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大连理工大学 854 自动控制原理 2019 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、RC 电路建模、梅逊公式、单位反馈稳定与极点、参数根轨迹、对数幅频反求与滞后校正、奈氏判稳、继电器描述函数、状态转移矩阵、状态空间综合

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一一、简答题(5 小问)#

思路
  • 开环闭环对比、传递函数定义、零极点影响、积分环节特性、离散系统稳定条件
本卷考法
  • 第(1)问说明开环与闭环控制系统的定义与各自特点
本卷实例
  • 关键一步:从有无反馈回路切入,对比结构与性能差异
  • 中间结果:开环结构简单精度低;闭环精度高但可能振荡
  • 卡点:把开环说成无输入信号;只答定义漏答特点
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
  • 本卷考过第(1)问说明开环与闭环控制系统的定义与各自特点
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 第(2)问叙述线性定常系统传递函数的定义
本卷实例
  • 关键一步:点明零初始条件下输出与输入拉氏变换之比
  • 中间结果:传函只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 卡点:漏掉零初始条件这一前提;把输入函数写进定义
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(2)问叙述线性定常系统传递函数的定义
  • 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(3)问分析增加开环零点与极点对稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:分别看零点、极点把根轨迹向左还是向右拉
  • 中间结果:零点使根轨迹左移增强稳定,极点右移可能失稳
  • 卡点:零点与极点作用说反;只谈渐近线不谈实轴段
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(3)问分析增加开环零点与极点对稳定性的影响
  • 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
本卷考法
  • 第(4)问写出积分环节的传函、频率特性、幅频与相频
本卷实例
  • 关键一步:把复变量换成纯虚数后分别取模与相角
  • 中间结果:幅频与频率成反比,相频恒为负九十度
  • 卡点:模与相角计算漏项;把积分与微分环节特性弄混
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
  • 本卷考过第(4)问写出积分环节的传函、频率特性、幅频与相频
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 第(5)问简述离散控制系统的稳定条件
本卷实例
  • 关键一步:从特征根模值与单位圆的关系说明
  • 中间结果:全部特征根位于单位圆内则系统稳定
  • 卡点:写成实部小于零;把单位圆上的等幅振荡当稳定
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(5)问简述离散控制系统的稳定条件
  • 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

二二、RC 电路微分方程、结构图与传函#

思路
  • 由 RC 网络列微分方程、画结构图并求传函 Uo(s)/Ui(s)
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 列写 RC 网络的微分方程与各支路电流电压关系
本卷实例
  • 关键一步:按基尔霍夫定律列方程再消去中间电流变量
  • 中间结果:消元后得二阶微分方程,系数由电阻电容乘积组成
  • 卡点:电容电流与电压关系写反;漏掉某个中间电流
  • 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
  • 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
  • 本卷考过列写 RC 网络的微分方程与各支路电流电压关系
  • 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
  • 由 RC 网络微分方程画结构图并求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对微分方程取拉氏变换后按环节连接画结构图
  • 中间结果:传函分母为二阶多项式,分子为常数项
  • 卡点:结构图反馈极性画错;梅逊公式漏算回路
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 RC 网络微分方程画结构图并求传递函数
  • 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

三三、梅逊公式求闭环传递函数#

思路
  • 用梅逊增益公式求多回路结构图的闭环传函 C(s)/R(s)
本卷考法
  • 用梅逊公式求复杂结构图的闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:列全部单独回路、两两不接触回路与前向通路
  • 中间结果:特征式由各回路增益按接触关系组合而成
  • 卡点:不接触回路漏算或重复;余子式未剔除接触回路
  • 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
  • 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
  • 本卷考过用梅逊公式求复杂结构图的闭环传递函数
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 逐层化简多回路结构图并与梅逊公式结果互证
本卷实例
  • 关键一步:从最内层回路开始逐层等效合并
  • 中间结果:每化简一层重画结构图并保持节点与回路对应
  • 卡点:化简内环时把外环信号当常数;比较点符号写错
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
  • 本卷考过逐层化简多回路结构图并与梅逊公式结果互证
  • 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

