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杭州电子科技大学 861 自动控制理论(含现控) 2019 年真题思维导图

强势双非共 12 题

难度:中等 12 道计算题各自成块:结构图化简、二阶系统参数与正弦稳态、劳斯判据与等幅振荡、根轨迹与零点移动、Bode 图反求传函、含纯延迟奈氏判据、超前校正、离散系统稳态误差、描述函数法、传递函数与状态转移矩阵、能控能观、状态反馈极点配置。

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11、结构图求C(s)/R(s)与C(s)/N(s)#

思路
  • 两输入分别置零,用结构图等效化简或梅森增益公式分别求两路传递函数。
本卷考法
  • 用梅森增益公式求两输入系统的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:分别令N(s)与R(s)为零各求一路
  • 中间结果:两路传函分母同为闭环特征式
  • 卡点:回路互不接触判断易错,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
  • 本卷考过用梅森增益公式求两输入系统的传递函数
  • 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
本卷考法
  • 扰动作用下的输出传递函数求解
本卷实例
  • 关键一步:求扰动传函时把参考输入置零
  • 中间结果:扰动通道与给定通道的前向通路不同
  • 卡点:把扰动误差与给定误差混在一起算
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
  • 本卷考过扰动作用下的输出传递函数求解
  • 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

22、二阶系统参数选择与正弦稳态输出#

思路
  • 由闭环传函对照标准二阶形式定参数τ,再算单位阶跃指标与正弦输入下的稳态输出。
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比要求求参数并计算超调量与峰值时间(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化成标准二阶形式再读ξ与ωn
  • 中间结果:超调量由ξ决定、峰值时间由ωn与ξ共同决定
  • 卡点:两种误差带的调节时间系数容易用反
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
  • 本卷考过由阻尼比要求求参数并计算超调量与峰值时间(第1问)
  • 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
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
  • 由闭环特征多项式比对标准二阶形式
本卷实例
  • 关键一步:把s一次项系数与ωn²分别对应
  • 中间结果:待定参数由阻尼比方程唯一确定
  • 卡点:化标准形式时忘记把s²项系数归一
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多项式比对标准二阶形式
  • 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
本卷考法
  • 由闭环频率特性求正弦输入下的稳态输出(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:把输入频率代入闭环幅频与相频
  • 中间结果:稳态输出为正弦,幅值比与相位差由闭环频率特性给出
  • 卡点:相频计算时忘记判断分母所在象限
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
  • 本卷考过由闭环频率特性求正弦输入下的稳态输出(第2问)
  • 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

33、劳斯判据求稳定K与等幅振荡条件#

思路
  • 写闭环特征方程列劳斯表求稳定域,再令虚轴上有极点求等幅振荡的K与频率。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求使系统稳定的K范围(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:按特征方程系数逐行构造劳斯表
  • 中间结果:首列符号变化次数等于右半面极点数
  • 卡点:特征方程缺项时未补零就开始列表
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求使系统稳定的K范围(第1问)
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求系统发生持续等幅振荡时的增益与角频率(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:令特征方程出现一对纯虚根
  • 中间结果:振荡频率由特征方程实部虚部同时为零解出
  • 卡点:只求增益而漏求对应振荡角频率
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
  • 本卷考过求系统发生持续等幅振荡时的增益与角频率(第2问)
  • 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

44、根轨迹绘制及开环零点移动的影响#

思路
  • 按法则画常规根轨迹,再讨论开环零点左移对闭环极点分布与动态性能的影响。
本卷考法
  • 按绘制法则画出给定系统的根轨迹(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:先判断实轴段与渐近线再画草图
  • 中间结果:根轨迹起于开环极点、止于开环零点或无穷远
  • 卡点:实轴段奇偶判据容易数错零极点个数
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给定系统的根轨迹(第1问)
  • 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
  • 分析开环零点向无穷远移动对闭环性能的影响(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:比较零点移动前后闭环极点的走向
  • 中间结果:零点左移通常使根轨迹左弯、稳定性与快速性改善
  • 卡点:附加零点与附加极点的作用容易说反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过分析开环零点向无穷远移动对闭环性能的影响(第2问)
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反

55、由对数幅频渐近线反求开环传函#

思路
  • 由低频段斜率定型别,由各转折频率定对应环节,再由某频率处幅值定增益。
本卷考法
  • 由最小相位系统对数渐近幅频曲线写开环传函
本卷实例
  • 关键一步:按斜率变化逐段识别积分与一阶环节
  • 中间结果:传函由型别、增益和若干一阶环节串乘组成
  • 卡点:延长线交点高度需要折算型别才是增益
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
  • 本卷考过由最小相位系统对数渐近幅频曲线写开环传函
  • 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

