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新疆大学 833 自动控制原理 2017 年真题思维导图

211 院校共 12 题合计 150 分

难度:中等 全卷四道大题:单项选择题、简答题、计算题与综合题,共12块。覆盖基本概念、型别与稳态误差、阻尼比与动态性能、校正方式、框图连接、稳定充要条件、对偶原理、结构图求传函、劳斯判据、离散稳定性、描述函数法、由传函建状态空间、平衡状态与李雅普诺夫判稳、根轨迹与误差约束、由对数幅频反求传函、状态空间综合与观测器。多题含原卷插图。

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一一、单项选择题:控制基本概念10 分#

思路
  • 覆盖传递函数适用范围、系统型别与误差、阻尼比、典型输入、校正、状态空间与离散系统等基本概念
本卷考法
  • 判断哪类系统可以用传递函数描述
本卷实例
  • 关键一步:由传递函数基于线性定常与零初始条件这一前提逐项排除
  • 中间结果:只有线性定常系统能用传递函数描述
  • 卡点:四个选项的干扰性都强,要按前提逐项排除
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过判断哪类系统可以用传递函数描述
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 本卷考过把时变或非线性系统也归入传递函数适用范围
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
公式
本卷考法
  • 按系统型别判断斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先数开环积分环节个数定系统型别
  • 中间结果:零型系统对斜坡输入的误差趋于无穷
  • 卡点:型别判断错会直接选错选项
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
  • 本卷考过按系统型别判断斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 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
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
  • 由阻尼比取值判断系统所处状态
本卷实例
  • 关键一步:对照阻尼比各区间与系统状态的对应关系
  • 中间结果:阻尼比等于零对应无阻尼等幅振荡
  • 卡点:四个选项分属不同区间,判断前先记牢
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
  • 本卷考过由阻尼比取值判断系统所处状态
  • 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
  • 本卷考过把无阻尼与欠阻尼的取值区间搞混
  • 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
典型输入信号 基本概念与信号
本卷考法
  • 指出讨论动态性能常用的典型输入信号
本卷实例
  • 关键一步:按各典型输入常用于考查哪类性能来选
  • 中间结果:单位阶跃常用于考查动态性能
  • 卡点:典型输入与性能指标的对应关系别记混
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 常用典型输入有冲激、阶跃、斜坡、抛物线(加速度)与正弦五类
  • 阶跃信号用于考查快速性与稳定性,斜坡与抛物线用于考查稳态精度
  • 正弦信号用于频域分析,冲激响应就是系统的传递函数
  • 各典型信号的拉氏变换是分析全响应的起点
步骤
  • 按题意写出输入信号的时域表达式
  • 对输入取拉氏变换得到该信号的复域形式
  • 由输入类型判断考查的是动态性能还是稳态精度
  • 把输入代入误差或响应公式计算
通用考法
  • 本卷考过指出讨论动态性能常用的典型输入信号
  • 写出典型输入信号的拉氏变换
  • 说明某一典型输入信号用于考查哪类性能
  • 由输入类型判断稳态误差是否为有限值
常见易错
  • 本卷考过把斜坡与阶跃信号考查的性能弄反
  • 把斜坡与抛物线信号的阶次写错
  • 阶跃的拉氏变换漏掉系数(幅度不为 1 时)
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量要求反推阻尼比的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比再取欠阻尼区间
  • 中间结果:超调量随阻尼比增大而减小
  • 卡点:区间端点是否包含要按严格不等号判断
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
  • 本卷考过由超调量要求反推阻尼比的取值范围
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 判断线性定常系统稳定性与哪些因素有关
本卷实例
  • 关键一步:从特征方程只由系统结构与参数决定切入
  • 中间结果:稳定性取决于系统自身结构与参数
  • 卡点:输入量只影响响应形式,不影响稳定性
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
  • 本卷考过判断线性定常系统稳定性与哪些因素有关
  • 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
  • 本卷考过误以为稳定性与输入信号有关
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 选出既改善稳态性能又不牺牲动态性能的校正方式
本卷实例
  • 关键一步:比较超前、滞后与滞后超前校正在各频段的作用
  • 中间结果:滞后校正靠压低高频增益提高稳态精度
  • 卡点:校正方式的取舍要同时兼顾两条性能
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过选出既改善稳态性能又不牺牲动态性能的校正方式
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 本卷考过把滞后校正说成会明显加快响应
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 判断状态变量选择的唯一性与个数
  • 判断差分状态方程描述的系统类型
本卷实例
  • 关键一步:由状态变量定义与系统阶数确定其个数
  • 中间结果:状态变量个数等于系统阶次
  • 卡点:按系数是否随时间变化区分定常与时变系统
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
  • 本卷考过判断状态变量选择的唯一性与个数
  • 本卷考过判断差分状态方程描述的系统类型
  • 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
  • 本卷考过认为状态变量的选择唯一
  • 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
  • 判断状态反馈不改变系统的哪一种性质
本卷实例
  • 关键一步:由状态反馈只改变系统矩阵而不改变输入通道来判断
  • 中间结果:状态反馈不改变系统的能控性
  • 卡点:能观性可能被状态反馈改变,属易混点
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
  • 本卷考过判断状态反馈不改变系统的哪一种性质
  • 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
  • 本卷考过把能控性与能观性的改变规律说反
  • 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

