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国防科技大学 851 自动控制理论(含现控) 2022 年真题思维导图

985 院校共 7 题

难度:中等 7 道大题:由传函求阶跃响应、双输入结构图与扰动不变性、二阶系统指标反求、单位正反馈零度根轨迹与动态性能、离散系统稳定与稳态误差、串联超前校正、状态观测器与状态反馈极点配置;全卷三源均未印分值。

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1一、由传递函数求单位阶跃响应#

思路
  • 把传递函数与单位阶跃输入相乘得输出像函数,作部分分式展开后逐项取拉氏反变换,由极点位置确定各响应模态并写出时域响应的形式。
本卷考法
  • 由输出像函数的极点分布确定阶跃响应所含的响应模态
本卷实例
  • 关键一步:先对 c(s) 作部分分式分解,每一项对应一个极点模态
  • 中间结果:三个互异实极点各对应一个指数衰减项
  • 卡点:分子含一次项与常数项,分式系数符号容易抄反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 极点决定响应由哪些模态组成,零点决定各模态的权重
  • 左半平面极点对应衰减,右半平面对应发散,虚轴对应等幅振荡
  • 离虚轴最近的极点为主导极点,主导响应的形状
  • 共轭复极点产生振荡,实极点产生单调分量
步骤
  • 求特征方程得到全部闭环极点
  • 按实数/共轭复数分类,写出对应模态
  • 找出主导极点对,近似为低阶系统
  • 结合零点判断各模态权重大小
通用考法
  • 本卷考过由输出像函数的极点分布确定阶跃响应所含的响应模态
  • 由极点分布写出响应的大致形式
  • 判断系统是单调还是振荡、是否收敛
  • 用主导极点概念把高阶系统近似为二阶系统
常见易错
  • 只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
公式
本卷考法
  • 由传递函数与单位阶跃输入求系统全响应(借位)
本卷实例
  • 关键一步:把各模态系数求出后写成时间函数的线性组合
  • 中间结果:阶跃输入使一个极点移到原点,响应含等幅阶跃分量
  • 卡点:漏乘输入的 1/s 会少掉原点极点对应的稳态项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 全响应由零输入响应与零状态响应两部分叠加而成
  • 零输入响应的形式由特征根决定,系数由初始条件定
  • 零状态响应用卷积或拉氏变换法求,也可查典型输入的响应表
  • 初值条件要区分零时刻前后的跳变,含输入导数项的方程会在零时刻产生跳变
步骤
  • 写出微分方程并取拉氏变换,把初始条件作为等效输入移到等号右端
  • 分别求零输入解与零状态解,再相加得全响应
  • 用初始条件定常数,必要时用终值核对稳态值
  • 检查求得的解在零时刻是否等于给定初值
通用考法
  • 本卷考过由传递函数与单位阶跃输入求系统全响应(借位)
  • 由微分方程与初始条件求系统的全响应
  • 分别求零输入响应与零状态响应
  • 判断给定初值下响应是否单调或是否有极值
常见易错
  • 只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 分子含输入导数时忽略零时刻的跳变,导致初值对不上
公式

2二、双输入结构图与扰动不变性#

思路
  • 先令扰动为零求参考输入到输出的传递函数,再令参考输入为零单独求扰动通道传函,最后令扰动传函的分子整体为零解出补偿环节,实现扰动不变性。
本卷考法
  • 由结构图用梅森公式求参考输入到输出的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先列举全部单独回路并判断两两是否接触,再列前向通路
  • 中间结果:特征式由各回路增益与互不接触回路组合而成
  • 卡点:结构图以图给出,回路接触关系需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由结构图用梅森公式求参考输入到输出的传递函数
  • 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
本卷考法
  • 求扰动到输出的传函并解出扰动不变性的补偿条件
本卷实例
  • 关键一步:求扰动通道传函时把参考输入置零后单独化简
  • 中间结果:使扰动传函分子为零即可解出补偿环节的表达式
  • 卡点:扰动注入点与补偿支路的极性以图给出,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
  • 本卷考过求扰动到输出的传函并解出扰动不变性的补偿条件
  • 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

