←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

华中科技大学 829 自动控制理论(含现控) 2016 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等偏难 10大题:5小问简答、MIMO传函矩阵、误差约束、奈氏判稳、Bode与劳斯、特殊根轨迹圆、超前与滞后校正、离散稳定性与输出、描述函数极限环、状态空间对角化与极点

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

一(1~5)一、简答题(5小问)#

思路
  • 五小问:电路微分方程建模、信号流图化简、由阶跃响应画闭环极点、状态能控能观与输出能控、相平面法适用性判断
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由电路图列写微分方程并求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先按元件伏安关系列各支路微分方程
  • 关键一步:消去中间变量只保留输出与输入
  • 中间结果:整理成高阶微分方程后再取拉氏变换
  • 卡点:电容元件方程漏掉电流与电压导数关系
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过由电路图列写微分方程并求传递函数
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式
本卷考法
  • 用梅森增益公式化简信号流图求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:找出全部前向通路并标出与之不接触的回路
  • 关键一步:各通路增益乘余子式后求和再除以特征式
  • 中间结果:分母为1减各回路增益加两两不接触回路增益
  • 卡点:前向通路或回路漏找,余子式未剔除接触回路
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
  • 本卷考过用梅森增益公式化简信号流图求传递函数
  • 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
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
  • 由三条阶跃响应曲线判断闭环极点位置
本卷实例
  • 关键一步:先由超调量比较各系统的阻尼比
  • 关键一步:再由峰值时间比较各系统的自然频率
  • 中间结果:阻尼比由超调量定,自然频率由峰值时间定
  • 卡点:响应曲线为原卷插图,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由三条阶跃响应曲线判断闭环极点位置
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态方程判断状态能控性、能观性和输出能控性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控、能观与输出能控判别阵
  • 关键一步:求秩并与状态维数或输出维数比较
  • 中间结果:判别阵满秩则对应性质成立
  • 卡点:输出能控阵漏乘输出矩阵,与状态能控混淆
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
  • 本卷考过由状态方程判断状态能控性、能观性和输出能控性
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 判断给定结构图系统能否用相平面法分析
本卷实例
  • 关键一步:先数线性部分阶数,再看非线性环节是否适合相平面
  • 关键一步:相平面法通常只适用于一阶或二阶系统
  • 中间结果:高阶系统不能直接用相平面法,需改用描述函数法
  • 卡点:把相平面法适用范围误扩到任意阶系统
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
  • 本卷考过判断给定结构图系统能否用相平面法分析
  • 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
  • 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

二二、多输入多输出系统传递函数矩阵#

思路
  • 对两输入两输出结构图分别置零另一输入,用梅森公式求四个传递函数组成矩阵
本卷考法
  • 分别求两路输入到两路输出的传递函数并组成矩阵
本卷实例
  • 关键一步:求某输出对某输入时把另一路输入置零
  • 关键一步:对单输入单输出子结构用梅森公式
  • 中间结果:四个传递函数共用同一特征式,分子各自由前向通路定
  • 卡点:多输入同时作用时直接叠加,未先验证系统线性性
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
  • 本卷考过分别求两路输入到两路输出的传递函数并组成矩阵
  • 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

三三、误差约束下 K1 与 K2 的关系#

思路
  • 由结构图求误差传函,按劳斯判据保证稳定,再由斜坡输入稳态误差约束求参数关系
本卷考法
  • 由误差传函与终值定理求斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先写误差传函并确认系统稳定
  • 关键一步:斜坡输入下由终值定理求稳态误差
  • 中间结果:稳态误差与参数乘积成反比
  • 卡点:未判稳就套终值定理,结果可能落在不稳定区
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
  • 本卷考过由误差传函与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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据确定使系统稳定的参数关系
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列劳斯表
  • 关键一步:令首列各元素大于零得参数不等式
  • 中间结果:参数乘积需大于某一下界才同时满足稳定与误差约束
  • 卡点:只列部分首列不等式,漏掉某个约束
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
  • 本卷考过用劳斯判据确定使系统稳定的参数关系
  • 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

