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四川大学 871 自动控制理论(含现控) 2016 年真题思维导图

985 院校共 7 题合计 150 分

难度:中等 7题覆盖结构图求传函与状态空间建模、扰动与正弦输入下的稳态误差、闭环根轨迹与最小相位、Bode图与串联校正、离散脉冲传函与稳定、饱和非线性相轨迹、能控标准型与极点配置,题量偏大

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1一、结构图求传函与状态空间建模15 分#

思路
  • 先由多回路结构图化简求闭环传函,再取指定变量建模并讨论两种模型的等价性
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 逐层消去多回路结构图的内环并化简为最简形式
本卷实例
  • 关键一步:从最内环向外逐层等效,再做串联与并联合并
  • 中间结果:四环结构先消两个内环,再合并两条并联通道
  • 卡点:化简内环时把外环信号当常数;需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过逐层消去多回路结构图的内环并化简为最简形式
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 取图中标注的变量为状态变量建立状态空间模型
本卷实例
  • 关键一步:取积分器输出为状态变量,在积分器输入端写一阶方程
  • 中间结果:本题四个环节均为一阶,状态维数由积分器个数决定
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配;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
  • 本卷考过取图中标注的变量为状态变量建立状态空间模型
  • 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
  • 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
  • 由状态空间模型求传函并与输入输出模型比较是否等价
本卷实例
  • 关键一步:用C(sI减A)逆B求传函,再与原闭环传函逐项对照
  • 中间结果:若存在零极点对消则不满足最小实现,两模型不等价
  • 卡点:漏掉直接传递项D;只看特征多项式相等就判等价
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模型求传函并与输入输出模型比较是否等价
  • 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

2二、扰动与正弦输入下的性能与误差20 分#

思路
  • 先按二阶系统估算暂态指标,再分别求正弦扰动与单位阶跃下的稳态误差与输出
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 按二阶系统估算调节时间与超调量
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征式定阻尼比与自然频率再套指标公式
  • 中间结果:阻尼比决定超调量,自然频率决定响应快慢
  • 卡点:把两种误差带的调节时间系数搞混
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
  • 本卷考过按二阶系统估算调节时间与超调量
  • 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
  • 求正弦扰动作用下稳态误差的最大值
本卷实例
  • 关键一步:求扰动到误差的传函,再令s等于jω求其幅值
  • 中间结果:输出为同频正弦,误差最大值等于幅频特性的峰值
  • 卡点:求扰动传函时未把参考输入置零
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
  • 本卷考过求正弦扰动作用下稳态误差的最大值
  • 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
本卷考法
  • 由频率特性求阶跃输入下系统输出的表达式
本卷实例
  • 关键一步:分别写出各典型环节的幅频与相频再合成
  • 中间结果:稳态输出由闭环幅频与相频在输入频率处取值决定
  • 卡点:复数分母取模与相角分开算;漏加积分环节相角
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
  • 本卷考过由频率特性求阶跃输入下系统输出的表达式
  • 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

3三、闭环根轨迹与最小相位判定20 分#

思路
  • 由闭环传函构造参数根轨迹,并确定系统为最小相位时的K范围
本卷考法
  • 由闭环特征式构造等效开环传函并绘制K大于零的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把含K的项整理成标准根轨迹形式再逐条作图
  • 中间结果:等效开环有分子零点,根轨迹起点为极点、终点为零点
  • 卡点:等效开环零点位置求错;需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由闭环特征式构造等效开环传函并绘制K大于零的根轨迹
  • 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
  • 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
  • 由零点是否全在左半平面确定最小相位系统的K范围
本卷实例
  • 关键一步:分子多项式的根即开环零点,要求其实部全负
  • 中间结果:分子含与K有关的一次项,零点位置随K移动
  • 卡点:把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
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
  • 本卷考过由零点是否全在左半平面确定最小相位系统的K范围
  • 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
  • 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