3三、二阶系统性能指标反求参数#

思路
  • 由结构图求闭环传函并化成二阶标准形式,用超调量与峰值时间两式联立求 K1、K2,最后回代校验两个参数是否落在欠阻尼范围。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由结构图求开环与闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按内环反馈再串联的顺序逐层写出开环传函
  • 中间结果:闭环特征式的一次项系数含内环反馈增益的乘积
  • 卡点:结构图以图给出,内外环的接法需回原卷核对图
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开环与闭环传递函数
  • 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
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
  • 由闭环特征式对照标准二阶形式读出阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把一次项与常值项分别对应 2ξωn 与 ωn 的平方
  • 中间结果:由超调量反解阻尼比,再由峰值时间定自然频率
  • 卡点:特征式须先化成 s 平方项系数为 1 的标准形式
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
  • 本卷考过由闭环特征式对照标准二阶形式读出阻尼比与自然频率
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由两项性能指标要求联立反求 K1 与 K2
本卷实例
  • 关键一步:两个指标各给一个方程,恰好解出两个未知参数
  • 中间结果:先由 ξ、ωn 算出 K1,再回代一次项系数求 K2
  • 卡点:回代后应检查两参数是否满足欠阻尼的取值条件
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由两项性能指标要求联立反求 K1 与 K2
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式

4四、正反馈零度根轨迹与动态性能#

思路
  • 对象含重零点与共轭极点且为单位正反馈,按零度根轨迹法则求分离点、虚轴交点和起始角,再用闭环极点近似估算超调量与调节时间。
本卷考法
  • 判断正反馈系统应按零度根轨迹绘制并写出等效开环
本卷实例
  • 关键一步:正反馈取 1 减 GH 为零,故相角条件用 0 度而非常规 180 度
  • 中间结果:等效开环分子为 K 乘重零点、分母为一对共轭极点
  • 卡点:零度与 180 度根轨迹的相角条件相反,不能混用
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
  • 本卷考过判断正反馈系统应按零度根轨迹绘制并写出等效开环
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹分离点坐标及该点对应的 K
本卷实例
  • 关键一步:由重零点与共轭极点列分离点方程并筛出有效根
  • 中间结果:分离点是实轴上两段根轨迹相向会合的位置
  • 卡点:解出的根须落在实轴根轨迹段上才是有效分离点
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
  • 本卷考过求根轨迹分离点坐标及该点对应的 K
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及对应临界 K
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征式列劳斯表并令首列元素为零
  • 中间结果:临界 K 处出现纯虚根,对应等幅振荡
  • 卡点:共轭虚根总是成对出现,不要漏掉其中一个
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及对应临界 K
  • 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
  • 由根轨迹分区确定系统过阻尼时的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:以分离点与虚轴交点为界把参数分成几段讨论
  • 中间结果:闭环极点全落在负实轴时系统为过阻尼
  • 卡点:过阻尼区间与稳定区间不是同一个条件,不要等同
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
  • 本卷考过由根轨迹分区确定系统过阻尼时的 K 范围
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环共轭极点求超调量与 5% 误差带调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由极点实部与虚部反算阻尼比和自然频率
  • 中间结果:超调量随阻尼比指数衰减,调节时间由实部绝对值定
  • 卡点:闭环零点会放大超调,按主导极点估算会偏小
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
  • 本卷考过由闭环共轭极点求超调量与 5% 误差带调节时间
  • 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