66、含纯延迟系统的奈氏图与稳定τ范围#

思路
  • 画K e的负τs次方比s的奈氏图,用奈氏判据求临界延迟并确定稳定τ范围。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据判定含延迟系统稳定性(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半面极点数P再数包围圈数
  • 中间结果:稳定条件由包围圈数与P的关系给出
  • 卡点:积分环节需要补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过用奈奎斯特判据判定含延迟系统稳定性(第2问)
  • 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
本卷考法
  • 求纯延迟环节下使闭环稳定的延迟范围
本卷实例
  • 关键一步:把延迟相位并入开环相频再套判据
  • 中间结果:临界延迟由相频等于负180度且幅值为1确定
  • 卡点:相位计算中角度与弧度换算容易出错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 延迟环节 e^{-τs} 的幅值为 1、相位为 -τω,只恶化相位
  • 延迟会显著缩小稳定域,τ 越大越难稳定
  • 频域判据需用相位裕度扣除延迟引起的附加滞后
步骤
  • 写出含延迟的开环传递函数
  • 分别求幅值与相位表达式
  • 在相频特性中扣除 τω 的滞后量
  • 按稳定裕度或奈氏判据求临界 τ 或临界 K
通用考法
  • 本卷考过求纯延迟环节下使闭环稳定的延迟范围
  • 求使系统稳定的最大延迟时间
  • 求含延迟系统的临界开环增益
  • 分析延迟对稳定裕度的影响
常见易错
  • 把延迟环节当成惯性环节处理
  • 相位计算时忘记角度与弧度换算
公式
本卷考法
  • 概略绘制纯延迟加积分环节的奈氏图(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:分别求ω趋于0与无穷时的幅值与相位
  • 中间结果:纯延迟只改变相位、不改变幅频
  • 卡点:延迟环节的幅值为1容易被漏写
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
  • 本卷考过概略绘制纯延迟加积分环节的奈氏图(第1问)
  • 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

77、超前校正前后的对数幅频与相角裕度#

思路
  • 分别画校正装置、校正前与校正后开环伯德图,求相角裕度并说明超前校正作用。
本卷考法
  • 绘制校正装置与校正前后开环对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:由各环节转折频率逐段叠加斜率
  • 中间结果:校正装置在高低频段的幅值变化决定其类型
  • 卡点:斜率变化与转折频率对应关系容易出错
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
  • 本卷考过绘制校正装置与校正前后开环对数幅频特性
  • 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
  • 计算校正前后系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:分别在两个截止频率处求相位
  • 中间结果:相角裕度为180度加截止频率处相位
  • 卡点:校正前后截止频率不同要分别求解
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
  • 本卷考过计算校正前后系统的相角裕度
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 说明超前校正对系统动态性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:由校正装置零极点位置判断相位超前
  • 中间结果:超前校正抬高中频段相位、提高相角裕度
  • 卡点:超前校正提高带宽的同时会放大高频噪声
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对系统动态性能的影响
  • 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

88、离散系统斜坡输入的稳态误差#

思路
  • 由结构图写开环脉冲传函与误差脉冲传函,用终值定理求斜坡输入下的稳态误差。
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统在组合输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先求误差脉冲传函再作z趋于1的极限
  • 中间结果:稳态误差取决于系统型别与输入信号阶次
  • 卡点:z域稳定判据不是实部小于零
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在组合输入下的稳态误差
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散控制系统的开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按采样开关位置对连续部分作z变换
  • 中间结果:开环脉冲传函为各环节z变换之积
  • 卡点:零阶保持器不能漏计入G(z)
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
  • 本卷考过求离散控制系统的开环脉冲传递函数
  • 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

99、描述函数法分析自振与线性部分K范围#

思路
  • 由描述函数写负倒特性,分析其与线性部分曲线的交点,求自振条件、振幅与频率。
本卷考法
  • 用描述函数法求自振时线性部分的K范围与极限环参数
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分与负倒描述函数相等并分离实虚部
  • 中间结果:交点对应自振频率与振幅
  • 卡点:负倒描述函数的A增大方向必须标清
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
  • 本卷考过用描述函数法求自振时线性部分的K范围与极限环参数
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定非线性表达式求描述函数与负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:把非线性特性代入描述函数定义式
  • 中间结果:负倒描述函数随振幅单调变化
  • 卡点:描述函数法只取一次谐波近似
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过由给定非线性表达式求描述函数与负倒描述函数
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式

1010、由状态方程求传函与状态转移矩阵#

思路
  • 先由矩阵指数求状态转移矩阵,再按C(sI-A)的逆B求传递函数。
本卷考法
  • 由状态空间表达式求系统传递函数(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:按C(sI-A)的逆B计算并约简
  • 中间结果:传函极点由A的特征值决定
  • 卡点:直接传递项D容易漏掉
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系统传递函数(第1问)
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求系统的状态转移矩阵(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:对(sI-A)求逆后逐项作拉氏反变换
  • 中间结果:转移矩阵各元素由A的特征值对应的时间函数组成
  • 卡点:矩阵求逆前要确认行列式不为零
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
  • 本卷考过求系统的状态转移矩阵(第2问)
  • 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

1111、由微分方程建状态空间并判能控能观#

思路
  • 按相变量法选取状态变量建立状态空间表达式,再分别写能控性与能观性矩阵判秩。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由二阶微分方程建立状态空间表达式(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:按输出及其各阶导数选取状态变量
  • 中间结果:友矩阵形式的系数由原微分方程系数决定
  • 卡点:状态变量个数要与系统阶数一致
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
  • 本卷考过由二阶微分方程建立状态空间表达式(第1问)
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统的能控性与能观性(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控性矩阵与能观性矩阵求秩
  • 中间结果:两个矩阵都满秩时系统既可控又可观
  • 卡点:能控性判据与能观性判据的矩阵容易写反
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
  • 本卷考过判断系统的能控性与能观性(第2问)
  • 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

1212、状态反馈极点配置#

思路
  • 先把传函写成能控标准型,再设状态反馈增益阵,由期望特征多项式比较系数求K。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈把闭环极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:令A-bK的特征多项式等于期望多项式
  • 中间结果:反馈增益由多项式系数一一对应求出
  • 卡点:配置前未验证能控性就直接设增益
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
  • 本卷考过设计状态反馈把闭环极点配置到指定位置
  • 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
本卷考法
  • 由传递函数写能控标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:把传函分母系数反号填入友矩阵
  • 中间结果:能控标准型的A、B由分母系数确定
  • 卡点:真分式化分时直接项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能控标准型实现
  • 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