四四、单位负反馈系统稳定范围与闭环极点#

思路
  • 由结构图写闭环特征多项式,求稳定 Kb 范围,再由已知闭环极点反求 Kb 与其余极点
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 第(1)问求使系统闭环稳定的反馈系数 Kb 取值范围
本卷实例
  • 关键一步:由结构图写闭环特征多项式再列劳斯表
  • 中间结果:稳定条件为劳斯表首列元素全部大于零
  • 卡点:漏列某个首列不等式;取交集时端点判错
  • 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
  • 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
  • 本卷考过第(1)问求使系统闭环稳定的反馈系数 Kb 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 第(1)(2)问列特征多项式、列劳斯表并由已知极点反求参数
本卷实例
  • 关键一步:把已知闭环极点代入特征方程,再用综合除法降阶
  • 中间结果:由已知根解出一个参数,再由余下二次式求另两根
  • 卡点:代入时符号写错;降阶后漏乘因式的常数项
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
  • 本卷考过第(1)(2)问列特征多项式、列劳斯表并由已知极点反求参数
  • 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
  • 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

五五、根轨迹与参数 z 的稳定性分析#

思路
  • 先画原系统根轨迹并判稳,再以校正零点位置 z 为参数画根轨迹分析稳定性
本卷考法
  • 第(1)问绘制未加校正时系统的闭环根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出开环零极点后按法则求实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:三条分支起于三个开环极点,渐近线夹角为六十度
  • 卡点:实轴段零极点计数错;分离点方程的根未筛选
  • 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
  • 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)问绘制未加校正时系统的闭环根轨迹
  • 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(1)(2)问求虚轴交点与闭环稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:令特征方程的自变量为纯虚数解出交点和临界增益
  • 中间结果:临界增益对应一对共轭纯虚根
  • 卡点:漏掉另一组频率解;临界值未回代核对
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
  • 本卷考过第(1)(2)问求虚轴交点与闭环稳定的增益范围
  • 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(3)问以零点位置 z 为参数绘制闭环根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把 z 提到等效开环分子,比较不同 z 的渐近线重心
  • 中间结果:z 越大根轨迹越靠近虚轴,过大时分支进入右半平面
  • 卡点:参数未完整提出;仍沿用固定增益的绘制步骤
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 可变参数不是开环增益时称为参数根轨迹
  • 方法是用等效开环传递函数把参数提到标准位置
  • 正反馈系统或零度根轨迹的相角条件是 0°+360°l
步骤
  • 把特征方程整理成 1+αG*(s)=0 的形式
  • 把 α 以外部分视为等效开环传递函数
  • 按常规根轨迹法则绘制
  • 注意相角条件是否变成 0°
通用考法
  • 本卷考过第(3)问以零点位置 z 为参数绘制闭环根轨迹
  • 以时间常数或其他参数为变量绘制根轨迹
  • 绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 比较零度与 180 度根轨迹的差别
常见易错
  • 整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 零度根轨迹仍沿用 180° 相角条件
公式
本卷考法
  • 第(4)问分析 z 变化与闭环稳定性之间的关系
本卷实例
  • 关键一步:用根轨迹与虚轴的交点划分稳定区间
  • 中间结果:由渐近线重心位置可定性判断稳定性走向
  • 卡点:把闭环极点近似当成开环极点;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(4)问分析 z 变化与闭环稳定性之间的关系
  • 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

