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上海交通大学 817 自动控制理论(含现控) 2024 年真题思维导图

985 院校共 8 题

难度:中等偏难 八道大题:罐内气压系统建模、奈氏图判稳、信号流图与梅森公式、误差传递函数与扰动误差、参数根轨迹与二阶性能、Bode 图裕度与平移、串联校正与 PD 可行性、状态空间与能控能观标准型;经典控制与现代控制各占一半,含图题多。

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一一、系统建模(罐内气压)#

思路
  • 由给定气压控制装置画系统框图,指认控制器、执行器、检测器等环节与各类信号,说明闭环调压的工作过程
本卷考法
  • 画气压控制系统框图并指认控制器、执行器等环节
本卷实例
  • 关键一步:按给定装置找出被控对象、执行器与反馈检测环节
  • 中间结果:把给定气压、罐内气压与误差信号按信息流向连成闭环
  • 卡点:装置以图给出,环节与信号需回原卷核对图
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
  • 本卷考过画气压控制系统框图并指认控制器、执行器等环节
  • 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
  • 本卷考过把被控量与操纵量搞反,只画框图不指认环节
  • 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

二二、奈氏图与稳定 K 范围#

思路
  • 画开环幅相曲线,求与负实轴的交点,由奈氏判据划分使闭环稳定的增益范围并数不稳定极点数
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环幅相曲线与包围圈数判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令虚部为零求曲线与负实轴交点对应的频率
  • 中间结果:交点处实部绝对值随 K 变化,据此分临界情况
  • 卡点:曲线走向以图给出,具体穿越点需回原卷核对图
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与包围圈数判断闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过包围圈数正负号定义搞反、未先数 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏判据求使闭环稳定的开环增益 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:比较曲线与 −1 点的相对位置划分 K 的取值范围
  • 中间结果:把 K 的区间与不稳定的右半平面极点数对应起来
  • 卡点:K 取临界值时系统临界稳定,要单独说明
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
  • 本卷考过由奈氏判据求使闭环稳定的开环增益 K 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
  • 本卷考过只看交点大小就下结论,漏掉曲线起点趋势
  • 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

三三、信号流图与梅森公式#

思路
  • 由结构图画信号流图,数各条回路与互不接触回路,分别求输入到输出与扰动到输出的传递函数
本卷考法
  • 用梅森公式求信号流图的 C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先数各条单回路并找出互不接触的回路组合
  • 中间结果:特征式等于一减各回路增益再加不接触回路乘积
  • 卡点:回路构成以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过用梅森公式求信号流图的 C(s)/R(s)
  • 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
  • 本卷考过不接触回路找漏或重复,余子式未剔除接触回路
  • 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
  • 分别求参考输入与扰动作用下的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:令扰动为零先求输入到输出的传递函数
  • 中间结果:再令参考输入为零求扰动到输出的传递函数
  • 卡点:扰动接入位置以图给出,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
  • 本卷考过分别求参考输入与扰动作用下的传递函数
  • 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
  • 本卷考过两路传递函数混在一起算,忘记令另一输入为零
  • 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

