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哈尔滨工业大学 801 自动控制原理 2018 年真题思维导图

985 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等偏难 10 题每题 15 分:倒立摆建模与线性化、PI 参数稳定域、PID 参数根轨迹、按指标设计校正、Bode 与 Nyquist 判稳、相平面分析、齿隙描述函数、离散系统临界增益、能控能观与传函、状态反馈与全维观测器;覆盖经典与现代控制

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1一、倒立摆建模与线性化15 分#

思路
  • 把倒立摆视为绕支点转动的刚体,小偏差角下对支点列力矩平衡方程;再取小角度近似线性化,最后作零初始拉氏变换求传递函数并分解零极点。
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 对倒立摆一类摆动系统按转动定律列力矩平衡方程
本卷实例
  • 关键一步:选转角θ为广义坐标,对支点列转动方程
  • 中间结果:方程含 sinθ 项,小偏差下近似为 θ
  • 卡点:倒立摆结构示意以插图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 依据牛顿第二定律或达朗贝尔原理列方程
  • 三种基本元件:质量 m、粘性阻尼 f、弹簧 k
  • 同一方向取正,反向取负,逐项列出合力
步骤
  • 选定正方向并作受力分析
  • 分别写出质量、阻尼、弹簧对应的力
  • 按 F=ma 列写运动方程
  • 取拉氏变换整理成传递函数
通用考法
  • 本卷考过对倒立摆一类摆动系统按转动定律列力矩平衡方程
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 两质量块经弹簧阻尼连接的系统建模
常见易错
  • 本卷考过漏掉重力恢复力矩或把转动惯量写成质量
  • 阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
公式
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 在平衡点附近对小偏差角模型线性化
本卷实例
  • 关键一步:在 θ=0 附近取 sinθ≈θ、cosθ≈1
  • 中间结果:线性化方程只保留 θ 的一次项
  • 卡点:支点力矩方向要与题图一致
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过在平衡点附近对小偏差角模型线性化
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 本卷考过未先求平衡点就直接展开
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
本卷考法
  • 由线性化微分方程求传递函数并写零极点
本卷实例
  • 关键一步:对线性化方程两端作零初始拉氏变换
  • 中间结果:传递函数为有理分式,极点由参数决定
  • 卡点:零极点要用题设参数写成表达式
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
  • 本卷考过由线性化微分方程求传递函数并写零极点
  • 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
  • 本卷考过忽略零初始条件这一前提
  • 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

2二、PI控制系统的参数稳定域15 分#

思路
  • 由 PI 控制系统结构图写出闭环特征方程,用劳斯判据列出首列各元非负的不等式组,在 K–K1 平面上画出满足全部不等式的参数区域。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由闭环特征方程用劳斯判据判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先由结构图写出闭环特征多项式
  • 中间结果:劳斯表首列全同号是稳定的充要条件
  • 卡点:含两个参数时边界需逐条分段讨论
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
  • 本卷考过由闭环特征方程用劳斯判据判断稳定性
  • 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
  • 本卷考过系数有缺项时不补零直接排劳斯表
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求使系统稳定的两参数取值范围并在平面表示
本卷实例
  • 关键一步:把劳斯表首列各元写成 K 与 K1 的不等式
  • 中间结果:稳定域为各半平面所围的公共区域
  • 卡点:端点是否含在区域内需单独判断
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
  • 本卷考过求使系统稳定的两参数取值范围并在平面表示
  • 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
  • 本卷考过只列部分首列元素的不等式导致边界少一条
  • 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
  • 说明 PI 控制器比例与积分参数对稳定的影响
本卷实例
  • 关键一步:区分 K 对应比例作用、K1 对应积分作用
  • 中间结果:积分作用增强会降低稳定裕度
  • 卡点:参数平面稳定域随积分时间常数变化
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
  • 本卷考过说明 PI 控制器比例与积分参数对稳定的影响
  • 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
  • 本卷考过积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
  • 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

