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天津工业大学 811 自动控制理论(含现控) 2017 年真题思维导图

强势双非共 8 题

难度:中等 全卷正文印一至八共8题,其中第二题注明考纲不要求离散系统、本题不做要求,仅保留题号存目;实际展开7题:结构图化简求传函、单位负反馈稳态误差、根轨迹绘制、幅相曲线与奈奎斯特判稳、三种串联校正作用比较、饱和非线性描述函数法、状态反馈极点配置。经典与现代控制并重,含图题较多,源文未印分值。

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1一、结构图化简求 C(s)/R(s)(原卷有图)#

思路
  • 由系统结构图用结构图化简或梅森增益公式求闭环传递函数 C(s)/R(s),并画出化简过程。题面以图给出。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 对多回路结构图从内环向外逐层等效化简
本卷实例
  • 关键一步:按反馈等效公式先化最内环、再逐层向外合并
  • 中间结果:每化简一层回路数递减,直到留下单个闭环
  • 卡点:反馈极性决定分母取 1±GH,接法需回原卷核对图
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
  • 本卷考过对多回路结构图从内环向外逐层等效化简
  • 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
  • 本卷考过内环化简时误把外环信号当成常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
本卷考法
  • 用梅森增益公式列回路与前向通路求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:画信号流图标出全部回路与前向通路
  • 中间结果:特征式与各前向通路的余子式相乘再求和
  • 卡点:不接触回路判定依赖结构,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列回路与前向通路求闭环传函
  • 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漏找、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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 用串联、并联与反馈等效逐步化简结构图
本卷实例
  • 关键一步:串联环节相乘、并联环节相加、反馈按闭环公式合并
  • 中间结果:化简过程要逐层保留中间框图
  • 卡点:比较点与引出点移动方向易错,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 串联环节相乘,并联环节相加(同向)或相减(反向)
  • 负反馈等效为 G/(1+GH),正反馈为 G/(1-GH)
  • 反馈等效的前提是单回路、无交叉
步骤
  • 识别环节之间的连接方式
  • 分别套用串联、并联或反馈等效公式
  • 逐层化简直到只剩一个等效环节
通用考法
  • 本卷考过用串联、并联与反馈等效逐步化简结构图
  • 多环节系统求闭环传递函数
  • 判断反馈极性对分母符号的影响
常见易错
  • 本卷考过负反馈的闭环分母误写成 1 减 GH
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式

2二、误差采样的离散系统求误差(考纲不要求·仅存目)#

思路
  • 已知误差采样的单位反馈离散系统,采样周期 T=1s、开环传函 G(s)=22.57/[s²(s+1)],求误差。源文明写考纲不要求离散系统、本题不做要求,本导图按刻意不展开处理,仅保留题号存目与一个说明性考点。
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 离散系统采样输入下的稳态误差(源文明写考纲不要求,仅存目)
本卷实例
  • 关键一步:离散系统须先求脉冲传递函数并判稳,再谈稳态误差
  • 中间结果:源文自注考纲不要求、本题不做要求,本导图仅存题号不展开
  • 卡点:若按题意求解,需先由 G(s) 求 G(z),步骤见备注
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
  • 本卷考过离散系统采样输入下的稳态误差(源文明写考纲不要求,仅存目)
  • 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
  • 本卷考过直接用 s 域误差系数公式处理离散系统
  • 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