四四、误差传递函数与扰动误差#

思路
  • 按误差定义写误差传递函数,由阶跃误差要求反求 K1,再由扰动阶跃下零误差条件求 K2
本卷考法
  • 按误差等于参考减输出写出误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由结构图写出误差对参考输入的传递函数
  • 中间结果:把误差传函整理成 s 的有理分式再取终值
  • 卡点:误差定义取 E=R−C 还是 E=R−B 需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差有两种定义:输入端 E(s)=R(s)-C(s) 与 E(s)=R(s)-B(s),须看清题意
  • 误差传递函数由结构决定
  • 单位反馈时两种定义等价
步骤
  • 按题意确定误差取在输入端还是反馈端
  • 由结构图写出误差传递函数
  • 乘输入后取 s→0 的极限
通用考法
  • 本卷考过按误差等于参考减输出写出误差传递函数
  • 写出误差传递函数
  • 说明不同误差定义对结果的影响
常见易错
  • 本卷考过非单位反馈时两种误差定义混用,结果差一个环节
  • 非单位反馈时两种误差定义混用导致结果差一个 H(s)
  • 忘记先判断系统是否稳定
公式
本卷考法
  • 由阶跃输入下的稳态误差要求反求开环增益 K1
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理把稳态误差化成增益的函数
  • 中间结果:解出满足误差上限的 K1 取值条件
  • 卡点:K1 的取值还要同时满足劳斯判据判出的稳定条件
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
  • 本卷考过由阶跃输入下的稳态误差要求反求开环增益 K1
  • 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
  • 本卷考过未判稳就使用终值定理
  • 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
  • 由扰动阶跃下零稳态误差条件反求补偿增益 K2
本卷实例
  • 关键一步:写出误差对扰动 N(s) 的传递函数
  • 中间结果:令扰动阶跃下的终值为零得 K2 的条件
  • 卡点:扰动接入点在图中何处需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由扰动阶跃下零稳态误差条件反求补偿增益 K2
  • 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
  • 本卷考过把扰动误差与输入误差相加时漏掉其中一个分量
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 列劳斯表求使闭环稳定的误差增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由误差传函分母写出二阶闭环特征方程
  • 中间结果:列劳斯表并令首列元素大于零得参数下界
  • 卡点:稳定条件要与稳态误差要求联立取值
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
  • 本卷考过列劳斯表求使闭环稳定的误差增益范围
  • 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
  • 本卷考过系数全为正只是必要条件,要列完整劳斯表
  • 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

五五、参数根轨迹与二阶性能#

思路
  • a=0 时按二阶系统算动态指标;a≠0 时以 a 为参变量画根轨迹,由分离点定临界阻尼并分析 a 变化的影响
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环传函求二阶系统的阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:先由闭环特征方程对应系数解出阻尼比与自然频率
  • 中间结果:代入调节时间与超调量公式得到两项指标
  • 卡点:超调量公式中的百分之百不要漏乘
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
  • 本卷考过由闭环传函求二阶系统的阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过调节时间两种误差带系数用混
  • 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
  • 以 a 为参变量整理等效开环并绘制参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程分离出含 a 的项构造等效开环
  • 中间结果:等效开环呈一个零点与一对共轭复数极点
  • 卡点:参数根轨迹的相角条件仍是 180 度
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 a 为参变量整理等效开环并绘制参数根轨迹
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求参数根轨迹的分离点并判断解的取舍
本卷实例
  • 关键一步:令等效开环的增益导数为零列分离点方程
  • 中间结果:舍去不在负实轴段上的根,只留可用解
  • 卡点:分离点对应两条根轨迹相汇后离开实轴
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
  • 本卷考过求参数根轨迹的分离点并判断解的取舍
  • 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
  • 本卷考过求出根后不筛选,保留不在实轴段上的解
  • 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
  • 由根轨迹的临界阻尼点反求参数 a 并分析其影响
本卷实例
  • 关键一步:令根轨迹落在实轴重根处即得临界阻尼
  • 中间结果:再把重根回代闭环特征方程解出参数 a
  • 卡点:a 增大使阻尼比提高,超调下降而响应加快
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
  • 本卷考过由根轨迹的临界阻尼点反求参数 a 并分析其影响
  • 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
  • 本卷考过把临界阻尼点误当成原点所在的起点
  • 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

六六、Bode 图与稳定裕度#

思路
  • 由对数幅频渐近线反求开环传函,算相角裕度与幅值裕度判稳;再讨论幅频曲线平移十倍频程后的裕度变化
本卷考法
  • 由低频段斜率与转折频率反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:低频段延长线过 0dB 定出开环增益
  • 中间结果:再按各转折频率处斜率变化补上惯性环节
  • 卡点:Bode 图以图给出,转折频率需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由低频段斜率与转折频率反求开环传递函数
  • 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未折算型别就当成功率增益
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求截止频率处的相角裕度与穿越频率处的幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅值条件解截止频率后代入相频求相角裕度
  • 中间结果:由相角等于 −180 度解穿越频率再算幅值裕度
  • 卡点:增益裕度取倒数或换分贝时易把结论写反
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
  • 本卷考过求截止频率处的相角裕度与穿越频率处的幅值裕度
  • 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
  • 本卷考过把 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
本卷考法
  • 分析幅频特性平移十倍频程后裕度与性能的变化
本卷实例
  • 关键一步:平移后截止频率随之放缩而相频曲线不变
  • 中间结果:在相频不变的前提下比较平移前后两组裕度
  • 卡点:原题问向左平移而答案段写右移,需回原卷核对
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
  • 本卷考过分析幅频特性平移十倍频程后裕度与性能的变化
  • 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是替换
  • 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

