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华南理工大学 814 自动+现控+信号 2024 年真题思维导图

985 院校共 8 题

难度:中等偏难 一为10道选择题(自控+现控+信号);二至六为自控与现控(机电建模、参数与极点设计、脉冲响应反求与频域校正、阶跃响应判型、状态空间),七、八为离散序列与周期信号;全卷未印分值

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1~10一、选择题(1~10)#

思路
  • 十道小题覆盖一阶调节时间、稳定条件、主导极点、根轨迹起止点、超前相位、能控性、李雅普诺夫函数,以及信号的系统性质与频谱说法
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由单位阶跃响应反求一阶系统的调节时间
本卷实例
  • 关键一步:把响应式与一阶阶跃响应标准式对应,读出一阶时间常数
  • 中间结果:时间常数由指数项的衰减率确定
  • 卡点:调节时间按5%误差带取三倍时间常数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过由单位阶跃响应反求一阶系统的调节时间
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由闭环特征方程用劳斯判据求增益的稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:按开环传函写闭环特征多项式并列劳斯表
  • 中间结果:首列元素须分别满足阻尼条件与增益条件
  • 卡点:含参首列元素作分母时要单独讨论符号
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
  • 本卷考过由闭环特征方程用劳斯判据求增益的稳定范围
  • 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
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由主导极点判断参数变化对超调量的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较两参数对应极点与虚轴的距离,定主导参数
  • 中间结果:离虚轴近的主导极点决定动态性能
  • 卡点:两时间常数数量级相差很大时小者影响可忽略
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过由主导极点判断参数变化对超调量的影响
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式
本卷考法
  • 由特征方程写等效开环传函并指出根轨迹起点与终点
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成等效开环传函,定零极点
  • 中间结果:起点为开环极点,终点为开环零点与无穷远
  • 卡点:起点个数等于开环极点数,勿把零点当起点
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
  • 本卷考过由特征方程写等效开环传函并指出根轨迹起点与终点
  • 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
  • 比较各环节在某频率处的相位正负,判断超前环节
本卷实例
  • 关键一步:取一个具体频率逐式累加相角并比较正负
  • 中间结果:含一阶微分环节或振荡环节的式子可出现正相角
  • 卡点:相角须逐环节累加,不能只看其中一段
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过比较各环节在某频率处的相位正负,判断超前环节
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断关于能控性定义与判据的表述是否正确
本卷实例
  • 关键一步:能控判据是能控性矩阵满秩,只与A、B有关
  • 中间结果:不完全能控时不能任意配置状态反馈极点
  • 卡点:能控性由A、B决定,与C、D无关
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
  • 本卷考过判断关于能控性定义与判据的表述是否正确
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 判断给定函数能否作为李雅普诺夫函数
本卷实例
  • 关键一步:先验函数正定,再验沿轨线的导数半负定
  • 中间结果:对给定状态方程求导数后判断其符号
  • 卡点:只验证函数正定不够,须再验导数符号
