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中国石油大学(华东) 829 自动控制原理 2020 年真题思维导图

211 院校共 12 题合计 150 分

难度:中等 十二道大题:一为五小问基本概念(传递函数定义与典型环节、扰动前增积分环节影响、滞后校正特性、状态反馈对能控能观影响、状态与输出稳定性区别);二电路求传递函数;三结构图等幅振荡与稳态误差;四根轨迹绘制与阻尼比闭环极点;五对数幅频反求传函与串联校正分析;六采样系统脉冲传函与稳定性、误差;七描述函数法分析周期运动;八模拟结构图与状态空间表达式;九状态空间表达式求解;十能观性判断与能观标准型或分解;十一李雅普诺夫第二法判稳;十二能控标准Ⅰ型实现与极点配置。

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1一、简答题(5小问)20 分#

思路
  • 五小问基本概念:传递函数定义与典型环节、扰动前增积分环节影响、滞后校正特性、状态反馈对能控能观影响、状态与输出稳定性区别
本卷考法
  • 第(1)小问:说明传递函数的定义并写出至少3个典型环节
本卷实例
  • 关键一步:指出传递函数在零初始条件下的定义
  • 关键一步:说明只适用于线性定常系统
  • 中间结果:传递函数是输出与输入拉氏变换之比
  • 卡点:忽略零初始条件这一前提
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
  • 本卷考过第(1)小问:说明传递函数的定义并写出至少3个典型环节
  • 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
  • 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
  • 第(1)小问:写出至少3个典型环节的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:列举比例、积分、惯性、微分等典型环节
  • 关键一步:写出各环节的传递函数表达式
  • 中间结果:典型环节包括比例、积分、惯性、一阶微分等
  • 卡点:把一阶微分环节与纯微分环节混为一谈
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
  • 本卷考过第(1)小问:写出至少3个典型环节的传递函数
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 第(2)小问:分析扰动作用点前增加积分环节对系统性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:积分环节提高系统型别
  • 关键一步:使扰动引起的稳态误差减小或消除
  • 中间结果:提高型别可消除常值扰动误差
  • 卡点:只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
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
  • 本卷考过第(2)小问:分析扰动作用点前增加积分环节对系统性能的影响
  • 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
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 第(3)小问:说明滞后校正利用的特性及其对截止频率、相角裕度的影响
本卷实例
  • 关键一步:利用高频幅值衰减特性压低中频段增益
  • 关键一步:截止频率左移使相角裕度增大
  • 中间结果:滞后校正牺牲快速性换取稳定裕度
  • 卡点:把滞后网络转折频率顺序写反
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
  • 本卷考过第(3)小问:说明滞后校正利用的特性及其对截止频率、相角裕度的影响
  • 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
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 第(4)小问:分析状态反馈控制对系统能控性、能观性的影响
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈不改变系统的能控性
  • 关键一步:状态反馈可能改变能观性
  • 中间结果:状态反馈保持能控性,能观性可能被改变
  • 卡点:误答状态反馈可同时改变能控性与能观性
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
  • 本卷考过第(4)小问:分析状态反馈控制对系统能控性、能观性的影响
  • 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
  • 第(5)小问:说明状态稳定性与输出稳定性的区别
本卷实例
  • 关键一步:状态稳定性关注内部状态收敛
  • 关键一步:输出稳定性只看输出响应是否有界
  • 中间结果:零极点对消时状态不稳定但输出可能稳定
  • 卡点:忽略零极点对消,把两者当成等价条件
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
  • 本卷考过第(5)小问:说明状态稳定性与输出稳定性的区别
  • 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

2二、由电路求传递函数10 分#

思路
  • 由理想元件组成的电路,求输出电压对输入电压的传递函数
本卷考法
  • 由电路网络求传递函数Uo(s)/Ui(s)
本卷实例
  • 关键一步:用复阻抗法列写电路方程
  • 关键一步:消去中间变量得到输出与输入之比
  • 中间结果:电容阻抗为1/(sC),电感阻抗为sL
  • 卡点:复阻抗法把电容阻抗误写成sC
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由电路网络求传递函数Uo(s)/Ui(s)
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 用节点或回路法列写电路方程建模
本卷实例
  • 关键一步:列写节点电流或回路电压方程
  • 关键一步:整理为传递函数形式
  • 中间结果:传递函数分母由电路的时间常数决定
  • 卡点:电路图未读图,元件连接需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用节点或回路法列写电路方程建模
  • 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

