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重庆大学 844 自动控制原理 2025 年真题思维导图

985 院校共 8 题

难度:中等 8题150分;一题一类型:运放电路建模、二阶系统指标与稳态误差、根轨迹、对数频率特性与超前校正、离散零阶保持器、描述函数、状态空间标准型、状态反馈极点配置;无选择填空,全部为计算与作图题

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1一、运算放大器电路的建模#

思路
  • 由运放电路的虚短虚断列写微分方程,零初始条件下求传递函数,再以电感电流与电容电压为状态变量写出状态空间表达式
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由含运算放大器的电路列写微分方程
本卷实例
  • 关键一步:用虚短与虚断确定各节点电位及支路电流关系
  • 关键一步:对电感与电容分别列元件电压电流关系,消去其余中间变量
  • 中间结果:消元后得到只含输入量与输出量的高阶微分方程
  • 卡点:电路结构未读图,节点连接与元件值需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由含运算放大器的电路列写微分方程
  • 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
本卷考法
  • 求运算放大器电路的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对微分方程取拉氏变换,各初始条件全部置零
  • 关键一步:把输出量与输入量分别集项,整理成降幂分式
  • 中间结果:传递函数分母阶数等于电路中独立储能元件的个数
  • 卡点:容易漏掉运算放大器反相输入带来的负号
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
  • 本卷考过求运算放大器电路的传递函数
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 以电感电流和电容电压为状态变量写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:电感电流与电容电压是独立储能变量,直接取作状态变量
  • 关键一步:由电感电压与电容电流的元件方程写出两个一阶微分方程
  • 中间结果:两个一阶方程配上题目指定输出即可拼出系统矩阵与输入矩阵
  • 卡点:消去非状态变量要用电路约束,连接方式需回原卷核对图
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
  • 本卷考过以电感电流和电容电压为状态变量写状态空间表达式
  • 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

2二、结构图与二阶系统指标#

思路
  • 由结构图写出误差与输出对输入的传递函数,按自然频率与稳态误差条件反求增益与微分时间,再求调节时间与超调量
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由结构图求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把串联环节相乘、并联环节相加,再按负反馈公式合并回路
  • 关键一步:分别写出输出对输入的通路增益与回路增益
  • 中间结果:闭环传递函数的分母就是后续要比对的特征多项式
  • 卡点:闭环结构未读图,反馈极性需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由结构图求闭环传递函数
  • 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
本卷考法
  • 由结构图写出误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先看清图上误差点取在输入端还是反馈端
  • 关键一步:单独写出误差点到输入点的传递关系,得到误差传递函数
  • 中间结果:单位反馈时两种误差定义结果一致,可直接使用
  • 卡点:非单位反馈时两种定义相差一个反馈环节
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
  • 本卷考过由结构图写出误差传递函数
  • 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
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
  • 按自然频率与阻尼比整理闭环标准二阶形式
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征多项式与标准二阶形式逐项比对
  • 关键一步:一次项系数对应两倍阻尼比乘自然频率,常数项对应自然频率平方
  • 中间结果:题给自然频率为二,可先定出常数项,减少待求参数个数
  • 卡点:要先归一化二次项系数,不能直接拿开环增益比对
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
  • 本卷考过按自然频率与阻尼比整理闭环标准二阶形式
  • 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
本卷考法
  • 由稳态误差条件反求系统参数
本卷实例
  • 关键一步:先判断系统型别,再看输入属于哪一种典型信号
  • 关键一步:把型别对应的静态误差系数用待求参数表示,代入误差值列方程
  • 中间结果:稳态误差条件给出待求增益与微分时间的一个关系式
  • 卡点:列方程求误差前要先确认闭环系统是稳定的
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
  • 本卷考过由稳态误差条件反求系统参数
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 在给定阻尼比与自然频率下求调节时间与超调量
本卷实例
  • 关键一步:超调量只由阻尼比决定,与自然频率无关
  • 关键一步:调节时间与阻尼比乘自然频率成反比,取题目约定的误差带
  • 中间结果:第二问定出的参数可直接代入两个指标公式
  • 卡点:调节时间两种误差带的系数容易取混
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
  • 本卷考过在给定阻尼比与自然频率下求调节时间与超调量
  • 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