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 第一法通过线性化系统的特征值判断原系统的局部稳定性
  • 第二法用李雅普诺夫函数直接判断稳定性,无需解方程
  • 李雅普诺夫函数正定且其导数为负定则渐近稳定
  • 线性定常系统中李雅普诺夫方程有正定解等价于系统稳定
步骤
  • 选取或构造李雅普诺夫函数
  • 沿系统轨迹求其对时间的导数
  • 判断函数与导数的正负定性
  • 据此得出稳定性结论
通用考法
  • 本卷考过判断给定函数能否作为李雅普诺夫函数
  • 用李雅普诺夫方程判断系统稳定性
  • 构造李雅普诺夫函数证明渐近稳定
  • 分析非线性系统的稳定性范围
常见易错
  • 李雅普诺夫方程中 P、Q 的角色混用
  • 只判断 V 正定就下结论而未检查导数
公式
信号采样与频谱的基本概念 基本概念与信号
本卷考法
  • 判断输入输出关系式所描述系统的线性、时不变、因果与稳定
本卷实例
  • 关键一步:按定义分别验证可加齐次性、时移性与因果性
  • 中间结果:时间尺度变换或乘时间因子会破坏时不变性
  • 卡点:一条关系可同时不满足多种性质,须逐项判定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 周期信号可展开为傅里叶级数,各次谐波的幅值构成频谱
  • 冲激采样信号的频谱是原信号频谱的周期延拓
  • 频谱延拓的周期由采样频率决定,不重叠才能由理想低通恢复原信号
  • 恢复用的理想低通截止频率取在采样频率的一半处
步骤
  • 先求连续信号的频谱或按给定波形求谐波幅值
  • 按采样频率写出延拓后频谱的周期与各次副本的位置
  • 检查最高频率是否小于采样频率的一半,判断能否无失真恢复
  • 需要恢复时选取截止频率与增益合适的理想低通滤波器
通用考法
  • 本卷考过判断输入输出关系式所描述系统的线性、时不变、因果与稳定
  • 由采样频率判断给定信号能否无失真恢复
  • 写出冲激采样后信号的频谱表达式
  • 确定恢复滤波器的截止频率
常见易错
  • 把采样定理里的两倍关系记成相等,或漏掉两倍
  • 把最高频率与频谱延拓的周期混为一谈
公式
信号采样与频谱的基本概念 基本概念与信号
本卷考法
  • 判断连续与离散信号时域频域周期对应关系的说法
本卷实例
  • 关键一步:按时域连续或离散判断对应频域是否周期
  • 中间结果:时域离散对应频域周期,时域连续对应非周期
  • 卡点:四种对应关系容易两两记反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 周期信号可展开为傅里叶级数,各次谐波的幅值构成频谱
  • 冲激采样信号的频谱是原信号频谱的周期延拓
  • 频谱延拓的周期由采样频率决定,不重叠才能由理想低通恢复原信号
  • 恢复用的理想低通截止频率取在采样频率的一半处
步骤
  • 先求连续信号的频谱或按给定波形求谐波幅值
  • 按采样频率写出延拓后频谱的周期与各次副本的位置
  • 检查最高频率是否小于采样频率的一半,判断能否无失真恢复
  • 需要恢复时选取截止频率与增益合适的理想低通滤波器
通用考法
  • 本卷考过判断连续与离散信号时域频域周期对应关系的说法
  • 由采样频率判断给定信号能否无失真恢复
  • 写出冲激采样后信号的频谱表达式
  • 确定恢复滤波器的截止频率
常见易错
  • 把采样定理里的两倍关系记成相等,或漏掉两倍
  • 把最高频率与频谱延拓的周期混为一谈
公式
信号采样与频谱的基本概念 基本概念与信号
本卷考法
  • 判断线性相位、卷积、冲激响应与理想低通的说法
本卷实例
  • 关键一步:逐项对照线性相位、卷积与吉布斯现象的结论
  • 中间结果:线性时不变系统的特性由单位冲激响应完全决定
  • 卡点:理想低通的阶跃响应存在吉布斯振荡
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 周期信号可展开为傅里叶级数,各次谐波的幅值构成频谱
  • 冲激采样信号的频谱是原信号频谱的周期延拓
  • 频谱延拓的周期由采样频率决定,不重叠才能由理想低通恢复原信号
  • 恢复用的理想低通截止频率取在采样频率的一半处
步骤
  • 先求连续信号的频谱或按给定波形求谐波幅值
  • 按采样频率写出延拓后频谱的周期与各次副本的位置
  • 检查最高频率是否小于采样频率的一半,判断能否无失真恢复
  • 需要恢复时选取截止频率与增益合适的理想低通滤波器
通用考法
  • 本卷考过判断线性相位、卷积、冲激响应与理想低通的说法
  • 由采样频率判断给定信号能否无失真恢复
  • 写出冲激采样后信号的频谱表达式
  • 确定恢复滤波器的截止频率
常见易错
  • 把采样定理里的两倍关系记成相等,或漏掉两倍
  • 把最高频率与频谱延拓的周期混为一谈
公式