3三、结构图等幅振荡与稳态误差10 分#

思路
  • 由结构图求单位阶跃响应出现等幅振荡的K,并在K=10时求给定与扰动下的稳态误差
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 第(1)小问:求使单位阶跃响应出现等幅振荡的K值
本卷实例
  • 关键一步:列写闭环特征方程
  • 关键一步:令特征根为纯虚根求临界K
  • 中间结果:等幅振荡对应特征根落在虚轴上
  • 卡点:把等幅振荡条件误当成实部小于零
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
  • 本卷考过第(1)小问:求使单位阶跃响应出现等幅振荡的K值
  • 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
本卷考法
  • 第(2)小问:分别求给定输入与扰动作用下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:求误差传递函数
  • 关键一步:用终值定理分别计算两个输入的误差
  • 中间结果:两路误差分母相同、分子由各自前向通路决定
  • 卡点:求扰动误差时没把参考输入置零
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
  • 本卷考过第(2)小问:分别求给定输入与扰动作用下的稳态误差
  • 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
  • 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

4四、根轨迹绘制与阻尼比闭环极点15 分#

思路
  • 由结构图绘制K从0到无穷的根轨迹,求稳定K范围及阻尼比0.5时的闭环极点
本卷考法
  • 第(1)小问:按绘制法则画出闭环系统的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:确定开环零极点并标注起点终点与渐近线
  • 关键一步:判实轴段、分离点与虚轴交点
  • 中间结果:根轨迹条数等于开环极点数
  • 卡点:实轴段判据零极点个数算错
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
  • 本卷考过第(1)小问:按绘制法则画出闭环系统的根轨迹
  • 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
  • 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
  • 第(2)(3)小问:求稳定K范围与阻尼比0.5时的闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:由根轨迹与虚轴交点定临界K
  • 关键一步:由等阻尼线与根轨迹交点求闭环极点
  • 中间结果:稳定范围为K大于零且小于临界值
  • 卡点:把等阻尼线画成垂直线,或由极点位置估指标时忽略零点
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)(3)小问:求稳定K范围与阻尼比0.5时的闭环极点
  • 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、对数幅频反求传函与串联校正分析15 分#

思路
  • 由开环对数幅频特性求传函与相角裕度,并分析加入串联校正环节后的性能变化
本卷考法
  • 第(1)小问:由对数幅频特性求开环传函与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:按各段斜率变化确定转折频率与环节
  • 关键一步:由低频段定增益,再求相角裕度
  • 中间结果:所写传函各段斜率应与曲线逐段吻合
  • 卡点:把延长线交点直接当增益而未折算型别
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
  • 本卷考过第(1)小问:由对数幅频特性求开环传函与相角裕度
  • 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
  • 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
  • 第(1)小问:求系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅值等于1解截止频率
  • 关键一步:代入相频表达式求相角裕度
  • 中间结果:相角裕度反映系统的相对稳定性
  • 卡点:把截止频率与相位穿越频率用反
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
  • 本卷考过第(1)小问:求系统的相角裕度
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 第(2)小问:分析加入串联校正环节后的性能变化并判断类型
本卷实例
  • 关键一步:比较校正环节的零极点位置判断类型
  • 关键一步:分析校正后截止频率与相角裕度的变化
  • 中间结果:该环节为滞后校正,增大相角裕度、降低快速性
  • 卡点:把滞后校正与超前校正的作用搞反
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
  • 本卷考过第(2)小问:分析加入串联校正环节后的性能变化并判断类型
  • 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
  • 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

6六、采样系统脉冲传函与稳定性、误差15 分#

思路
  • 含零阶保持器的采样系统,求开环与闭环脉冲传函,判断稳定性并求斜坡稳态误差
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 第(1)小问:求系统的开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把连续部分与零阶保持器合并求z变换
  • 关键一步:按采样开关位置写闭环脉冲传函
  • 中间结果:开环脉冲传函含z与e的负指数因式
  • 卡点:把无采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 卡点:采样系统图未读图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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)小问:求系统的开环与闭环脉冲传递函数
  • 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)小问:判断系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征多项式
  • 关键一步:用朱利判据或w变换后劳斯判据
  • 中间结果:稳定条件为特征根模小于1
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零
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
  • 本卷考过第(2)小问:判断系统的稳定性
  • 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
  • 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
  • 第(3)小问:求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理求速度误差系数
  • 关键一步:由误差系数得稳态误差
  • 中间结果:误差与开环增益及采样周期有关
  • 卡点:未判稳就用终值定理
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
  • 本卷考过第(3)小问:求单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 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