3三、闭环特征方程的根轨迹#

思路
  • 把给定的闭环特征方程整理成一条通路上含可变增益的形式,确定开环零极点,按法则画根轨迹,求稳定增益范围,再由指定闭环极点反求增益
本卷考法
  • 按步骤绘制根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成一条通路增益乘分子加分母等于零的形式
  • 关键一步:标出开环零极点,用实轴右侧零极点个数为奇数判断根轨迹段
  • 中间结果:分支数等于开环极点数,起点为开环极点,终点为开环零点
  • 卡点:源文特征方程字面高阶项缺失,需回原卷核对式子
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
  • 本卷考过按步骤绘制根轨迹草图
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求系统稳定时可变增益的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:把整理后的特征多项式按降幂排列并列劳斯表
  • 关键一步:令劳斯表首列各元素同号,解出可变增益的不等式组
  • 中间结果:稳定域是增益的一个区间,区间端点对应根落在虚轴上
  • 卡点:漏列首列某个元素会少掉一个约束
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
  • 本卷考过求系统稳定时可变增益的取值范围
  • 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
本卷考法
  • 已知一个闭环极点反求对应增益
本卷实例
  • 关键一步:把该极点代入特征方程,检验它是否落在根轨迹上
  • 关键一步:若在根轨迹上,由幅值条件求出对应的可变增益
  • 中间结果:极点与增益的对应关系取决于特征方程的写法
  • 卡点:该极点是否在根轨迹上,需回原卷核对特征方程
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
  • 本卷考过已知一个闭环极点反求对应增益
  • 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

4四、对数频率特性与超前校正#

思路
  • 由静态速度误差系数定出开环增益,画对数频率特性并求幅值穿越频率与相角裕量,再按相角裕量要求设计串联超前校正网络
本卷考法
  • 由静态速度误差系数反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:按系统型别写出速度误差系数的低频极限表达式
  • 关键一步:令它等于题给数值,解出开环增益
  • 中间结果:低频极限由开环增益与两个惯性环节的时间常数共同决定
  • 卡点:速度误差系数与开环增益之间差两个时间常数之积
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反求开环增益
  • 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
本卷考法
  • 绘制开环对数频率特性曲线
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函写成积分与惯性环节的标准乘积形式
  • 关键一步:低频段斜率由积分环节定、高度由增益定,按转折频率逐段改斜率
  • 中间结果:两个惯性环节的转折频率分别落在中频段与高频段
  • 卡点:逐段改斜率时忘记累加,只做了替换
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
  • 本卷考过绘制开环对数频率特性曲线
  • 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
  • 计算幅值穿越频率与相角裕量
本卷实例
  • 关键一步:由幅频特性等于一的条件确定幅值穿越频率
  • 关键一步:用一百八十度加该频率处的相角求相角裕量
  • 中间结果:题给的反正切参考值对应穿越频率处两个惯性环节的相角
  • 卡点:把幅值穿越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
  • 本卷考过计算幅值穿越频率与相角裕量
  • 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
  • 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
  • 设计串联超前校正网络使相角裕量达到要求
本卷实例
  • 关键一步:由目标裕度与未校正裕度之差确定所需最大超前角
  • 关键一步:由最大超前角求网络分度比,再定两个转折频率
  • 中间结果:题给的正弦值与所需超前角对应,可反推网络的分度比
  • 卡点:计算补偿角时要预留裕度抵消穿越频率右移的相位损失
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网络使相角裕量达到要求
  • 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

5五、含零阶保持器的离散系统#

思路
  • 按采样开关位置写出含保持器的闭环脉冲传递函数,判别特征根是否都在单位圆内,再用终值定理求阶跃输入下的稳态误差
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把零阶保持器与连续对象合并后整体求 z 变换
  • 关键一步:按采样开关位置列写闭环脉冲传递函数,分母为一加开环脉冲传函
  • 中间结果:题给采样周期与指数近似值用于把结果化成 z 的有理分式
  • 卡点:连续环节中间无采样开关时不能直接相乘
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
  • 判断离散闭环系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并解出特征根
  • 关键一步:逐个检查特征根的模是否都小于一
  • 中间结果:特征根可用题给的指数近似值表示,便于比较模
  • 卡点:把稳定条件写成特征根实部小于零
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
  • 本卷考过判断离散闭环系统的稳定性
  • 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
  • 求单位阶跃输入下离散系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:数开环脉冲传函在 z 等于一处的极点重数,确定系统型别
  • 关键一步:用终值定理求误差脉冲传递函数在 z 趋于一时的极限
  • 中间结果:开环在 z 等于一处有极点使位置误差系数趋于无穷
  • 卡点:未判稳就用终值定理会得到无意义的误差
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下离散系统的稳态误差
  • 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