二二、机电系统建模与传函#

思路
  • 由给定的机械系统结构图分别对两个质量块受力分析,列微分方程后取零初始条件拉氏变换,联立消元求输出对输入的传递函数
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由机械系统结构图列写运动方程并求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按牛顿定律分别对两个质量块列受力平衡方程
  • 中间结果:两方程联立消去中间位移变量即得传函
  • 卡点:弹簧阻尼连接关系以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由机械系统结构图列写运动方程并求传递函数
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 对微分方程组取拉氏变换并消元求传函
本卷实例
  • 关键一步:零初始条件下把每个微分方程化为代数方程
  • 中间结果:联立消元后分子分母均为s的多项式
  • 卡点:黏性摩擦项的符号方向易取反,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过对微分方程组取拉氏变换并消元求传函
  • 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、参数设计与极点配置#

思路
  • 由结构图写开环与闭环特征式,由期望极点所在区域求阻尼比与自然频率范围;再由指定闭环极点反求两参数并算动态指标;最后讨论两个参数能否任意配置闭环极点
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
  • 由闭环特征式与二阶标准形式对应求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征式与含阻尼比、自然频率的标准式逐项对应
  • 中间结果:由系数关系写出两参数关于阻尼比与自然频率的表达式
  • 卡点:须先把二次项系数归一化再比较
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与二阶标准形式对应求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 由阻尼比与自然频率求超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比代入超调量公式,再按误差带求调节时间
  • 中间结果:两个指标都只由阻尼比与自然频率决定
  • 卡点:调节时间系数随所选误差带不同而不同
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
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率求超调量与调节时间
  • 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
本卷考法
  • 由期望闭环极点位置反求回路参数
本卷实例
  • 关键一步:把期望极点代入闭环特征方程解出参数
  • 中间结果:参数只改变极点位置,不改变系统结构
  • 卡点:两参数能否覆盖左半平面任意极点要看可解条件
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
  • 本卷考过由期望闭环极点位置反求回路参数
  • 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

四四、脉冲响应反求与频域校正#

思路
  • 由单位脉冲响应求植物传函,再求余弦输入下的稳态响应;求给定增益下的截止频率与相位裕度;最后设计控制器使正弦扰动下的稳态误差尽量小
本卷考法
  • 由单位脉冲响应反求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对脉冲响应式取拉氏变换得传递函数
  • 中间结果:脉冲响应为两项指数之和,对应两个一阶极点
  • 卡点:各项系数与极点要一一对应,勿漏符号
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
  • 本卷考过由单位脉冲响应反求系统传递函数
  • 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
  • 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
  • 求余弦输入下系统的稳态响应表达式
本卷实例
  • 关键一步:把s取为纯虚数求幅频与相频,再写稳态响应
  • 中间结果:稳态响应幅值等于该频率处的幅值
  • 卡点:相频含反正切分支,须按频率分段讨论
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
  • 本卷考过求余弦输入下系统的稳态响应表达式
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求给定增益下系统的截止频率与相位裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅频条件定截止频率,再算该频率处相角
  • 中间结果:相位裕度等于180度加截止频率处的相角
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率易用反
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
  • 本卷考过求给定增益下系统的截止频率与相位裕度
  • 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
本卷考法
  • 设计控制器使正弦扰动下的稳态误差尽量小
本卷实例
  • 关键一步:由扰动误差传函令其在扰动频率处幅值为零
  • 中间结果:补偿器要在扰动频率处提供足够大的增益
  • 卡点:只压扰动误差还须兼顾稳定性与可实现性
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
  • 本卷考过设计控制器使正弦扰动下的稳态误差尽量小
  • 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
  • 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

五五、阶跃响应判型与内环根轨迹#

思路
  • 由阶跃响应图判断系统阶数与时间常数组合;改控制器后再列特征方程用劳斯判据求参数稳定条件,并画内环极点随增益变化的根轨迹草图
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阶跃响应曲线判断系统阶数并估计时间常数
本卷实例
  • 关键一步:按响应是否衰减振荡及峰值时间判断系统型式
  • 中间结果:峰值时间与调节时间共同约束时间常数取值
  • 卡点:响应曲线以图给出,峰值与调节时间需回原卷核对
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
  • 本卷考过由阶跃响应曲线判断系统阶数并估计时间常数
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由特征方程用劳斯判据求时间常数的稳定条件
本卷实例
  • 关键一步:写特征多项式并列劳斯表,令首列元素同号
  • 中间结果:由首列不等式解出时间常数的下界
  • 卡点:含参首列元素须单独讨论符号
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
  • 本卷考过由特征方程用劳斯判据求时间常数的稳定条件
  • 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
本卷考法
  • 画闭环极点随增益变化的根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:整理为等效开环传函后定起点、渐近线与分离点
  • 中间结果:实轴段与渐近线交点决定轨迹大致走向
  • 卡点:内环极点随增益变化的图需回原卷对照结构图
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
  • 本卷考过画闭环极点随增益变化的根轨迹草图
  • 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