3三、PID控制系统的参数根轨迹15 分#

思路
  • 把闭环特征方程整理成含可调增益 K 的等效开环形式,按根轨迹法则确定实轴段、分支方向、出射角与入射角,并求与虚轴交点及临界增益。
本卷考法
  • 以可调增益为参变量绘制广义根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成 1+K 乘等效开环为零的形式
  • 中间结果:等效开环的零点对应系统开环极点
  • 卡点:PID 的积分与微分项固定,只 K 变动
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
  • 本卷考过以可调增益为参变量绘制广义根轨迹
  • 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
  • 本卷考过整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 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
  • 按法则绘制根轨迹草图并标出分支方向
本卷实例
  • 关键一步:先数开环极零点个数定渐近线条数
  • 中间结果:实轴段由零极点个数为奇数的区间确定
  • 卡点:分支起于开环极点、止于开环零点或无穷远
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
  • 本卷考过按法则绘制根轨迹草图并标出分支方向
  • 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
  • 本卷考过渐近线夹角公式中的 2k+1 写成 2k
  • 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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求复极点的出射角和复零点的入射角
本卷实例
  • 关键一步:按相角条件列出各极零点指向待求点的相角
  • 中间结果:出射角等于180度加零点相角减其他极点相角
  • 卡点:需先判明哪些极点为复数极点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 出射角是根轨迹离开开环极点的方向
  • 入射角是根轨迹进入开环零点的方向
  • 计算时需代入相角条件并逐项累加各零极点贡献的相角
  • 共轭复数极点的出射角互为相反数
步骤
  • 取待求极点(或零点)为参考点
  • 写出相角条件并代入该点
  • 把其余零极点的相角移到等式右边累加
  • 求反正切得到出射角或入射角
通用考法
  • 本卷考过求复极点的出射角和复零点的入射角
  • 求复数极点的出射角
  • 根据出射角画出根轨迹起始方向
  • 由入射角确定根轨迹终止方向
常见易错
  • 本卷考过累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 忘记判断象限导致角度差 180°
公式
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 代入特征方程分离实虚部
  • 中间结果:由虚部方程求ω、实部方程求临界K
  • 卡点:交点的临界增益要与题设参数对应
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的交点及临界增益
  • 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
  • 本卷考过只代一个ω就下结论,漏掉另一组交点
  • 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

4四、按性能指标设计校正装置15 分#

思路
  • 按超调量与调整时间要求折算期望闭环极点,用零极点对消思想配置校正装置 Gc(s) 的 K、z、p,使闭环极点落在期望位置并满足两项时域指标。
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与调节时间要求反求期望闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:由超调量定阻尼比、由调节时间定自然频率
  • 中间结果:期望闭环极点由阻尼比与自然频率共同确定
  • 卡点:调节时间系数要与题给误差带对应
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
  • 本卷考过由超调量与调节时间要求反求期望闭环极点
  • 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
  • 本卷考过只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 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
本卷考法
  • 用附加开环零极点对消原系统不利极点
本卷实例
  • 关键一步:令校正装置零点抵消原系统的某个开环极点
  • 中间结果:对消后被控对象降阶为期望形式
  • 卡点:对消近似成立需保证该极点的主导性
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
  • 本卷考过用附加开环零极点对消原系统不利极点
  • 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
  • 本卷考过把附加零点的影响与附加极点的影响搞反
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联校正装置使闭环满足给定动态指标
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点与剩余极点确定校正装置极零点位置
  • 中间结果:校正后闭环特征多项式与期望式逐项相等
  • 卡点:校正装置参数 K、z、p 需与题设结构图对应
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
  • 本卷考过设计串联校正装置使闭环满足给定动态指标
  • 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
  • 本卷考过补偿角计算忽略截止频率变化带来的相角损失
  • 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、Bode图绘制与Nyquist判稳15 分#

思路
  • 分别对三个传递函数写出幅频与相频表达式,按转折频率分段绘制对数渐近特性;再按非最小相位系统的右半平面极点数 P 用 Nyquist 判据判定闭环稳定性。
本卷考法
  • 绘制开环对数渐近幅频特性并标出转折频率
本卷实例
  • 关键一步:写出各环节转折频率并按从小到大排列
  • 中间结果:每过一个转折频率幅频斜率改变相应分贝数
  • 卡点:频率范围 0.1 到 100 rad/s 按题给绘制
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特性并标出转折频率
  • 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
  • 本卷考过逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 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
本卷考法
  • 判断系统是否最小相位并分析右半平面零极点的相频影响
本卷实例
  • 关键一步:比较分子分母常数项符号判断有无右半平面零点
  • 中间结果:非最小相位环节在相频上附加额外滞后
  • 卡点:G2、G3 含右半平面零点或极点,勿按最小相位套用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过判断系统是否最小相位并分析右半平面零极点的相频影响
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 本卷考过以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环幅相曲线判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先确定 P,再由曲线包围负一j0点的圈数 N 判稳
  • 中间结果:Z 等于 P 减 2N 为闭环右半平面极点数
  • 卡点:三个系统 P 不同,需分别数右半平面极点
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
  • 本卷考过由开环幅相曲线判断闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数 P
  • 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