四四、奈氏曲线判稳#

思路
  • 由已知G1(s)奈氏曲线补全整体开环,数右半平面极点数与包围圈数判稳
本卷考法
  • 由已知奈氏曲线识别 G1(s) 的环节形式
本卷实例
  • 关键一步:由曲线起点、终点与相角范围识别零极点结构
  • 关键一步:写出对应的一阶超前环节形式
  • 中间结果:已知环节与积分环节串联成整体开环
  • 卡点:相角范围读错导致环节类型判错
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
  • 本卷考过由已知奈氏曲线识别 G1(s) 的环节形式
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏曲线数包围圈数并判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数P
  • 关键一步:再数曲线包围临界点的正负圈数N
  • 中间结果:闭环右半平面根数由P与N共同决定
  • 卡点:含积分环节时未补画无穷大圆弧
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
  • 本卷考过由奈氏曲线数包围圈数并判断闭环稳定性
  • 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
  • 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

五五、对数幅频、相角裕度与劳斯判据#

思路
  • 画Bode渐近线求相角裕度判稳,再用劳斯判据判稳并解释两种结果差异
本卷考法
  • 绘制开环对数渐近幅频特性并求截止频率
本卷实例
  • 关键一步:由型别与开环增益定低频段斜率与高度
  • 关键一步:按转折频率逐段累加斜率
  • 中间结果:在近似截止频率处令幅值等于一求频率
  • 卡点:逐段改斜率时用替换而非累加
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求截止频率
  • 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
  • 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
  • 由对数幅频求相角裕度并判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把近似截止频率代入相频表达式算相角
  • 关键一步:相角裕度等于一百八十度加该相角
  • 中间结果:相角裕度接近零说明系统接近临界稳定
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率混用
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
  • 本卷考过由对数幅频求相角裕度并判断稳定性
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判断系统稳定性并解释与Bode近似结果的差异
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列劳斯表
  • 关键一步:首列全同号则系统稳定
  • 中间结果:劳斯判据给出精确稳定性结论
  • 卡点:把Bode近似的截断误差当成系统真正不稳定
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判断系统稳定性并解释与Bode近似结果的差异
  • 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

六六、根轨迹形状与欠阻尼K范围#

思路
  • 由开环零极点画根轨迹,证明复数部分为圆,再由幅值条件求欠阻尼K范围
本卷考法
  • 按绘制法则画出根轨迹并求分离点
本卷实例
  • 关键一步:标出开环零极点并确定实轴根轨迹段
  • 关键一步:求分离点并判断走向
  • 中间结果:两个极点两个零点时复平面轨迹可能为圆
  • 卡点:分离点方程解出后未筛选有效根
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画出根轨迹并求分离点
  • 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
  • 证明复数部分根轨迹为圆并求欠阻尼K范围
本卷实例
  • 关键一步:设复根为共轭对并由韦达定理消去虚部
  • 关键一步:由幅值条件在分离点求临界K
  • 中间结果:根轨迹圆方程给出复数根的几何约束
  • 卡点:欠阻尼范围端点K值未在分离点处取
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
  • 本卷考过证明复数部分根轨迹为圆并求欠阻尼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

七七、由Bode图求校正装置并比较#

思路
  • 由两条校正装置对数幅频曲线识别转折频率写传函,比较超前与滞后的优缺点
本卷考法
  • 由转折频率与斜率变化反写校正装置传函
本卷实例
  • 关键一步:先写成尾一标准型读出时间常数
  • 关键一步:由斜率变化次数定环节阶数
  • 中间结果:两个校正装置分别为超前与滞后网络
  • 卡点:转折频率顺序读反导致零极点位置写错
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
  • 本卷考过由转折频率与斜率变化反写校正装置传函
  • 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
  • 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
  • 说明超前校正装置的作用与优缺点
本卷实例
  • 关键一步:由相频为正判断超前校正
  • 关键一步:超前网络提高相角裕度并抬高截止频率
  • 中间结果:超前校正不改变稳态精度
  • 卡点:忽略截止频率变化带来的附加相角损失
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
  • 本卷考过说明超前校正装置的作用与优缺点
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 说明滞后校正装置的作用与优缺点
本卷实例
  • 关键一步:由相频为负判断滞后校正
  • 关键一步:滞后网络压低截止频率换取相角裕度
  • 中间结果:滞后校正提高抗高频干扰但响应变慢
  • 卡点:两个转折频率顺序写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过说明滞后校正装置的作用与优缺点
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式

