • 卡点:求导时要逐元素进行,不能整体套用标量公式
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
  • 本卷考过由状态转移矩阵求系统矩阵 A
  • 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

10十、状态方程与极点配置#

思路
  • 由状态变量图写出状态方程与输出方程,判断能控性后设计状态反馈,把闭环极点配置到 −10 与 −1±j 处。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态变量图写系统状态方程
本卷实例
  • 关键一步:按每个积分器输出设状态变量并写一阶导数
  • 中间结果:状态矩阵由各级时间常数与增益拼成
  • 卡点:图10积分器链系数与反馈需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由状态变量图写系统状态方程
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统能控性确认极点可任意配置
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性矩阵并求秩
  • 中间结果:秩等于阶数时极点可任意配置
  • 卡点:矩阵满秩后再做极点配置才成立
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控性确认极点可任意配置
  • 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
  • 把闭环极点配置到 −10 与 −1±j
本卷实例
  • 关键一步:写期望特征多项式并与闭环特征式比较系数
  • 中间结果:由系数方程组解出状态反馈增益阵
  • 卡点:状态反馈改变极点但不改变稳态误差,需另行处理
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
  • 本卷考过把闭环极点配置到 −10 与 −1±j
  • 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