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大连理工大学 854 自动控制原理 2015 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等 十道大题:5 小问简答、结构图化简与梅森公式、控制器选型与稳态误差、参数根轨迹、奈氏判稳、对数幅频校正、差分方程、描述函数自振、约当标准型、状态反馈能控能观,题型覆盖全面

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一一、简答(5 小问)#

思路
  • 概念与结论简答:开环传函类概念、零极点对根轨迹影响、瞬态响应指标、PID 表达式、减小稳态误差措施
本卷考法
  • 第(1)问叙述开环传函、开环增益与根轨迹增益三个概念
本卷实例
  • 关键一步:开环传函是开环系统输出与输入之比,含全部回路信息
  • 关键一步:开环增益对尾一型系数,根轨迹增益对首一型系数
  • 中间结果:三者分别对应开环频率特性、尾一型常数与首一型系数
  • 卡点:把根轨迹增益与开环增益混为一谈;漏掉首一/尾一型前提
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)问叙述开环传函、开环增益与根轨迹增益三个概念
  • 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(2)问分别说明增加开环零点、极点对根轨迹的影响
本卷实例
  • 关键一步:增加零点把根轨迹向左(稳定侧)吸引,增加极点向右推
  • 关键一步:同时看渐近线重心与实轴段随零极点增减的移动
  • 中间结果:零点使渐近线重心左移,极点使重心右移
  • 卡点:把零点与极点的作用说反;只谈渐近线不谈实轴段变化
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过第(2)问分别说明增加开环零点、极点对根轨迹的影响
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 第(3)问写出瞬态响应的概念并列出至少 3 个瞬态性能指标
本卷实例
  • 关键一步:瞬态响应指从初始状态到进入稳态前的过渡过程
  • 关键一步:常用指标有超调量、上升时间、峰值时间、调节时间
  • 中间结果:至少写满 3 个指标才算完整作答
  • 卡点:只给定义不列指标;把稳态误差当成瞬态指标
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
  • 本卷考过第(3)问写出瞬态响应的概念并列出至少 3 个瞬态性能指标
  • 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
  • 第(4)问写出 PID 调节器的传递函数与时域表达式
本卷实例
  • 关键一步:传递函数写成比例、积分、微分三项之和
  • 关键一步:时域表达式对应比例项、积分项与微分项
  • 中间结果:Gc(s) 为 Kp 加 Ki/s 加 Kd 乘 s 的三项结构
  • 卡点:积分项漏 1/s、微分项漏 s;Kp 与 Kd 位置写反
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
  • 本卷考过第(4)问写出 PID 调节器的传递函数与时域表达式
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 第(5)问列举降低系统稳态误差的主要措施
本卷实例
  • 关键一步:提高开环增益或增加系统型别(串联积分环节)
  • 关键一步:也可用前馈/复合控制或提高扰动点前的增益
  • 中间结果:先保证闭环稳定,再谈提高增益与型别
  • 卡点:只提高增益而不检查稳定性;忽略扰动作用点位置
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(5)问列举降低系统稳态误差的主要措施
  • 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
  • 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