二二、简答题:控制基本概念20 分#

思路
  • 回答性能要求、控制方式、框图连接、阻尼改善、稳定条件、稳态精度、校正方法与对偶原理等概念
本卷考法
  • 答出自动控制系统的三项基本性能要求
  • 列举基本控制方式与闭环系统的组成环节
本卷实例
  • 关键一步:按稳定、准确、快速三方面答性能要求
  • 中间结果:基本控制方式分开环与闭环两类
  • 卡点:闭环组成要答全对象、执行、放大、测量、比较与校正元件
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环系统按给定、比较、放大、执行、对象、检测六个环节串联成环
  • 按有无反馈分为开环、闭环与复合控制;按给定信号分为恒值、随动与程序控制
  • 检测变送元件把被控量转换成可比较的信号,是反馈通道的入口
  • 控制系统的基本要求是稳、准、快三条
步骤
  • 从工艺或物理描述里找出被控量与操纵量
  • 逐个指认给定、比较、控制、执行、对象与检测六个环节对应的实物
  • 按信号流向把环节串成闭环方框图
  • 说明系统靠什么维持被控量等于给定量
通用考法
  • 本卷考过答出自动控制系统的三项基本性能要求
  • 本卷考过列举基本控制方式与闭环系统的组成环节
  • 指出系统的被控对象、被控量与操纵量
  • 说明检测变送元件在闭环系统中的作用
  • 画出给定系统的闭环方框图并说明工作过程
常见易错
  • 本卷考过把被控量与操纵量混为一谈
  • 把被控量与操纵量搞反
  • 只画方框图而不指认环节,或反之,漏答一半
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 列举控制系统框图的基本连接形式
本卷实例
  • 关键一步:按信号传递关系归纳连接方式
  • 中间结果:基本连接含串联、并联与反馈三种
  • 卡点:反馈连接要注明比较点的极性
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
  • 本卷考过列举控制系统框图的基本连接形式
  • 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
  • 本卷考过漏答反馈连接这一形式
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式
本卷考法
  • 列举增大阻尼比减小超调的措施
  • 解释PID三个字母的含义
本卷实例
  • 关键一步:从引入微分作用或速度反馈增大阻尼入手
  • 中间结果:PID分别对应比例、积分与微分环节
  • 卡点:微分作用对噪声敏感,答题时要一并说明
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过列举增大阻尼比减小超调的措施
  • 本卷考过解释PID三个字母的含义
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 本卷考过把积分环节的作用说成增大阻尼
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 写出线性连续定常系统稳定的充分必要条件
本卷实例
  • 关键一步:从特征根实部符号决定响应是否收敛来判断
  • 中间结果:稳定要求全部闭环极点位于左半开平面
  • 卡点:虚轴上有单极点属临界稳定,不算稳定
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
  • 本卷考过写出线性连续定常系统稳定的充分必要条件
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件说成极点实部小于等于零
  • 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
本卷考法
  • 列举提高系统稳态精度的主要措施
本卷实例
  • 关键一步:从提高开环增益与增加积分环节两方面答
  • 中间结果:增大开环增益可减小给定作用下的误差
  • 卡点:措施要兼顾稳定性与动态性能
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过列举提高系统稳态精度的主要措施
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 本卷考过只提提高增益而不说明对稳定性的影响
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式
本卷考法
  • 列举自动控制系统的基本校正方法
本卷实例
  • 关键一步:按校正装置接入位置与信号来源分类
  • 中间结果:基本方法含串联、前馈与复合校正
  • 卡点:反馈校正与并联校正的表述要区分开
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过列举自动控制系统的基本校正方法
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 本卷考过只答串联校正而漏掉前馈与复合控制
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 叙述对偶原理与能控能观的对应关系
本卷实例
  • 关键一步:由一个系统的能控性等价于对偶系统的能观性切入
  • 中间结果:对偶系统中状态矩阵转置、输入输出矩阵互换
  • 卡点:两系统的对应关系要成对说明
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
  • 本卷考过叙述对偶原理与能控能观的对应关系
  • 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
  • 本卷考过把能控性与能观性的对偶关系说反
  • 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

