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国防科技大学 851 自动控制理论(含现控) 2017 年真题思维导图

985 院校共 7 题合计 140 分

难度:中等 7 道大题:多回路结构图求传函、扰动二阶系统动态指标、由稳态误差为零反求增益、根轨迹分离点与虚轴交点、开环波特图与增益裕度、全维状态观测器、采样系统脉冲传函与判稳;无选择填空

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1一、由系统结构图求闭环传递函数10 分#

思路
  • 识别结构图中的两条反馈回路,按梅森公式或逐层化简写出特征多项式,再用前向通路增益除以特征式得闭环传函。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路系统用逐层化简求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先找内环再找外环,逐级把回路消去
  • 中间结果:特征多项式由 1 加各回路增益之和给出
  • 卡点:本题两回路均接触,特征式中不要再加互不接触乘积项,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
  • 本卷考过多回路系统用逐层化简求闭环传递函数
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 按前向通路与回路增益写闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:定前向通路增益后除以特征多项式
  • 中间结果:闭环传函为前向通路增益与特征式之比
  • 卡点:反馈极性为负,回路增益带负号
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
  • 本卷考过按前向通路与回路增益写闭环传递函数
  • 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

2二、扰动二阶系统的动态指标计算20 分#

思路
  • 由结构图求扰动到输出的传递函数,化成二阶标准形式读出阻尼比与自然频率,再按阶跃输入算超调量、峰值时间与峰值。
本卷考法
  • 求扰动输入到输出的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,单独求扰动通道的闭环传函
  • 中间结果:扰动传函化为二阶标准形式
  • 卡点:扰动作用点不同会使传函分子不同,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求扰动输入到输出的传递函数
  • 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
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
  • 把扰动传函化成二阶标准形式读阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:特征式归一后逐项对照标准二阶形式
  • 中间结果:一次项系数与常值项分别给出阻尼比与自然频率
  • 卡点:扰动传函的稳态增益需单独求取
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
  • 本卷考过把扰动传函化成二阶标准形式读阻尼比与自然频率
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 计算阶跃扰动下的超调量、峰值时间与峰值
本卷实例
  • 关键一步:先由终值定理求稳态值,再按性能公式算各项
  • 中间结果:峰值等于稳态值乘 1 加超调量
  • 卡点:调节时间的误差带取 2% 准则
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
  • 本卷考过计算阶跃扰动下的超调量、峰值时间与峰值
  • 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、由稳态误差为零反求比例控制器增益20 分#

思路
  • 由结构图写闭环传函与误差传函,先用劳斯判据确认稳定,再令阶跃误差表达式的分子常数为零解出比例增益。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由系统框图求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按前向通道与反馈通道写出闭环传函
  • 中间结果:闭环分母为二阶多项式,比例增益只进入常值项
  • 卡点:反馈极性为负,分母取加号,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
  • 本卷考过由系统框图求闭环传递函数
  • 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
  • 令单位阶跃输入的稳态误差为零反求增益
本卷实例
  • 关键一步:写出误差传函,用终值定理令极限为零
  • 中间结果:误差分子的常值项与增益匹配时误差为零
  • 卡点:求误差前必须先确认闭环稳定
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
  • 本卷考过令单位阶跃输入的稳态误差为零反求增益
  • 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
  • 用劳斯判据给出增益的稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:把特征式系数按降幂排列并列劳斯表
  • 中间结果:劳斯表首列全正给出增益的稳定区间
  • 卡点:首列元素为零时须借助辅助方程继续判断
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给出增益的稳定范围
  • 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