八八、离散系统稳定性、误差与阶跃输出#

思路
  • 求开环与闭环脉冲传函,判稳后算误差系数与稳态误差,再由z变换长除求前五项
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含零阶保持器的系统求开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:对含零阶保持器的连续部分作z变换
  • 关键一步:按反馈结构写闭环脉冲传函
  • 中间结果:闭环特征式为z的二次多项式
  • 卡点:无采样开关隔开的连续环节直接相乘
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
  • 本卷考过由含零阶保持器的系统求开环与闭环脉冲传函
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用朱利判据判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征方程并检验D(1)、D(-1)
  • 关键一步:再检验常数项绝对值是否小于一
  • 中间结果:特征根模均小于一则系统稳定
  • 卡点:稳定条件写成根实部小于零
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
  • 本卷考过用朱利判据判断离散系统稳定性
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统误差系数与典型输入稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再由终值定理求误差
  • 关键一步:分别写位置、速度、加速度误差系数
  • 中间结果:系统型别决定哪种输入下误差有限
  • 卡点:离散系统直接套连续域误差系数公式
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
  • 本卷考过求离散系统误差系数与典型输入稳态误差
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环脉冲传函长除求阶跃输出前五项
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函展成z的负幂级数
  • 关键一步:级数各项系数对应采样时刻输出值
  • 中间结果:长除前五项即五个采样点输出
  • 卡点:长除时首项幂次与输出对应关系写错
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
  • 本卷考过由闭环脉冲传函长除求阶跃输出前五项
  • 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

九九、描述函数法判自振与极限环#

思路
  • 由负倒描述函数曲线与线性部分幅相曲线交点求稳定K范围,并逐点判断极限环性质
本卷考法
  • 由两曲线交点求使系统稳定的K值范围
本卷实例
  • 关键一步:画负倒描述函数曲线与线性部分幅相曲线
  • 关键一步:N(A)等于一时退化为奈氏判据
  • 中间结果:交点位置对应临界增益,曲线不交时无自振
  • 卡点:画的是描述函数本身而非负倒描述函数
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
  • 本卷考过由两曲线交点求使系统稳定的K值范围
  • 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
  • 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
  • 逐交点判断极限环个数与性质
本卷实例
  • 关键一步:比较A增大方向两侧的稳定区变化
  • 关键一步:从稳定区进入不稳定区为稳定极限环
  • 中间结果:曲线交点个数对应极限环个数
  • 卡点:把不稳定极限环误判为可观测自振
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
  • 本卷考过逐交点判断极限环个数与性质
  • 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
  • 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

十十、矩阵对角化、状态转移矩阵与稳定性#

思路
  • 由A阵特征值构造变换阵P化为对角形,再求状态转移矩阵并由特征值判稳
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求变换阵把系统矩阵化为对角阵并求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先求特征值并构造范德蒙德型变换阵
  • 关键一步:由对角化矩阵求矩阵指数
  • 中间结果:状态转移矩阵由变换阵与对角指数阵相乘得到
  • 卡点:变换阵列向量顺序与特征值顺序不对应
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过求变换阵把系统矩阵化为对角阵并求状态转移矩阵
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统矩阵特征值判断系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求系统矩阵全部特征值
  • 关键一步:存在非负实部特征值则系统不稳定
  • 中间结果:线性定常系统稳定性由特征值实部符号决定
  • 卡点:把特征值实部符号与离散稳定条件混淆
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
  • 本卷考过由系统矩阵特征值判断系统稳定性
  • 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