二二、结构图化简与梅森公式#

思路
  • 由结构图用逐层化简求 C(s)/R(s)(至少 4 点),再用梅森公式求 E(s)/N(s)
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 第(1)问逐层化简多回路结构图求闭环传函 C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:从最内层回路开始把内环等效成一个环节
  • 关键一步:每化简一层重画结构图,保持节点与回路对应
  • 中间结果:等效化简结果应与梅森公式结果完全一致
  • 卡点:化简内环时把外环信号当常数;比较点正负号写错
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过第(1)问逐层化简多回路结构图求闭环传函 C(s)/R(s)
  • 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
本卷考法
  • 第(2)问用梅森增益公式求扰动误差传函 E(s)/N(s)
本卷实例
  • 关键一步:先画信号流图,逐条列单独回路与前向通路
  • 关键一步:求特征式及各通路余子式后代入梅森公式
  • 中间结果:本题回路互相接触,特征式只含一阶回路项
  • 卡点:余子式漏删与通路接触的回路;回路增益符号写反
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
  • 本卷考过第(2)问用梅森增益公式求扰动误差传函 E(s)/N(s)
  • 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
  • 第(2)问求扰动作用下的传函时把参考输入置零
本卷实例
  • 关键一步:求扰动传函令参考输入为零,只保留扰动到误差的通道
  • 关键一步:分别写扰动点前后的前向与反馈通路
  • 中间结果:扰动传函的分子由扰动点到误差的通路增益决定
  • 卡点:未把参考输入置零;把扰动点前后的通路增益弄混
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 线性系统可用叠加原理,每次只保留一个输入
  • 求扰动的传递函数时令参考输入为零
  • 扰动误差与输入误差分别计算后再叠加
步骤
  • 令 R(s)=0,求扰动到输出的传递函数
  • 令 N(s)=0,求输入到输出的传递函数
  • 按题目要求叠加或单独分析
通用考法
  • 本卷考过第(2)问求扰动作用下的传函时把参考输入置零
  • 求扰动引起的输出或误差
  • 分析满足扰动不变性的补偿条件
常见易错
  • 两个输入同时存在时直接叠加却未验证系统的线性性
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式

三三、控制器结构选择与参数范围#

思路
  • 在三种控制器结构中选一种,同时满足扰动零误差与斜坡输入误差上界,并确定参数取值范围
本卷考法
  • 第(a)问由扰动输入下稳态误差为零筛出含积分作用的控制器
本卷实例
  • 关键一步:先写扰动误差传函,再看扰动点后是否有积分环节
  • 关键一步:令 s 趋于零时扰动误差为零,反推控制器需含积分
  • 中间结果:阶跃扰动下零误差要求扰动点后串联积分环节
  • 卡点:求扰动误差时未把参考输入置零;混淆扰动点前与点后
  • 卡点:需回原卷核对图
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(a)问由扰动输入下稳态误差为零筛出含积分作用的控制器
  • 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
本卷考法
  • 第(b)问由斜坡输入下误差上界反求参数取值范围
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理算斜坡误差,前提是闭环稳定
  • 关键一步:由误差不等式解出增益或时间常数的取值范围
  • 中间结果:斜坡误差与开环增益成反比,误差上界给出增益下界
  • 卡点:未判稳就用终值定理;把阶跃误差公式套到斜坡输入
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
  • 本卷考过第(b)问由斜坡输入下误差上界反求参数取值范围
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据确定所选控制器下系统稳定对参数的约束
本卷实例
  • 关键一步:把所选控制器传函代入特征方程并列劳斯表
  • 关键一步:由首列元素全为正解出参数可行区间
  • 中间结果:三种结构中能同时满足两项要求的只有一种
  • 卡点:首列出现零未用 ε 法;漏掉某个首列元素的不等式
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确定所选控制器下系统稳定对参数的约束
  • 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

四四、根轨迹绘制与参数反求#

思路
  • 画闭环根轨迹,判断给定点是否在轨迹上,再由阻尼比反求参数 α
本卷考法
  • 第(1)问按绘制法则画闭环根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成等效开环形式 1 加 2αs/(s²+16) 等于零
  • 关键一步:标出等效开环零极点,求实轴段、渐近线、分离点与虚轴交点
  • 中间结果:等效开环为两个共轭极点与原点零点,n-m 等于 1
  • 卡点:参数根轨迹未把 α 提到分子;忘记重算等效开环零极点
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)问按绘制法则画闭环根轨迹
  • 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)问判断点(-√3,0)是否在根轨迹上
本卷实例
  • 关键一步:把该点代入相角条件看是否满足 180 度
  • 关键一步:再用幅值条件求对应参数是否为非负实数值
  • 中间结果:本题该点落在负实轴根轨迹段上
  • 卡点:把正反馈的零度相角条件与 180 度混用;只代幅值不代相角
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹是开环某一参数由 0 变到无穷时闭环极点在 s 平面上的移动轨迹
  • 同时满足相角条件与幅值条件的 s 才是根轨迹上的点
  • 相角条件决定根轨迹的形状,幅值条件决定对应的参数值
  • 常规根轨迹以开环增益 K 为可变参数
步骤
  • 写出以 K 为参变量的闭环特征方程
  • 整理成 1+KG₀(s)=0 的标准形式
  • 用相角条件判断某点是否在根轨迹上
通用考法
  • 本卷考过第(2)问判断点(-√3,0)是否在根轨迹上
  • 判断给定点是否在根轨迹上
  • 由幅值条件求该点对应的 K
  • 说明相角条件与幅值条件各自的作用
常见易错
  • 把相角条件的 180° 写成 0°(正反馈时才用 0°)
  • 用幅值条件判点,搞混两个条件的用途
公式
本卷考法
  • 第(3)问由阻尼比 ξ=0.5 反求参数 α
本卷实例
  • 关键一步:等阻尼线角度由 β 等于 arccos ξ 定出
  • 关键一步:把该阻尼线上的闭环极点代入特征方程解参数
  • 中间结果:β 为 60 度,在等阻尼线上取一对共轭极点
  • 卡点:把等阻尼线画成垂直线;由极点位置估指标时忽略零点影响
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(3)问由阻尼比 ξ=0.5 反求参数 α
  • 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