6六、非线性系统的相平面分析15 分#

思路
  • 令 x 的导数为 y 化为一阶方程组,由平衡条件求全部奇点;在每个奇点处用小偏差线性化方程的系数判定奇点类型;再综合奇点性质和相轨迹基本性质描绘整个相平面图。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 绘制定初始条件下非线性系统的相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:令 x 的导数为 y 消去二阶导数得相平面方程
  • 中间结果:相轨迹斜率为 dy 比 dx 的有理式
  • 卡点:相平面图需标明运动方向与收敛发散区
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过绘制定初始条件下非线性系统的相轨迹
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 本卷考过相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 在奇点附近对非线性方程作小偏差线性化
本卷实例
  • 关键一步:在奇点处对 x 平方项求偏导得线性化系数
  • 中间结果:由特征根判断节点、焦点或鞍点
  • 卡点:不同奇点的线性化方程各不相同
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过在奇点附近对非线性方程作小偏差线性化
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 本卷考过未先求奇点就直接在原点展开
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
本卷考法
  • 由奇点性质分析系统的收敛区与发散区
本卷实例
  • 关键一步:综合各奇点邻域相轨迹走向拼接全局图
  • 中间结果:分隔收敛与发散轨迹的边界即分界线
  • 卡点:需画出整个相平面而非仅奇点附近
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过由奇点性质分析系统的收敛区与发散区
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 本卷考过把不稳定极限环误判为可观测的自振
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振

7七、齿隙非线性的描述函数法15 分#

思路
  • 先由齿隙特性的描述函数 N(A) 与线性部分的频率特性 G(jω) 联立,画负倒描述函数曲线与 G(jω) 曲线判断有无交点;有交点则联立实虚部方程求自振频率与振幅。
本卷考法
  • 用描述函数法判断系统是否产生自持振荡
本卷实例
  • 关键一步:在同一复平面上画 G(jω) 与负倒描述函数两条曲线
  • 中间结果:两曲线交点对应自振点
  • 卡点:交点处 A 的增大方向决定该自振是否稳定
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
  • 本卷考过用描述函数法判断系统是否产生自持振荡
  • 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
  • 本卷考过画的是 N(A) 而不是负倒描述函数负一除N(A)
  • 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
本卷考法
  • 分析齿隙非线性对系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:由齿隙宽度 2a 与斜率 k 写出 N(A) 表达式
  • 中间结果:A 增大时负倒描述函数虚部逐渐增大
  • 卡点:齿隙特性图以插图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过分析齿隙非线性对系统稳定性的影响
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 本卷考过认为饱和或间隙总是使系统更稳定
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 说明描述函数法的适用条件与近似性
本卷实例
  • 关键一步:确认系统满足线性部分低通、非线性奇对称
  • 中间结果:正弦输入下基波分量决定近似频率特性
  • 卡点:描述函数只取基波,非正弦输出误差需说明
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
  • 本卷考过说明描述函数法的适用条件与近似性
  • 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
  • 本卷考过忽略一次谐波近似带来的误差条件
  • 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

