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哈尔滨工业大学 801 自动控制原理 2024 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等偏难 10 题全科;第 3 题考参数根轨迹,第 7 题要设计有限拍控制器,第 8 题相平面法判极限环

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1电路网络求传递函数#

思路
  • 以 ui 为输入、u1/u2/u3 为输出,逐级用复阻抗分压写方程,最后整理成三个传递函数
本卷考法
  • 由 RC 网络求多个输出对同一输入的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用复阻抗表示电容电感后按分压关系逐级列方程
  • 中间结果:逐级消元可得各输出对输入的传递函数
  • 卡点:电容复阻抗是分式,别写成简单的比例
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 网络求多个输出对同一输入的传递函数
  • 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
  • 本卷考过电容复阻抗误写成 Cs
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 逐级串联化简求 u1/ui、u2/ui、u3/ui
本卷实例
  • 关键一步:按信号流向列节点方程并逐级化简输出
  • 中间结果:中间节点电压消去后得到三个输出之比
  • 卡点:反馈支路符号与分母进退关系不要写反
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
  • 本卷考过逐级串联化简求 u1/ui、u2/ui、u3/ui
  • 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
  • 本卷考过把负反馈的分母写成 1-GH
  • 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扰动误差与补偿#

思路
  • 第 1 问令 R=0 求 N→C 的传函再取终值;第 2 问让 R(t)=t 引起的误差为零,即要求系统对斜坡的不变性
本卷考法
  • 求 n(t)=t 引起的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:令参考为零求扰动到误差的传函再取终值
  • 中间结果:扰动误差幅值与扰动幅值成正比
  • 卡点:取终值前要先确认闭环稳定
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
  • 本卷考过求 n(t)=t 引起的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 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
  • 求 Kc 使系统受 R(t)=t 影响时无稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写出含前馈的误差传函并令斜坡误差系数为零
  • 中间结果:前馈传函解出为非真分式形式
  • 卡点:含高阶微分的前馈补偿物理上不易实现
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过求 Kc 使系统受 R(t)=t 影响时无稳态误差
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 本卷考过前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式
本卷考法
  • 按叠加原理分别写输入与扰动的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按叠加原理分别令单输入作用求输出传函
  • 中间结果:两条通道的分母同为闭环特征式
  • 卡点:求扰动通道时须将参考输入置零
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
  • 本卷考过按叠加原理分别写输入与扰动的传递函数
  • 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

3参数根轨迹#

思路
  • 可变参数是 a 而不是开环增益,要先整理成 1+aG*(s)=0 的等效形式再套绘制法则
本卷考法
  • 画出以 a 为参数的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成一加参数乘等效开环为零的形式
  • 中间结果:可变参数完整提到分子位置后套绘制法则
  • 卡点:参数未提到分子会导致零极点判断错误
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
  • 本卷考过画出以 a 为参数的根轨迹
  • 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
  • 求系统稳定时 a 的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:令特征式实部虚部分别为零求虚轴交点
  • 中间结果:由虚部方程解出频率,再代回实部求参数
  • 卡点:两组交点都要代入,别只取一组
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
  • 本卷考过求系统稳定时 a 的取值范围
  • 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
  • 本卷考过只代一个 ω 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
本卷考法
  • 求阶跃响应无超调时 a 的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:在分离点用模值条件求出无超调对应的参数上界
  • 中间结果:分离点对应阶跃响应由振荡转为单调
  • 卡点:等阻尼线在复平面是射线,不是垂直线
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
  • 本卷考过求阶跃响应无超调时 a 的取值范围
  • 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
  • 本卷考过等阻尼线画成了垂直线
  • 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

4频率特性与频带指标#

思路
  • 给的是正弦稳态实测(Asin wt 输入、Bsin(10t-π/2) 输出),由幅值比与相位差反求 ωn、ξ 与 T
本卷考法
  • 由正弦稳态响应的幅值比与相位差反求参数
本卷实例
  • 关键一步:由正弦稳态的幅值比与相位差列出两个方程
  • 中间结果:相位落后九十度给出参数之间的等量关系
  • 卡点:相角累加时不要漏掉积分环节的负九十度
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
  • 本卷考过由正弦稳态响应的幅值比与相位差反求参数
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉积分环节的 -90°
  • 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
本卷考法
  • 反求 G(s)=K/(s(Ts+1)) 中的 K 与 T
本卷实例
  • 关键一步:先判断系统阶数再按一阶加积分的标准形式反求参数
  • 中间结果:由幅值条件与相位条件联立解出增益与时间常数
  • 卡点:未判阶数直接套二阶公式会出错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过反求 G(s)=K/(s(Ts+1)) 中的 K 与 T
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 本卷考过未判断阶数就套二阶公式
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
公式
本卷考法
  • 求单位阶跃响应的超调量与频带宽距
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为二阶标准形式读出阻尼比与自然频率
  • 中间结果:超调量由阻尼比按指数关系得到
  • 卡点:开环谐振与闭环谐振不是同一概念
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 谐振峰值 Mr 越大振荡越强,通常要求 Mr 在 1.1 到 1.5 之间
  • 谐振频率 ωr 与峰值时间相关
  • 带宽频率 ωb 越大响应越快但抗噪能力下降
  • 由等 M 圆与等 N 圆可由开环频率特性求闭环特性
步骤
  • 由开环频率特性求闭环频率特性
  • 读出谐振峰值、谐振频率与带宽
  • 按经验公式估计超调量与调节时间
通用考法
  • 本卷考过求单位阶跃响应的超调量与频带宽距
  • 由闭环幅频特性求谐振峰值与带宽
  • 由 Mr 估算超调量
  • 分析带宽与响应速度的关系
常见易错
  • 本卷考过把开环谐振与闭环谐振混为一谈
  • 当 ξ>0.707 时仍套用谐振峰值公式
  • 把开环谐振与闭环谐振混为一谈
公式