五五、奈奎斯特曲线判稳求 K 范围#

思路
  • 由图给开环奈氏曲线分段分析不同 K 取值下闭环的稳定性
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏曲线与临界点关系分段求使闭环稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:把 K 变化看成曲线相对临界点的等比缩放
  • 关键一步:按缩放后曲线的包围情况分段数正穿越与负穿越次数
  • 中间结果:本题开环右半平面极点数 P 为零,稳定要求包围圈数为零
  • 卡点:含积分环节未补画无穷大半径圆弧;包围圈数正负号定义搞反
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由奈氏曲线与临界点关系分段求使闭环稳定的 K 范围
  • 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
  • 由图读各临界频率处幅值,用于判断曲线是否包围临界点
本卷实例
  • 关键一步:读曲线在相位负 180 度附近与负实轴的交点幅值
  • 关键一步:把交点幅值与 1 比较,判断是否包围临界点
  • 中间结果:交点幅值等于 1 时的 K 即为临界增益
  • 卡点:把不同穿越点的幅值与频率对应错;忘记判系统型别
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
  • 本卷考过由图读各临界频率处幅值,用于判断曲线是否包围临界点
  • 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

六六、对数幅频特性与串联校正20 分#

思路
  • 由校正前后对数幅频特性反求传函,判定校正装置性质,再求稳定 K 与相角、幅值裕量
本卷考法
  • 第(1)问由校正前后的对数幅频曲线分别反求开环传函
本卷实例
  • 关键一步:按低频段斜率定型别与增益,逐段按斜率变化识别零极点
  • 关键一步:分别写校正前、校正后传函,再相除得校正装置传函
  • 中间结果:校正后惯性环节转折频率降低,中频段斜率被拉平
  • 卡点:斜率变化为负 40 时误判成一个一阶环节;低频高度未折算型别
  • 卡点: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
  • 本卷考过第(1)问由校正前后的对数幅频曲线分别反求开环传函
  • 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
  • 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
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 第(1)问判定校正装置性质并写出其传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由校正前后转折频率分布判断是滞后-超前还是单一校正
  • 关键一步:用校正后传函除以校正前传函求出装置传函
  • 中间结果:本题低频段相位滞后、中频段相位超前,属滞后-超前校正
  • 卡点:把滞后/超前网络转折频率顺序写反;不检查装置是否可实现
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 兼顾稳态精度与动态性能,适合指标要求较高的场合
  • 低频段用滞后部分提高增益,中高频段用超前部分提高裕度
  • 设计时先确定超前部分,再确定滞后部分
步骤
  • 按稳态精度要求确定开环增益
  • 选择新的截止频率并计算超前部分参数
  • 计算为把低频增益抬到要求值所需的滞后部分参数
  • 合并写出校正装置并校验
通用考法
  • 本卷考过第(1)问判定校正装置性质并写出其传递函数
  • 设计滞后-超前校正装置
  • 说明为何单一校正无法满足指标
  • 分析校正后系统的低频与高频特性
常见易错
  • 先设计滞后部分导致截止频率反复调整
  • 两部分的转折频率分布重叠,互相削弱
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 第(2)(3)问求校正后稳定 K 的临界值与相角、幅值裕量
本卷实例
  • 关键一步:令相角裕度为零求临界剪切频率,再代幅值条件求临界 K
  • 关键一步:K 取 1 时分别求剪切频率与相位穿越频率,算两个裕度
  • 中间结果:稳定要求 K 小于临界值;裕度由剪切频率与穿越频率处幅相值给出
  • 卡点:剪切频率与相位穿越频率用反;幅值裕度取倒数未取
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(2)(3)问求校正后稳定 K 的临界值与相角、幅值裕量
  • 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