3三、系统型别判断与抛物线输入稳态误差#

思路
  • 单位负反馈开环传函含两个积分环节与一个二阶振荡环节;先判稳,再定系统型别与静态加速度误差系数,求 r(t)=t² 时的稳态误差。
本卷考法
  • 由开环传函数积分环节定系统型别并求加速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:数开环积分环节个数定型别,再令 s 趋于 0 求误差系数
  • 中间结果:型别由开环 s 的幂次决定,加速度系数取相应极限
  • 卡点:二阶振荡环节在 s 趋于 0 时取 1,不要当成积分环节
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 型别 v 由开环传递函数中积分环节的个数决定
  • 0 型有位置误差、Ⅰ型有速度误差、Ⅱ型有加速度误差
  • 静态误差系数只与开环传递函数有关
步骤
  • 把开环传递函数写成分式,数出 s 的幂次即型别
  • 按型别选择对应的静态误差系数公式
  • 代入求值
通用考法
  • 本卷考过由开环传函数积分环节定系统型别并求加速度误差系数
  • 判断系统型别
  • 求静态位置、速度、加速度误差系数
  • 分析增加积分环节对精度的影响
常见易错
  • 本卷考过把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 数错积分环节个数导致型别判错
公式
本卷考法
  • 求抛物线输入 r(t)=t² 下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再用输入幅值与对应静态误差系数之比求误差
  • 中间结果:t² 对应加速度误差系数,输入幅值不为 1 时别漏系数
  • 卡点:组合输入漏分量;系统不稳定时谈稳态误差无意义
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
  • 本卷考过求抛物线输入 r(t)=t² 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
  • 本卷考过未判稳就直接使用终值定理
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判断该四阶系统是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表看首列元素是否同号
  • 中间结果:闭环特征多项式由开环分母加开环分子构成
  • 卡点:首列出现零时需用 ε 法继续判定
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该四阶系统是否稳定
  • 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
  • 本卷考过系数有缺项时不补零就直接套用判据
  • 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

4四、根轨迹绘制#

思路
  • 开环传函 G(s)=K/[s(0.2s+1)(0.5s+1)],按根轨迹绘制法则画根轨迹草图,含实轴段、渐近线、分离点与虚轴交点。
本卷考法
  • 按法则绘制三阶系统根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:先化成根轨迹增益形式,再数实轴段并求渐近线
  • 中间结果:三阶系统有三条渐近线,交点为极点和减零点和
  • 卡点:渐近线夹角按 (2k+1)π/(n−m) 取
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
  • 本卷考过按法则绘制三阶系统根轨迹草图
  • 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
  • 本卷考过实轴根轨迹段的奇偶判据写反
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹在实轴上的分离点
本卷实例
  • 关键一步:由开环极点列分离点方程,令 dK/ds 等于 0
  • 中间结果:求出根后舍去不在根轨迹上的解
  • 卡点:分离点处增益还要用幅值条件核对
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
  • 本卷考过求根轨迹在实轴上的分离点
  • 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
  • 本卷考过求出方程根后未按实轴段筛选
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 代入闭环特征方程或列劳斯表临界限
  • 中间结果:虚轴交点关于原点对称、对应同一临界增益
  • 卡点:交点增益用于确定稳定时 K 的范围
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹与虚轴的交点对应系统临界稳定
  • 可用劳斯判据令首列为零,或令 s=jω 代入特征方程求解
  • 交点处的 K 是使系统稳定的临界增益
步骤
  • 把 s=jω 代入闭环特征方程
  • 令实部与虚部分别为零,得到两个方程
  • 联立解出 ω 与 K
  • 结合实轴段信息确定根轨迹穿越方向
通用考法
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及临界增益
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 确定系统稳定时 K 的取值范围
  • 判断根轨迹穿越虚轴的方向
常见易错
  • 本卷考过只代一组 ω 就下结论,漏掉另一组交点
  • 只代一个 ω 就下结论,漏掉另一组交点
  • 得到 K 后没有回到原题核对参数定义
公式

5五、幅相曲线绘制与稳定性判断#

思路
  • 开环传函 G(s)=k/(Ts−1)(默认 T>0)含右半平面极点;画幅相特性曲线,并按 k 的不同取值用奈奎斯特判据判断闭环稳定性。
本卷考法
  • 画非最小相位开环系统 G(s)=k/(Ts−1) 的幅相曲线
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 分离实部虚部,定起点、终点与变化趋势
  • 中间结果:起点在负实轴 k 处,终点趋于原点
  • 卡点:相角从 −180° 单调增到 −90°,与最小相位系统不同
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
  • 本卷考过画非最小相位开环系统 G(s)=k/(Ts−1) 的幅相曲线
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉极点贡献的 −180°
  • 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
  • 用奈奎斯特判据判断该含右半平面极点系统的闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数 P,再数曲线包围 −1 点的圈数 N
  • 中间结果:由 Z=P−2N 判断闭环右极点数是否为 0
  • 卡点:包围圈数的正负与绕行方向容易取反
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断该含右半平面极点系统的闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数 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
  • 求使闭环稳定的开环增益 k 范围
本卷实例
  • 关键一步:按 k 大于 1、等于 1、介于 0 与 1 分段讨论包围情况
  • 中间结果:稳定域边界由曲线是否包围 −1 点决定
  • 卡点:P 不为 0 时稳定所需包围圈数随之改变
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
  • 本卷考过把临界稳定点漏掉或把稳定方向判反
  • 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