7七、描述函数法分析周期运动15 分#

思路
  • 非线性环节描述函数为(A+1)/(2A+1),分析K=7.5时的周期运动并求稳定K范围
本卷考法
  • 第(1)问:判断K=7.5时是否存在稳定周期运动并求振幅频率
本卷实例
  • 关键一步:写线性部分频率特性与负倒描述函数
  • 关键一步:令幅值相等、相角相差180度联立求解
  • 中间结果:交点对应周期运动的频率与振幅
  • 卡点:未标注A增大方向就判断稳定性
  • 卡点:非线性结构图未读图,线性部分需回原卷核对图
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
  • 本卷考过第(1)问:判断K=7.5时是否存在稳定周期运动并求振幅频率
  • 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
本卷考法
  • 第(2)问:求闭环系统稳定时K的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:比较自振点处线性部分幅值随K的变化
  • 关键一步:由稳定判据确定K的上下界
  • 中间结果:增益越界会引入不稳定自振点
  • 卡点:仅调增益而不检查是否引入新的自振点
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
  • 本卷考过第(2)问:求闭环系统稳定时K的取值范围
  • 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、模拟结构图与状态空间表达式10 分#

思路
  • 由系统结构图绘制模拟结构图并写出状态空间表达式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 绘制模拟结构图并写出系统的状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:为每个积分环节设状态变量
  • 关键一步:按结构图连接写状态方程与输出方程
  • 中间结果:状态变量个数等于系统阶数
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 卡点:结构图未读图,模拟结构图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过绘制模拟结构图并写出系统的状态空间表达式
  • 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

9九、状态空间表达式的解10 分#

思路
  • 求给定二阶状态空间表达式在给定输入下的解
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵并计算系统的状态与输出响应
本卷实例
  • 关键一步:用(sI−A)的逆作拉氏反变换求转移矩阵
  • 关键一步:代入初值与输入作卷积积分
  • 中间结果:状态响应为零输入响应与零状态响应之和
  • 卡点:矩阵求逆算错,或卷积积分变量代换写错
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
  • 本卷考过求状态转移矩阵并计算系统的状态与输出响应
  • 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

10十、能观性判断与能观标准型或分解10 分#

思路
  • 判断三阶系统是否完全能观,完全能观则给能观标准型,否则作能观性分解
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统能观性,不完全能观时作能观性分解
本卷实例
  • 关键一步:构造能观判别阵并求秩
  • 关键一步:不满秩时按能观性分解求能观子系统
  • 中间结果:能观判别阵满秩则完全能观
  • 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
  • 本卷考过判断系统能观性,不完全能观时作能观性分解
  • 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
本卷考法
  • 完全能观时写出系统的能观标准型
本卷实例
  • 关键一步:由特征多项式系数写能观标准型的A阵
  • 关键一步:用变换阵求对应的输入矩阵
  • 中间结果:能观标准型的A阵为友矩阵形式
  • 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
  • 本卷考过完全能观时写出系统的能观标准型
  • 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

11十一、李雅普诺夫第二法判稳10 分#

思路
  • 由给定系统状态方程,用李雅普诺夫第二法判断平衡状态的稳定性
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 求平衡点并构造李雅普诺夫函数判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令状态导数为零求平衡状态
  • 关键一步:取正定V函数并求其沿轨线的导数
  • 中间结果:V导数负定则平衡点渐近稳定
  • 卡点:只判断V正定而未检查其导数的定号性
  • 卡点:状态方程题面被OCR吞,需回原卷核对
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
  • 本卷考过求平衡点并构造李雅普诺夫函数判断稳定性
  • 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
  • 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

12十二、能控标准Ⅰ型实现与极点配置10 分#

思路
  • 由SISO系统传递函数写能控标准Ⅰ型实现,并设计状态反馈阵配置闭环极点
本卷考法
  • 第(1)小问:写出系统的能控标准Ⅰ型实现
本卷实例
  • 关键一步:把传递函数化为真分式并求各系数
  • 关键一步:由分母系数写能控标准Ⅰ型的友矩阵
  • 中间结果:能控标准Ⅰ型由分母系数直接构造
  • 卡点:真分式化分时直接项处理错误,或友矩阵系数符号写反
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
  • 本卷考过第(1)小问:写出系统的能控标准Ⅰ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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 第(2)小问:设计状态反馈阵使闭环极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:先判别能控性确认极点可任意配置
  • 关键一步:设K并展开det(sI−A+bK)与期望特征式比对系数
  • 中间结果:比较系数解出反馈阵K的各分量
  • 卡点:未验证能控性就配置,或比较系数时符号写反
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
  • 本卷考过第(2)小问:设计状态反馈阵使闭环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
  • 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