七七、差分方程求解(z 变换法)10 分#

思路
  • 用 z 变换解二阶差分方程,并由幂级数展开写出前 4 个采样时刻输出
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 对给定差分方程取 z 变换,代入初始条件求 Y(z) 再反变换
本卷实例
  • 关键一步:对差分方程取单边 z 变换并代入两个初始条件
  • 关键一步:整理出 Y(z) 后用长除或部分分式展开成幂级数
  • 中间结果:Y(z) 分母对应特征多项式 z² 加 3z 加 2,反变换得采样序列
  • 卡点:代入初始条件时漏掉移位项初值;z 正幂与负幂对应时刻搞反
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
  • 本卷考过对给定差分方程取 z 变换,代入初始条件求 Y(z) 再反变换
  • 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

八八、描述函数法分析自振#

思路
  • 求线性部分与负倒描述函数曲线的交点,得自激振荡频率与振幅并判稳定性
本卷考法
  • 求线性部分与负倒描述函数交点处的自振频率与振幅
本卷实例
  • 关键一步:先求线性部分相角为负 180 度时的交越频率
  • 关键一步:在该频率处令幅值等于负倒描述函数值解出振幅
  • 中间结果:交点对应频率即自振频率,交点对应振幅即自振振幅
  • 卡点:画描述函数而不是负倒描述函数;未标振幅增大方向就判稳定性
  • 卡点: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
  • 本卷考过求线性部分与负倒描述函数交点处的自振频率与振幅
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定非线性环节描述函数写出负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:负倒描述函数为描述函数的负倒数
  • 关键一步:随振幅增大,负倒描述函数由负无穷单调趋近原点
  • 中间结果:本题负倒描述函数随振幅增大由负无穷向原点逼近
  • 卡点:把描述函数当成频率的函数;忽略一次谐波近似条件
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
  • 本卷考过由给定非线性环节描述函数写出负倒描述函数
  • 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

九九、状态空间变换为约当标准型#

思路
  • 先求系统特征值与特征向量,构造变换阵把 A、B、C 化为约当标准型
本卷考法
  • 求特征值与广义特征向量,作线性变换把状态空间化为约当型
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程求特征值,按重根补求广义特征向量
  • 关键一步:以特征向量组为列构造变换阵,再算变换后的三组矩阵
  • 中间结果:本题有单根与二重根,二重根需补一个广义特征向量
  • 卡点:重根时误以为有两个独立特征向量;变换阵列序与约当块不对应
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
  • 本卷考过求特征值与广义特征向量,作线性变换把状态空间化为约当型
  • 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

十十、状态反馈后的能控性与能观性#

思路
  • 给定反馈矩阵 K 先求闭环矩阵,再分别用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判定
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 验证闭环系统 (A-BK, B, C) 的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:先算闭环矩阵 A 减 BK,再构造能控性矩阵与能观性矩阵
  • 关键一步:分别求秩并与系统阶数比较得出结论
  • 中间结果:本题两个判据矩阵均满秩,闭环系统同时能控能观
  • 卡点:把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混;只算到倒数第二项
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
  • 本卷考过验证闭环系统 (A-BK, B, C) 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 说明状态反馈会改变极点、也可能改变能观性,需重新校验
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈通过 K 改变闭环特征值,能控性在反馈后不变
  • 关键一步:输出矩阵不变,但能观性可能随闭环矩阵改变
  • 中间结果:反馈后能控性可直接沿用,能观性必须重算
  • 卡点:误认为状态反馈不改变能观性;未验证能控性就下结论
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
  • 本卷考过说明状态反馈会改变极点、也可能改变能观性,需重新校验
  • 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