三1三1、结构图求闭环传递函数8 分#

思路
  • 按结构图逐层化简,或用梅森增益公式直接求闭环传递函数
本卷考法
  • 用梅森公式求多回路结构图的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先列全部独立回路并判断是否两两不接触
  • 中间结果:特征式只含单回路项,无二阶项
  • 卡点:结构图未读图,各回路增益需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用梅森公式求多回路结构图的闭环传函
  • 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
  • 本卷考过余子式未剔除与前向通路接触的回路
  • 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
  • 逐层化简结构图核对闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:从最内环起把局部反馈化成等效环节
  • 中间结果:逐层化简结果应与梅森公式一致
  • 卡点:比较点与引出点移动后支路增益要补偿
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
  • 本卷考过逐层化简结构图核对闭环传函
  • 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
  • 本卷考过化简内环时把外环信号当成常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

三2三2、二阶系统超调量与上升时间8 分#

思路
  • 由单位反馈开环传函化标准二阶形式求参数,再按公式算超调量与上升时间
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
  • 由单位反馈开环传函化标准二阶形式求参数
本卷实例
  • 关键一步:先写闭环传函再与标准式逐项比较系数
  • 中间结果:由常数项与一次项定自然频率与阻尼比
  • 卡点:开环增益与闭环参数的关系要先确认反馈结构
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
  • 本卷考过由单位反馈开环传函化标准二阶形式求参数
  • 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
  • 本卷考过忘记先把二次项系数归一化
  • 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
  • 由阻尼比与自然频率计算超调量与上升时间
本卷实例
  • 关键一步:判为欠阻尼后先算阻尼角再代入公式
  • 中间结果:超调量只随阻尼比变化
  • 卡点:上升时间公式中的阻尼角要取钝角范围
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
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率计算超调量与上升时间
  • 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
  • 本卷考过上升时间与峰值时间公式混用
  • 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

三3三3、劳斯判据判断稳定性与右半平面根数6 分#

思路
  • 列劳斯表,由首列符号变化次数判断不稳定与右半平面特征根个数
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判稳并数右半平面特征根个数
本卷实例
  • 关键一步:先写闭环特征多项式并补齐缺项再列劳斯表
  • 中间结果:首列符号改变次数等于右半平面根个数
  • 卡点:首列元素含符号变化时要逐项核对变号次数
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判稳并数右半平面特征根个数
  • 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元时未改用辅助方程
  • 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