4四、根轨迹分离点、虚轴交点与草图24 分#

思路
  • 由开环极零点列分离点方程求实轴分离点与对应增益,再由闭环特征方程与劳斯判据求虚轴交点及临界增益,最后按法则绘草图。
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求实轴分离点坐标及该点对应的增益
本卷实例
  • 关键一步:列各开环极点倒数之和为零的方程求分离点
  • 中间结果:分离点求出后由幅值条件反求对应增益
  • 卡点:两根中只有落在实轴段上的才有效
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 分离点是根轨迹离开实轴或相汇的点,对应特征方程的重根
  • 分离点必满足 dK/ds=0
  • 用试探法求解代数方程时要注意舍去不在根轨迹上的根
步骤
  • 由幅值条件解出 K 关于 s 的表达式
  • 令 dK/ds=0 得分离点方程
  • 解方程并用实轴段判据筛选
  • 代回求分离点处的 K 值
通用考法
  • 本卷考过求实轴分离点坐标及该点对应的增益
  • 求根轨迹的分离点坐标
  • 确定分离点处的临界增益
  • 判断解的取舍
常见易错
  • 求出方程根后不筛选,保留了不在根轨迹上的解
  • 用 dK/ds=0 却未化成 K 的显式表达式
公式
本卷考法
  • 求根轨迹位于虚轴上的特征根及对应增益
本卷实例
  • 关键一步:令劳斯表首列元素为零求临界增益
  • 中间结果:辅助方程给出虚轴上的共轭纯虚根
  • 卡点:得到临界增益后须回代求穿越频率
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
  • 本卷考过求根轨迹位于虚轴上的特征根及对应增益
  • 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
  • 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
  • 按绘制法则手绘根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴段,再画渐近线与起始方向
  • 中间结果:草图须体现分离点、渐近线与虚轴交点
  • 卡点:草图方向从开环极点指向无穷远或零点
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
  • 本卷考过按绘制法则手绘根轨迹草图
  • 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

5五、开环波特图绘制与增益裕度20 分#

思路
  • 由开环传函写出各典型环节的转折频率,按低频段斜率与高度逐段绘制渐近幅频与相频曲线,再由相位穿越频率处的幅值求增益裕度。
本卷考法
  • 绘制开环对数渐近幅频与相频特性
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度起笔,按转折频率逐段改斜率
  • 中间结果:每个转折频率处斜率变化量与环节类型对应
  • 卡点:各频段斜率须累加而非替换,需回原卷核对图
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渐近幅频与相频特性
  • 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
  • 估算闭环系统的增益裕度并在图上标注
本卷实例
  • 关键一步:先求相位穿越频率再取该处幅值的倒数
  • 中间结果:增益裕度可换算为分贝表示
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率勿混用
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
  • 本卷考过估算闭环系统的增益裕度并在图上标注
  • 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

6六、状态观测器能观性判定与增益设计30 分#

思路
  • 由输出阵与其乘积阵构造能观性判别阵判定能观性,再按观测器希望的阻尼比与调节时间定期望极点,比较误差特征多项式系数解出增益矩阵并写出观测器方程。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 计算能观性矩阵并判断系统能观性
本卷实例
  • 关键一步:按输出阵与其乘积阵构造能观性判别阵并求秩
  • 中间结果:判别阵满秩则系统完全能观
  • 卡点:能观性判别阵的行排布顺序勿写反
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
  • 本卷考过计算能观性矩阵并判断系统能观性
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 由期望观测器极点求观测器增益矩阵
本卷实例
  • 关键一步:比较期望特征多项式与误差系统特征式的系数
  • 中间结果:增益矩阵由两个系数匹配方程联立解出
  • 卡点:观测器极点应取得比系统极点更快
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
  • 本卷考过由期望观测器极点求观测器增益矩阵
  • 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
  • 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
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
  • 由阻尼比与调节时间要求确定期望极点的实部与虚部
本卷实例
  • 关键一步:由指数衰减率与阻尼振荡频率定期望极点
  • 中间结果:期望特征式写成二阶标准形式供系数比较
  • 卡点:阻尼比已由题给,只需按调节时间定期望自然频率
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
  • 本卷考过由阻尼比与调节时间要求确定期望极点的实部与虚部
  • 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

7七、采样控制系统的脉冲传函与稳定性16 分#

思路
  • 把连续被控对象与零阶保持器一起求 z 变换得开环脉冲传函,写出闭环特征方程,用朱里判据或求特征根模判稳。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把零阶保持器与连续对象合并后求 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函化为 z 的有理分式
  • 卡点:零阶保持器的因式勿漏乘,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
  • 本卷考过求含零阶保持器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
  • 判断采样控制系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程,用朱里判据或求根判稳
  • 中间结果:稳定性取决于闭环极点是否都在单位圆内
  • 卡点:判稳条件为极点的模小于一,不是实部小于零
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
  • 本卷考过判断采样控制系统的稳定性
  • 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