6六、描述函数法判断自振#

思路
  • 由给定的描述函数求负倒描述函数及其随幅值的变化方向,与线性部分的幅相曲线画在同一复平面,按交点判断稳定、不稳定与自振,并读出振幅与频率
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求负倒描述函数并确定它随幅值增大的方向
本卷实例
  • 关键一步:按定义对描述函数取负倒数,整理成关于幅值的表达式
  • 关键一步:代入端点值或对幅值求导,判断负倒描述函数的走向
  • 中间结果:题给描述函数的负倒数在负实轴上是一段关于幅值的区间
  • 卡点:画的是负倒描述函数而不是描述函数本身
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
  • 本卷考过求负倒描述函数并确定它随幅值增大的方向
  • 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
  • 用两条曲线的交点判断自振并求振幅与频率
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分频率特性与负倒描述函数相等,实部与虚部分别相等
  • 关键一步:相角条件给出自振频率,幅值条件给出自振振幅
  • 中间结果:线性部分穿越负实轴的位置与负倒描述函数区间的重叠决定自振存在性
  • 卡点:下结论前要先标出负倒描述函数随幅值增大的方向
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
  • 本卷考过用两条曲线的交点判断自振并求振幅与频率
  • 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

7七、状态空间与标准型#

思路
  • 由给定的系统矩阵求传递函数,判断能控性与能观性,再由传递函数写出可控标准型与可观标准型
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按输出矩阵乘预解矩阵再乘输入矩阵的公式求传递函数
  • 关键一步:把分母完全展开,与分子比对检查有无零极点相消
  • 中间结果:系统矩阵第二、三两行相同,其行列式为零,特征值中含一个零
  • 卡点:零极点对消会使传递函数的阶数低于系统阶数
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
  • 本卷考过由状态空间表达式求传递函数
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性矩阵与能观性矩阵,分别求行列式或秩
  • 关键一步:把两个秩都与系统阶数比较,都满秩才既可控又可观
  • 中间结果:本题两个判据矩阵的秩都等于系统阶数
  • 卡点:两个判据矩阵的构造方式容易互换
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
  • 本卷考过判断系统的能控性与能观性
  • 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
本卷考法
  • 由传递函数写出可控标准型与可观标准型
本卷实例
  • 关键一步:先把传递函数化成真分式,必要时分离直接传递项
  • 关键一步:按分母系数写友矩阵,分子的系数依次填入输出矩阵
  • 中间结果:可控标准型与可观标准型的系统矩阵互为转置
  • 卡点:友矩阵系数的符号与直接传递项容易写错
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可控标准型与可观标准型
  • 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

8八、状态反馈极点配置#

思路
  • 由系统矩阵判断能否用状态反馈任意配置闭环极点,再按指定的三个期望极点设计状态反馈矩阵
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性判据说明能否用状态反馈任意配置极点
本卷实例
  • 关键一步:先构造能控性矩阵并判断其秩是否等于系统阶数
  • 关键一步:秩满则系统完全能控,才具备任意配置极点的前提
  • 中间结果:题给系统矩阵为友矩阵,能控性矩阵满秩的条件容易核对
  • 卡点:未验证能控性就去下结论
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
  • 本卷考过由能控性判据说明能否用状态反馈任意配置极点
  • 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
  • 设计状态反馈矩阵使闭环极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:先由三个期望极点写出期望特征多项式并展开
  • 关键一步:再求带反馈后闭环系统的特征多项式,两者逐项比较系数解出反馈增益
  • 中间结果:期望极点含一对共轭复根,展开后各阶系数都是正数
  • 卡点:反馈只作用在输入矩阵非零的那一行,比较系数时注意符号
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矩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