8八、离散系统稳定的临界增益15 分#

思路
  • 由离散系统结构图写出开环脉冲传递函数并求闭环特征方程,采样周期 T=0.5 s 下用朱莉判据或 w 变换劳斯判据求使系统稳定的增益 K 临界值。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续环节加零阶保持器求开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先求含零阶保持器的开环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函由反馈公式写出
  • 卡点:离散系统结构图以插图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由连续环节加零阶保持器求开环脉冲传递函数
  • 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
  • 本卷考过把两个无采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 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
  • 求使离散系统稳定的增益 K 的临界值
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程在 z 平面用朱莉判据列稳定条件
  • 中间结果:稳定条件化为含 K 的不等式组
  • 卡点:临界值取各不等式边界的交点
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
  • 本卷考过求使离散系统稳定的增益 K 的临界值
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于一
  • 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
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 按采样周期把连续对象离散化
本卷实例
  • 关键一步:对连续部分作 z 变换时保留采样周期因子
  • 中间结果:零阶保持器因式不可漏掉
  • 卡点:T=0.5 s 要代入每一处 T 的位置
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散化状态方程由状态转移矩阵在采样周期处的取值构成
  • 输入矩阵是状态转移矩阵与输入矩阵乘积在采样周期上的积分
  • 带零阶保持器时即按上述积分式离散化,输出矩阵不变
步骤
  • 求连续系统的状态转移矩阵
  • 把采样周期代入得到离散状态矩阵
  • 对输入矩阵做积分得到离散输入矩阵
  • 写出差分形式的离散状态方程并按递推求采样点上的响应
通用考法
  • 本卷考过按采样周期把连续对象离散化
  • 求连续系统在给定采样周期下的离散化状态方程
  • 由给出的状态响应反求系统矩阵再离散化
  • 计算采样点上的状态与输出序列
常见易错
  • 本卷考过把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
  • 把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
  • 积分上限写成采样周期以外的量,或忘记乘输入矩阵
公式

9九、状态方程的能控性、能观性与传递函数15 分#

思路
  • 由给定的 A、B、C 矩阵构造能控与能观判别阵,由行列式是否为零判断能控能观;再按 γ=α 与 γ≠α 两种情况用 (sI 减 A) 求传递函数并分解零极点。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用判别阵判断二阶系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:由 B、AB 组成能控判别阵,由 C、CA 组成能观判别阵
  • 中间结果:判别阵行列式非零则能控或能观
  • 卡点:γ=α 时判别阵可能降秩,需单独讨论
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
  • 本卷考过用判别阵判断二阶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
  • 本卷考过把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
  • 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
  • 由状态空间表达式求传递函数并解释零极点对消
本卷实例
  • 关键一步:计算 C 乘 (sI-A) 逆乘 B 得传递函数
  • 中间结果:γ=α 时出现零极点对消、系统不完全能观
  • 卡点:对消掉的对数要与能控能观结论互相印证
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并解释零极点对消
  • 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
  • 本卷考过漏掉直接传递项 D
  • 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
本卷考法
  • 写出传递函数的零极点并说明其与系统模态的关系
本卷实例
  • 关键一步:对传递函数分子分母分别因式分解
  • 中间结果:零点位置随 γ 取值而移动
  • 卡点:γ≠α 与 γ=α 两种情形的零极点不同
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
  • 本卷考过写出传递函数的零极点并说明其与系统模态的关系
  • 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
  • 本卷考过只看极点分布就断定振荡,忽略零点
  • 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

10十、状态反馈镇定与全维观测器15 分#

思路
  • 先判能观性,按期望极点配置状态反馈增益 K;再由观测器特征多项式与期望极点多项式相等求增益阵 L;最后画出观测器与状态反馈构成的整个系统框图并标出 K、L 框。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望闭环极点求状态反馈律 u 等于负 Kx
本卷实例
  • 关键一步:写出 sI 减 (A-BK) 与二重极点多项式比较系数
  • 中间结果:由系数相等解出反馈增益阵 K
  • 卡点:反馈律符号要与题设 u 等于负 Kx 一致
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
  • 本卷考过按期望闭环极点求状态反馈律 u 等于负 Kx
  • 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
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望观测器极点设计全维状态观测器
本卷实例
  • 关键一步:写出 sI 减 (A-GC) 并令其等于期望极点多项式
  • 中间结果:比较系数解出观测器增益阵 L
  • 卡点:观测器极点应比状态反馈极点更远离虚轴
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
  • 本卷考过按期望观测器极点设计全维状态观测器
  • 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
  • 本卷考过把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 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
本卷考法
  • 画出含状态反馈与观测器的整个系统框图
本卷实例
  • 关键一步:把对象、观测器、K 放大与求差比较点按信号流连接
  • 中间结果:状态估计经 K 反馈到输入端,输出经 L 反馈到观测器
  • 卡点:该问逐年 OCR 缺失、据宝典补回,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
  • 本卷考过画出含状态反馈与观测器的整个系统框图
  • 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
  • 本卷考过框图中反馈极性或信号流向画反
  • 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