七七、串联校正与 PD 可行性#

思路
  • 由闭环传函写开环传函,按速度误差要求定增益,设计串联超前校正并校核相角裕度,最后讨论 PD 校正能否兼顾两项指标
本卷考法
  • 由速度误差系数要求反求满足精度所需开环增益
本卷实例
  • 关键一步:由给定闭环传函反求等价的单位反馈开环传函
  • 中间结果:用速度误差系数与误差上限联立定出增益下限
  • 卡点:校正前要先按劳斯判据确认系统稳定
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
  • 本卷考过由速度误差系数要求反求满足精度所需开环增益
  • 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
  • 本卷考过把闭环传函直接当开环传函代入误差公式
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联超前校正装置满足相角裕度要求
本卷实例
  • 关键一步:由未校正系统相角裕度与指标之差定补偿角
  • 中间结果:用最大超前角公式求 a 再定两个转折频率
  • 卡点:超前校正低频增益为一,不改变系统型别
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
  • 本卷考过设计串联超前校正装置满足相角裕度要求
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 校核校正后系统截止频率处的相角裕度是否达标
本卷实例
  • 关键一步:取最大超前角对应的频率为新截止频率
  • 中间结果:在该频率处叠加校正装置的相角后校核裕度
  • 卡点:校正前后 Bode 曲线以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过校核校正后系统截止频率处的相角裕度是否达标
  • 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
  • 本卷考过校正后截止频率变了仍沿用原来的相角计算
  • 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
  • 分析 PD 校正能否同时满足稳态误差与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由误差要求把比例增益与校正增益的乘积定下界
  • 中间结果:再看该乘积增大对相角裕度是增大还是减小
  • 卡点:微分项提供超前相角但对高频噪声敏感
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
  • 本卷考过分析 PD 校正能否同时满足稳态误差与相角裕度
  • 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
  • 本卷考过只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 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

八八、状态空间与能控能观标准型#

思路
  • 由系统结构图列状态空间表达式,求传递函数并判能控能观,再写出能控标准型与能观标准型
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统结构图列写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按每个积分器输出设一个状态变量并列写一阶方程
  • 中间结果:由结构图直接读出状态矩阵与输入矩阵
  • 卡点:结构图以图给出,连线与增益需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过由系统结构图列写状态空间表达式
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 本卷考过状态变量个数与系统阶数不匹配,输出方程漏项
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数 G(s)
本卷实例
  • 关键一步:用 G(s)=C(sI−A)⁻¹B+D 计算传递函数
  • 中间结果:把矩阵求逆化为伴阵除以行列式再相乘
  • 卡点:对角矩阵求逆后各通道相加要通分整理
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 G(s)
  • 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 或矩阵求逆算错
  • 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
  • 构造能控性与能观性矩阵并判断秩
本卷实例
  • 关键一步:分别算能控性矩阵与能观性矩阵并求秩
  • 中间结果:两矩阵行列式非零即系统阶数满秩
  • 卡点:二阶系统可直接看两个方阵的行列式
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
  • 本卷考过构造能控性与能观性矩阵并判断秩
  • 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
  • 本卷考过只算到 A 的 n−2 次幂就下结论
  • 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
  • 由传递函数写出能控标准型与能观标准型
本卷实例
  • 关键一步:把传递函数分母系数按降幂填进友矩阵
  • 中间结果:能控型取输入矩阵末元素为一,能观型取输出向量
  • 卡点:能观标准型是能控标准型的转置对偶形式
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 同一传递函数可对应无穷多个状态空间实现
  • 常用能控标准型、能观标准型与对角标准型
  • 能控标准型的 A 阵为友矩阵形式
  • 最小实现要求系统既能控又能观
步骤
  • 把传递函数化为真分式,分离直接项 D
  • 按标准型规则写出 A、B、C、D
  • 必要时用线性变换换成其他标准型
通用考法
  • 本卷考过由传递函数写出能控标准型与能观标准型
  • 由传递函数写出能控标准型
  • 由传递函数写出能观标准型
  • 判断给定的实现是否为最小实现
常见易错
  • 本卷考过友矩阵中系数的符号写反
  • 真分式化分时直接项 D 处理错误
  • 友矩阵中系数符号写反
公式