4四、Bode图分析与串联校正设计30 分#

思路
  • 先画开环对数幅频曲线估截止频率判稳,再按相角裕度要求设计串联校正
本卷考法
  • 绘制开环对数渐近幅频曲线并估算截止频率
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与转折频率逐段写出渐近线
  • 中间结果:本题开环为Ⅰ型,两个惯性环节转折频率相差较大
  • 卡点:逐段改斜率忘记累加;型别高度未折算
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曲线并估算截止频率
  • 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
  • 由相角裕度判断闭环稳定性并指出未校正系统的缺陷
本卷实例
  • 关键一步:在截止频率处计算相角裕度,与要求值比较
  • 中间结果:截止频率处相角接近负180度,裕度不足
  • 卡点:把幅值裕度取倒数未取导致结论相反
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
  • 本卷考过由相角裕度判断闭环稳定性并指出未校正系统的缺陷
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按相角裕度要求选择超前校正并确定校正装置传函
本卷实例
  • 关键一步:由需补偿的相角定衰减系数a,再定时间常数T
  • 中间结果:最大超前角出现在两转折频率的几何中点
  • 卡点:未计及截止频率移动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
  • 本卷考过按相角裕度要求选择超前校正并确定校正装置传函
  • 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

5五、离散系统脉冲传函与稳定范围15 分#

思路
  • 求闭环脉冲传函,定稳定K范围,再求K等于1时阶跃响应的稳态值
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含零阶保持器的结构图求闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按采样开关位置确定先合并的连续环节再做z变换
  • 中间结果:环路脉冲传函含e的负aT项,需代入给定采样周期
  • 卡点:把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结构图求闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 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
  • 用朱利判据或根模条件求使系统稳定的K范围
本卷实例
  • 关键一步:写特征方程后先代z等于1与z等于负1,再列判据
  • 中间结果:稳定条件为若干不等式取交集
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零
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或根模条件求使系统稳定的K范围
  • 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K等于1时单位阶跃响应的稳态值
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理对闭环脉冲传函求阶跃响应的稳态值
  • 中间结果:先判稳再求终值,稳态值与环路直流增益有关
  • 卡点:未判稳就用终值定理;把稳态误差与稳态值混为一谈
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K等于1时单位阶跃响应的稳态值
  • 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

6六、饱和非线性系统相轨迹30 分#

思路
  • 按饱和特性分区写方程,绘速度反馈加入前后的相轨迹并比较动态特性
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 以误差及其导数为坐标轴绘制相轨迹并给绘图依据
本卷实例
  • 关键一步:按饱和区与线性区分段写运动方程,再定开关线
  • 中间结果:各区内方程仅差常值项,相轨迹为抛物线族
  • 卡点:开关线方程写错;需回原卷核对图
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
  • 本卷考过以误差及其导数为坐标轴绘制相轨迹并给绘图依据
  • 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
本卷考法
  • 比较速度反馈加入前后相轨迹并说明对动态特性的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较加入反馈前后系统的开环增益与等效阻尼
  • 中间结果:速度反馈增大等效阻尼,使超调减小、响应变缓
  • 卡点:认为饱和总能改善稳定性而忽略小信号失效
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
  • 本卷考过比较速度反馈加入前后相轨迹并说明对动态特性的影响
  • 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
  • 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

7七、能控标准型与状态反馈极点配置20 分#

思路
  • 由开环传函写第二可控规范实现,再按暂态指标配极点求反馈增益
本卷考法
  • 由传递函数写出第二可控规范实现
本卷实例
  • 关键一步:先真分式化分出直接项,再按友矩阵写A与B
  • 中间结果:本题传函无直接项,状态维数等于分母阶数
  • 卡点:友矩阵中系数符号写反;直接项D处理错误
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第二可控规范实现
  • 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
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由超调量与调节时间要求设计状态反馈增益
本卷实例
  • 关键一步:由指标反求阻尼比与自然频率,写出期望特征式
  • 中间结果:期望极点由二阶指标确定,再与特征式比较系数
  • 卡点:未先验证能控性就配极点;系数比较符号写反
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
  • 本卷考过由超调量与调节时间要求设计状态反馈增益
  • 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
  • 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