六六、由对数幅频特性求传函与滞后校正#

思路
  • 由 L(ω) 反求开环传函并算相角裕量,再用滞后网络串联校正后重画 Bode 图
本卷考法
  • 第(1)问由对数幅频特性反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定积分环节个数与开环增益
  • 中间结果:各转角频率对应一阶环节时间常数的倒数
  • 卡点:延长线交点未折算型别;斜率变化与环节阶数不匹配
  • 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)问由对数幅频特性反求开环传递函数
  • 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
本卷考法
  • 第(2)问画出校正后系统的开环 Bode 图
本卷实例
  • 关键一步:把校正装置与固有环节的转折频率依次叠加
  • 中间结果:校正后剪切频率左移、相角裕度提高
  • 卡点:逐段改斜率只替换未累加;漏乘校正装置的常数
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
  • 本卷考过第(2)问画出校正后系统的开环 Bode 图
  • 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
  • 第(1)问计算相角裕量并判别闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令幅频等于 1 求剪切频率再代入相频
  • 中间结果:剪切频率处相角加一百八十度即相角裕量
  • 卡点:剪切频率与相位穿越频率混用;符号判反
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)问计算相角裕量并判别闭环稳定性
  • 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)问用给定滞后网络作串联校正并求校正后裕量
本卷实例
  • 关键一步:代入校正装置传函后重新计算开环频率特性
  • 中间结果:滞后校正借降低剪切频率提高相角裕度
  • 卡点:校正后未重新核对裕量;两转折频率顺序写反
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(2)问用给定滞后网络作串联校正并求校正后裕量
  • 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

七七、奈氏图判稳#

思路
  • 由三个系统的开环奈氏图负频率部分与右极点个数判断闭环稳定性
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏图与右极点个数判断三个系统闭环是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:对每条曲线数包围临界点的圈数并计入虚轴补线
  • 中间结果:按右极点个数与包围圈数关系求闭环右极点数
  • 卡点:未先数开环右极点个数;补线遗漏或方向画反
  • 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
  • 本卷考过由奈氏图与右极点个数判断三个系统闭环是否稳定
  • 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

八八、继电器描述函数法自激振荡#

思路
  • 理想继电器描述函数下判断是否自激振荡并求振荡频率与幅值
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出理想继电器描述函数的负倒特性并分析其走向
本卷实例
  • 关键一步:先算线性部分的幅相特性再画负倒描述函数
  • 中间结果:继电器负倒特性沿负实轴随幅值单调变化
  • 卡点:画成描述函数本身;未标幅值增大方向
  • 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
  • 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
  • 本卷考过写出理想继电器描述函数的负倒特性并分析其走向
  • 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
  • 判断是否产生自激振荡并求振荡频率与幅值
本卷实例
  • 关键一步:由负倒特性与幅相曲线的交点列幅值相角方程
  • 中间结果:交点频率为自振频率,交点幅值对应自振幅值
  • 卡点:把不稳定极限环当自振;只解一个方程漏掉频率
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
  • 本卷考过判断是否产生自激振荡并求振荡频率与幅值
  • 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

九九、状态转移矩阵的判断与反求#

思路
  • 判断两个给定时间函数矩阵是否为状态转移矩阵,若是再求系统的状态矩阵
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 第(1)(2)问判断给定矩阵是否为转移矩阵并求状态矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先用转移矩阵在零时刻等于单位阵筛选
  • 中间结果:满足初值条件的再由求导关系反解状态矩阵
  • 卡点:未验证初值条件;求导时元素漏乘指数因子
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
  • 本卷考过第(1)(2)问判断给定矩阵是否为转移矩阵并求状态矩阵
  • 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

十十、状态空间能控能观与极点配置#

思路
  • 判能控性与能观性、求传递函数,再判断可否任意配置极点并求状态反馈矩阵
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 第(1)问判断系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:构造判别矩阵并比较秩与系统阶数
  • 中间结果:秩等于阶数则系统完全能控能观
  • 卡点:判别矩阵构造混淆;只算到 n-2 阶就下结论
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
  • 本卷考过第(1)问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
  • 第(2)问由状态空间描述求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按输出矩阵乘预解矩阵乘输入矩阵计算传函
  • 中间结果:分母为特征多项式,分子可能发生零极点对消
  • 卡点:漏掉直接传递项;把特征值个数当极点个数
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
  • 本卷考过第(2)问由状态空间描述求传递函数
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 第(3)问判断可否任意配置极点并求状态反馈矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先由能控性判断可配置性,再比系数求反馈阵
  • 中间结果:期望特征式与闭环特征式对应系数相等
  • 卡点:未判能控就配置;系数比对时符号写反
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(3)问判断可否任意配置极点并求状态反馈矩阵
  • 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