三4三4、离散系统稳定性判断6 分#

思路
  • 求闭环特征方程解z平面极点,比较极点模与一判断稳定性
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环特征根模判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征方程并解出z平面极点
  • 中间结果:极点模均小于一时系统稳定
  • 卡点:共轭极点模由实部虚部平方和开方
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
  • 本卷考过由闭环特征根模判断离散系统稳定性
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成极点实部小于零
  • 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
  • 由开环脉冲传函写闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按单位负反馈关系由开环脉冲传函写闭环式
  • 中间结果:闭环分母即闭环特征多项式
  • 卡点:分子分母要整理成降幂排列
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
  • 本卷考过由开环脉冲传函写闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 本卷考过把开环传函直接当作闭环特征式
  • 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

三5三5、描述函数法分析自振荡8 分#

思路
  • 把线性部分奈氏曲线与负倒描述函数曲线画在同一复平面,按交点性质分析自振荡
本卷考法
  • 用描述函数法分析系统是否发生自振荡
本卷实例
  • 关键一步:在同一复平面上画两条轨迹后按穿越方向判稳
  • 中间结果:由不稳定区穿入稳定区的交点对应稳定自振
  • 卡点:两条曲线均未读图,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
  • 本卷考过用描述函数法分析系统是否发生自振荡
  • 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
  • 本卷考过未按振幅增大方向判断交点稳定性
  • 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

三6三6、由传递函数建立状态空间表达式6 分#

思路
  • 按能控标准型由传递函数分母与分子系数直接写状态空间表达式
本卷考法
  • 由传递函数建立能控标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:先化为真分式再由分母系数写友矩阵
  • 中间结果:分子系数决定输出方程的行向量
  • 卡点:直接传递项是否为零要先判定
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建立能控标准型状态空间表达式
  • 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
  • 本卷考过友矩阵中分母系数的符号写反
  • 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

三7三7、平衡状态与李雅普诺夫稳定性8 分#

思路
  • 令状态导数为零求平衡状态,解李雅普诺夫方程由P的正定性判断稳定性
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 求平衡状态并用李雅普诺夫方程判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令状态导数同时为零求平衡点再解矩阵方程求P
  • 中间结果:取单位阵为Q,由P的正定性给出渐近稳定
  • 卡点:P的对称性在解方程时应自动满足
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
  • 本卷考过求平衡状态并用李雅普诺夫方程判断稳定性
  • 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
  • 本卷考过只检查P的对角元正而忽略顺序主子式
  • 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

四1四1、根轨迹与稳态误差约束求K20 分#

思路
  • 画根轨迹由虚轴交点判稳,再由斜坡误差约束求K的取值
本卷考法
  • 按绘制法则画出三阶系统根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:由开环极点定实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:三条渐近线交于极点实部均值
  • 卡点:系统框图未读图,开环零极点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按绘制法则画出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
  • 本卷考过分离点方程的解未筛选就直接采用
  • 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
本卷考法
  • 由虚轴交点求临界稳定增益
本卷实例
  • 关键一步:把虚轴坐标代入特征方程分离实部与虚部
  • 中间结果:临界增益由虚轴交点的模条件给出
  • 卡点:稳定域要与根轨迹的穿越方向对应
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
  • 本卷考过由虚轴交点求临界稳定增益
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论,漏掉另一组交点
  • 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
  • 由斜坡输入稳态误差要求反求增益下限
本卷实例
  • 关键一步:先由速度误差系数写出误差与增益的关系式
  • 中间结果:一型系统斜坡误差与开环增益成反比
  • 卡点:与稳定域取交集才是最终取值范围
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
  • 本卷考过由斜坡输入稳态误差要求反求增益下限
  • 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