5相角裕度与串联校正#

思路
  • 给的是开环相位特性的解析式,由 γ=30° 反求 ωc 再补幅值条件得 G0(s);第 2 问在 ωc 不变的前提下补偿相位
本卷考法
  • 由相位特性与相角裕度反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:在相角裕度对应频率处令相频等于目标值反求频率
  • 中间结果:再由该频率处幅值为一反求开环增益
  • 卡点:低频频段斜率未折算型别会误判增益
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
  • 本卷考过由相位特性与相角裕度反求开环传递函数
  • 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
  • 本卷考过延长线交点没折算型别就当增益
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 不改变剪切频率的前提下求串联校正参数 T 和 Kc
本卷实例
  • 关键一步:在不改变剪切频率的前提下由幅值条件与补偿角定参数
  • 中间结果:时间常数由相角等式解出,增益由幅值等式解出
  • 卡点:剪切频率不变时补偿角由原相位与目标之差决定
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
  • 本卷考过不改变剪切频率的前提下求串联校正参数 T 和 Kc
  • 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
  • 本卷考过计算补偿角时忽略剪切频率变化带来的附加相角损失
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 用相角裕度校验校正后的系统
本卷实例
  • 关键一步:分别找幅值穿越频率与相位穿越频率求两个裕度
  • 中间结果:相角裕度由幅值为一处相角与一百八十度之差得到
  • 卡点:两个穿越频率含义不同,不能互换
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
  • 本卷考过ωc 与 ωg 两个频率用反
  • 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根轨迹与右半平面极点#

思路
  • G(s)H(s)=K(s+3)/(s(s-5)) 开环有一个右半平面极点,根轨迹从右半平面出发,稳定域要单独判
本卷考法
  • 绘制含右半平面开环极点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按开环零极点分布定实轴段、渐近线与起始方向
  • 中间结果:含右半平面极点时根轨迹从右半平面出发
  • 卡点:实轴段判据中的零极点计数按右数奇偶
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
  • 本卷考过绘制含右半平面开环极点的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 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
  • 求使闭环稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:由相角条件求与负实轴交点再定稳定增益范围
  • 中间结果:交点横坐标与增益成正比,可反解临界值
  • 卡点:求出增益后要回到参数定义核对符号
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
  • 本卷考过求使闭环稳定的 K 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
  • 本卷考过得到 K 后没有回到原题核对参数定义
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据交叉验证根轨迹结论
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征式排成劳斯表逐行检验首列符号
  • 中间结果:首列同号给出增益的稳定区间
  • 卡点:首列出现零元时可用小正数代替继续判
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交叉验证根轨迹结论
  • 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
  • 本卷考过首列出现 0 时未用 ε 法
  • 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