5五、离散系统稳定性与稳态误差#

思路
  • 由结构图带零阶保持器与延迟求开环脉冲传函,用朱利判据定出稳定时 K 的范围,再按终值定理写斜坡稳态误差并判断指标能否满足。
本卷考法
  • 把零阶保持器与延迟环节一起作 z 变换
本卷实例
  • 关键一步:先把延迟按采样周期折算成整数拍,再查 z 变换表
  • 中间结果:延迟使脉冲传函分子出现 z 的负幂次项
  • 卡点:要把采样周期 T 的数值先代入延迟时间再变换
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 采样把连续信号变成脉冲序列,采样周期 T 是关键参数
  • 采样定理要求采样频率不低于信号最高频率的两倍
  • 采样频率不足会产生频率混叠
  • 零阶保持器把离散信号恢复为连续信号,并引入半个采样周期的延迟
步骤
  • 确定信号最高频率或系统带宽
  • 按采样定理确定采样频率与采样周期上限
  • 必要时加入前置滤波器抑制混叠
通用考法
  • 本卷考过把零阶保持器与延迟环节一起作 z 变换
  • 由信号最高频率确定采样周期
  • 判断给定采样频率是否满足采样定理
  • 说明零阶保持器的频率特性
常见易错
  • 把采样定理写成采样周期不大于信号周期即可
  • 忽略零阶保持器带来的相位滞后
公式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由结构图求开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按单位反馈关系由开环脉冲传函写闭环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函的分母为 1 加开环脉冲传函
  • 卡点:采样开关位置不同脉冲传函不同,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由结构图求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
  • 用朱利判据求使离散系统稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征多项式列朱利阵列并逐条写稳定条件
  • 中间结果:稳定条件等价于特征根全部落在 z 平面单位圆内
  • 卡点:多个不等式要取交集,端点包含与否由判据形式定
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
  • 本卷考过用朱利判据求使离散系统稳定的 K 范围
  • 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
  • 用终值定理求斜坡输入下的离散稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再用终值定理对误差脉冲传函取极限
  • 中间结果:系统型别与采样周期共同决定稳态误差量级
  • 卡点:未先判稳就代终值定理会得到错误结论
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
  • 本卷考过用终值定理求斜坡输入下的离散稳态误差
  • 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、串联超前校正设计#

思路
  • 由单位斜坡稳态误差上限定开环增益,画未校正 Bode 图求相角裕度,按给定截止频率选超前网络参数,最后校验校正后的相角裕度是否达标。
本卷考法
  • 由单位斜坡稳态误差上限反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:用静态速度误差系数建立误差与开环增益的关系
  • 中间结果:误差上限对应开环增益的一个下界
  • 卡点:取定增益后应回代检查未校正系统的相角裕度
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
  • 本卷考过由单位斜坡稳态误差上限反求开环增益
  • 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
本卷考法
  • 把稳态误差与相角裕度要求折算为频域设计指标
本卷实例
  • 关键一步:先算未校正系统的截止频率与相角裕度
  • 中间结果:由相角裕度差额估算所需的最大超前角
  • 卡点:截止频率变化会带来附加相角损失,补偿角要留余量
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过把稳态误差与相角裕度要求折算为频域设计指标
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按给定截止频率设计串联超前校正装置参数
本卷实例
  • 关键一步:由最大超前角与幅频补偿关系解出 α 和时间常数
  • 中间结果:最大超前角频率取校正后的截止频率
  • 卡点:α 与超前角公式的方向容易取反
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
  • 本卷考过按给定截止频率设计串联超前校正装置参数
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 用相角裕度定义校验校正后的系统
本卷实例
  • 关键一步:在校正后截止频率处算开环相角与 180 度之和
  • 中间结果:相角裕度须大于题目给定的下限
  • 卡点:校验要用校正后的开环传函而不是原对象
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
  • 本卷考过用相角裕度定义校验校正后的系统
  • 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

7七、状态观测器与状态反馈极点配置#

思路
  • 由 A、C 构造能观判别阵判断能观性,按期望极点设计全维观测器增益阵;再判能控并按期望极点求状态反馈增益阵。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能观判别阵判断系统是否完全能观
本卷实例
  • 关键一步:由 C、CA、CA 平方按行拼成能观判别阵
  • 中间结果:判别阵满秩即可任意配置观测器极点
  • 卡点:能观判别阵与能控判别阵的构造方式不同,勿混
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
  • 本卷考过构造能观判别阵判断系统是否完全能观
  • 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
  • 按观测器极点全为 −10 设计全维观测器
本卷实例
  • 关键一步:设观测器增益阵后写 A−EC 的特征多项式
  • 中间结果:与期望特征式逐项比较系数解出增益阵各分量
  • 卡点:观测器增益阵的作用方向与状态反馈增益相反
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
  • 本卷考过按观测器极点全为 −10 设计全维观测器
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望极点设计状态反馈增益矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先判能控,再由 A−BK 的特征式与期望特征式比较系数
  • 中间结果:期望特征式由给定极点连乘展开得到
  • 卡点:期望极点以图给出,具体位置需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按期望极点设计状态反馈增益矩阵
  • 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