六六、状态空间传函与能控性#

思路
  • 由给定A、B、C、D求传递函数;证明非奇异线性变换不改变传递函数;再证明系统不能控时传递函数必出现零极点对消
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按C乘sI减A的逆再乘B加D计算并约简
  • 中间结果:本题传递函数的分母与分子出现可对消的因子
  • 卡点:漏掉直接传递项D会使结果错误
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
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 证明不能控时传递函数出现零极点对消
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性矩阵并判断其秩是否满
  • 中间结果:秩亏说明存在不能控模态,对应零极点对消
  • 卡点:能控性矩阵与能观性矩阵构造容易混淆
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
  • 本卷考过证明不能控时传递函数出现零极点对消
  • 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

七七、离散系统差分方程#

思路
  • 由差分方程求系统函数,分别求单位阶跃响应序列、给定输出对应的输入序列,以及余弦输入下的稳态响应
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由差分方程写系统函数并求单位阶跃响应序列
本卷实例
  • 关键一步:对差分方程取z变换得系统函数,再乘阶跃的z变换反变换
  • 中间结果:阶跃响应为常数项与两个指数序列之和
  • 卡点:z反变换的极点为1与两特征根,注意收敛域
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
  • 本卷考过由差分方程写系统函数并求单位阶跃响应序列
  • 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
  • 由给定输出序列反求输入序列
本卷实例
  • 关键一步:用系统函数除输出的z变换得输入的z变换再反变换
  • 中间结果:输出与输入的z域之比确定所需输入
  • 卡点:指数项里T与衰减率要区分,勿漏采样周期
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
  • 本卷考过由给定输出序列反求输入序列
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 求离散系统对余弦序列的稳态响应
本卷实例
  • 关键一步:在单位圆上取复指数点代入系统函数求幅值与相角
  • 中间结果:稳态响应为同频余弦,幅值相位由系统函数决定
  • 卡点:离散频率响应须在单位圆上取值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环极点在 z 平面上的位置决定响应形式
  • 极点越靠近原点衰减越快,越靠近单位圆振荡越强
  • 极点的幅角决定振荡频率,幅值决定衰减速度
  • 采样周期增大会使动态性能变差甚至不稳定
步骤
  • 求闭环脉冲传递函数的极点
  • 按极点在单位圆内的位置判断响应形式
  • 由极点的模与幅角估算衰减与振荡频率
  • 与连续系统指标对应关系相互校验
通用考法
  • 本卷考过求离散系统对余弦序列的稳态响应
  • 由闭环极点分布判断动态性能
  • 与连续域指标互相换算
  • 说明采样周期对动态性能的影响
常见易错
  • 把 z 平面极点当作 s 平面极点直接读阻尼比
  • 忽略单位圆上极点对应等幅振荡
公式

八八、离散周期信号的傅里叶级数#

思路
  • 由周期冲激串的傅里叶级数系数积分式,利用冲激抽样性质化为有限和,证明系数是周期的,再对给定余弦序列求系数
信号采样与频谱的基本概念 基本概念与信号
本卷考法
  • 证明周期冲激串的傅里叶级数系数是周期的
本卷实例
  • 关键一步:按定义积分并利用冲激抽样性质化为有限和
  • 中间结果:求和式恰为原序列的离散傅里叶级数系数
  • 卡点:本题属信号内容,考点库无对应,为借位挂靠
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 周期信号可展开为傅里叶级数,各次谐波的幅值构成频谱
  • 冲激采样信号的频谱是原信号频谱的周期延拓
  • 频谱延拓的周期由采样频率决定,不重叠才能由理想低通恢复原信号
  • 恢复用的理想低通截止频率取在采样频率的一半处
步骤
  • 先求连续信号的频谱或按给定波形求谐波幅值
  • 按采样频率写出延拓后频谱的周期与各次副本的位置
  • 检查最高频率是否小于采样频率的一半,判断能否无失真恢复
  • 需要恢复时选取截止频率与增益合适的理想低通滤波器
通用考法
  • 本卷考过证明周期冲激串的傅里叶级数系数是周期的
  • 由采样频率判断给定信号能否无失真恢复
  • 写出冲激采样后信号的频谱表达式
  • 确定恢复滤波器的截止频率
常见易错
  • 把采样定理里的两倍关系记成相等,或漏掉两倍
  • 把最高频率与频谱延拓的周期混为一谈
公式