四2四2、由对数幅频特性求传函与相位裕量20 分#

思路
  • 按低频段与转折频率反求开环传函,求相位裕量并分析参数a的影响
本卷考法
  • 由开环对数幅频特性曲线反求开环与闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:按低频段斜率定型别,再按延长线交点定增益
  • 中间结果:各转折频率对应时间常数取倒数
  • 卡点:对数幅频曲线未读图,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由开环对数幅频特性曲线反求开环与闭环传函
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点直接当作增益而未折算型别
  • 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
  • 绘制相频特性并标出相位裕量
本卷实例
  • 关键一步:先求截止频率,再取该频率处相角与负一百八十度之差
  • 中间结果:相位裕量为正表示闭环稳定
  • 卡点:绘制相频特性时各环节相角要逐项累加
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
  • 本卷考过绘制相频特性并标出相位裕量
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相角穿越频率用反
  • 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
  • 分析参数a变化对系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:把参数a代入相位裕量表达式后讨论其变化趋势
  • 中间结果:参数a越大附加滞后越小,裕量越大
  • 卡点:结论要与相位裕量公式逐项对应说明
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
  • 本卷考过分析参数a变化对系统稳定性的影响
  • 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
  • 本卷考过只定性说稳定而不写出裕量判据
  • 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

四3四3、状态空间综合与状态反馈30 分#

思路
  • 求转移矩阵与传函,判能控能观后做极点配置并证明能观性是否变化
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态矩阵求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先求预解矩阵再逐项取拉氏反变换
  • 中间结果:转移矩阵元素由指数项组合而成
  • 卡点:有重根时反变换要保留时间的一次项
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
  • 本卷考过由状态矩阵求状态转移矩阵
  • 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
  • 本卷考过矩阵求逆时忘记检查行列式是否非零
  • 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给定位置
本卷实例
  • 关键一步:先判能控性再比较期望与系统两个特征多项式
  • 中间结果:反馈阵各元由两组系数之差求出
  • 卡点:反馈律的符号约定要与题目一致
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给定位置
  • 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
本卷考法
  • 求状态反馈后闭环系统的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用反馈后的系统矩阵代入传函公式计算
  • 中间结果:传函分母为反馈后的特征多项式
  • 卡点:输出矩阵与状态矩阵的乘积次序不能颠倒
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
  • 本卷考过求状态反馈后闭环系统的传递函数
  • 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
  • 本卷考过漏掉直接传递项或写错输出矩阵
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 证明极点配置前后系统能观性是否改变
本卷实例
  • 关键一步:分别写反馈前后的能观性判别矩阵再比较秩
  • 中间结果:先算反馈前能观性矩阵的秩再算反馈后的秩
  • 卡点:证明过程要由秩的数值支撑,不可空口断言
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
  • 本卷考过证明极点配置前后系统能观性是否改变
  • 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
  • 本卷考过把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 说明状态无法检测时能否设计观测器实现状态反馈
本卷实例
  • 关键一步:从能观性判别结果论证观测器可否设计
  • 中间结果:能否设计观测器由能观性判别结果决定
  • 卡点:能观性分解可用来判断可观测子空间
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态观测器用输出与输入重构状态,前提是系统能观
  • 极点配置法与龙伯格观测器是两种常用形式
  • 观测器误差动态由 A-LC 的特征值决定
  • 观测器极点通常取得比系统极点快若干倍
步骤
  • 验证系统能观性
  • 写出观测器方程并求误差动态矩阵
  • 按期望特征多项式比较系数求出 L
  • 校验观测器收敛速度是否合适
通用考法
  • 本卷考过说明状态无法检测时能否设计观测器实现状态反馈
  • 设计全维状态观测器
  • 由期望观测器极点求反馈增益阵 L
  • 分析观测器与状态反馈组合后的系统极点
常见易错
  • 本卷考过忽略观测器设计需要系统能观
  • 把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 忽略观测器极点过快会放大噪声
公式