7有限拍(最少拍)控制器设计#

思路
  • 给定带零阶保持器的 G(z) 与采样周期 1s,按单位阶跃输入构造 Φ(z) 与 Φe(z),再反求 D(z)
本卷考法
  • 针对单位阶跃信号设计有限拍控制器
本卷实例
  • 关键一步:按单位阶跃构造满足约束的闭环脉冲传函
  • 中间结果:需把被控对象的单位圆外零点写进闭环传函
  • 卡点:闭环传函不满足稳定性约束不能直接采用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最少拍系统指在典型输入下经过有限拍达到无稳态误差
  • 设计需要满足可实现性与稳定性约束
  • 最少拍系统的闭环脉冲传递函数由输入类型确定
  • 最少拍设计通常导致很大的控制量,需加限制
步骤
  • 确定输入类型及对应的误差传函形式
  • 按无稳态误差要求构造闭环脉冲传递函数
  • 由 D(z)=Φ(z)/[G(z)(1-Φ(z))] 求数字控制器
  • 检验可实现性、稳定性与控制量大小
通用考法
  • 本卷考过针对单位阶跃信号设计有限拍控制器
  • 设计最少拍数字控制器
  • 比较不同输入类型下的最少拍数
  • 分析最少拍系统存在的问题
常见易错
  • 本卷考过闭环传函构造时未满足稳定性约束条件
  • 忽略 D(z) 必须是物理可实现的因果系统
  • 闭环传函构造时未满足稳定性约束条件
公式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由对象 G(z) 与采样开关位置写开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:由对象脉冲传函与采样开关位置写开环脉冲传函
  • 中间结果:零阶保持器把连续对象换成带延时的 z 传函
  • 卡点:采样开关位置不同开环形式不同
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
  • 本卷考过由对象 G(z) 与采样开关位置写开环脉冲传函
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用部分分式与 z 变换处理对象
本卷实例
  • 关键一步:用部分分式与 z 变换表处理对象多项式
  • 中间结果:把指数项写成采样周期的函数形式
  • 卡点:时间常数要靠采样周期换算,不能漏乘
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
  • 本卷考过用部分分式与 z 变换处理对象
  • 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
  • 本卷考过把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 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

8相平面法与极限环#

思路
  • r(t)=10+5t 是斜坡输入,初误差 e(0)=-3、ė(0)=0;在误差相平面上画轨迹看是否形成闭曲线
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 画相轨迹并判断有无极限环
  • 存在时画出大致形状
本卷实例
  • 关键一步:先分区写出误差方程,再画相轨迹判断是否闭合
  • 中间结果:各区奇点类型决定轨迹收敛或发散
  • 卡点:相轨迹斜率公式分子分母不要写反
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
  • 本卷考过画相轨迹并判断有无极限环
  • 本卷考过存在时画出大致形状
  • 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
本卷考法
  • 不存在极限环时求系统稳态误差的最小值
本卷实例
  • 关键一步:由相轨迹最小值定系统稳态误差的下界
  • 中间结果:轨迹不闭合时不形成极限环
  • 卡点:极限环稳定性的方向不要判反
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
  • 本卷考过不存在极限环时求系统稳态误差的最小值
  • 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
  • 本卷考过把极限环的稳定性判反
  • 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
本卷考法
  • 用终值定理求斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函求速度误差系数再取倒数
  • 中间结果:斜坡误差为输入斜率与速度误差系数之比
  • 卡点:误差定义要与题面一致,避免正负号错
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
  • 本卷考过用终值定理求斜坡输入下的稳态误差
  • 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

9离散状态空间#

思路
  • 离散状态方程 x(k+1)=Gx(k)+Hu(k),稳定性判据从 s 平面的左半平面换成 z 平面的单位圆
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 判断离散状态系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵特征值并检查模是否都小于一
  • 中间结果:特征值模全小于一时离散系统稳定
  • 卡点:离散稳定判据是模小于一,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
  • 本卷考过判断离散状态系统的稳定性
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 计算离散系统的能控性/能观性判别阵
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控与能观判别矩阵并算秩
  • 中间结果:判别阵满秩对应完全能控或完全能观
  • 卡点:离散系统判别阵用状态矩阵原形式构造
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
  • 本卷考过计算离散系统的能控性/能观性判别阵
  • 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
  • 本卷考过离散能控判别阵写成了连续形式
  • 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

10线性变换与降维观测器#

思路
  • 先做非奇异线性变换使 y=z₃(能观标准型),再对可测部分之外的二维子系统设计降维观测器
本卷考法
  • 做线性状态变换并写出变换后的状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按输出只含第三个状态变量来选取非奇异变换
  • 中间结果:变换后状态矩阵按可测与不可测分块
  • 卡点:变换后直接传递项要一并写出
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
  • 本卷考过做线性状态变换并写出变换后的状态空间表达式
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计降维观测器使极点为 -3±j3
  • 写出状态 x1、x2、x3 的估计方程
本卷实例
  • 关键一步:对不可测子系统构造观测器并使特征多项式等于期望式
  • 中间结果:观测器增益由两个特征多项式对应系数相等解出
  • 卡点:观测器增益阵与状态反馈增益阵形式不同
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
  • 本卷考过设计降维观测器使极点为 -3±j3
  • 本卷考过写出状态 x1、x2、x3 的估计方程
  • 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
  • 本卷考过观测器增益阵与状态反馈增益阵形式混淆
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 变换前先确认能观性
本卷实例
  • 关键一步:变换前先由能观性矩阵满秩确认可设计观测器
  • 中间结果:能观性矩阵满秩是观测器存在的前提
  • 卡点:能观性矩阵按行堆叠顺序不能与能控性混
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
  • 本卷考过变换前先确认能观性
  • 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