6六、三种串联校正装置的作用与比较(原卷有图)#

思路
  • 给定固定部分 G0(s) 与图a、b、c所示三种串联校正装置 Gc(s),分别求各系统开环传函,分析各校正装置的作用并比较优缺点。题面以图给出。
本卷考法
  • 说明串联校正的适用场合并比较三种校正装置的作用
本卷实例
  • 关键一步:由各 Gc(s) 的零极点位置判断超前、滞后或滞后-超前
  • 中间结果:装置类型决定其在频率轴上的作用频段
  • 卡点:各装置结构以图给出,具体传函需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过说明串联校正的适用场合并比较三种校正装置的作用
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 本卷考过只盯相角裕度而忽略带宽与实现性
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 分析超前校正抬高截止频率与相角裕度的作用
本卷实例
  • 关键一步:由零点位于极点左侧判断相位超前
  • 中间结果:超前校正提高中频段增益与相角裕度
  • 卡点:高频增益放大,抗噪声能力下降
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
  • 本卷考过分析超前校正抬高截止频率与相角裕度的作用
  • 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
  • 本卷考过补偿角漏算截止频率提高带来的相角损失
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 分析滞后校正以降低截止频率换取稳定裕度的作用
本卷实例
  • 关键一步:由极点靠近原点、零点远离原点判断相位滞后
  • 中间结果:滞后校正压低中高频增益、减小系统带宽
  • 卡点:截止频率下降会使响应速度变慢
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
  • 本卷考过分析滞后校正以降低截止频率换取稳定裕度的作用
  • 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
  • 本卷考过转折频率取得过高会抵消增益改善
  • 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
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 分析滞后-超前校正兼顾低频精度与中频裕度的作用
本卷实例
  • 关键一步:低频段按滞后、中频段按超前分别配置转折频率
  • 中间结果:同时改善稳态精度与动态性能
  • 卡点:设计顺序不当会导致参数反复调整
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 兼顾稳态精度与动态性能,适合指标要求较高的场合
  • 低频段用滞后部分提高增益,中高频段用超前部分提高裕度
  • 设计时先确定超前部分,再确定滞后部分
步骤
  • 按稳态精度要求确定开环增益
  • 选择新的截止频率并计算超前部分参数
  • 计算为把低频增益抬到要求值所需的滞后部分参数
  • 合并写出校正装置并校验
通用考法
  • 本卷考过分析滞后-超前校正兼顾低频精度与中频裕度的作用
  • 设计滞后-超前校正装置
  • 说明为何单一校正无法满足指标
  • 分析校正后系统的低频与高频特性
常见易错
  • 本卷考过两部分转折频率重叠互相削弱
  • 先设计滞后部分导致截止频率反复调整
  • 两部分的转折频率分布重叠,互相削弱
公式

7七、饱和非线性描述函数法分析振荡(原卷有图)#

思路
  • 含饱和非线性与线性部分的控制系统,G1(s)、G2(s) 分别给出;用描述函数法判断是否产生振荡,若产生则分别求振幅 A 与频率 ω。题面结构以图给出。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由饱和非线性特性写出描述函数 N(A)
本卷实例
  • 关键一步:按饱和非线性定义取输出一次谐波与输入之比得 N(A)
  • 中间结果:负倒描述函数为实数,随振幅 A 变化
  • 卡点:饱和特性以图给出,转折参数需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由饱和非线性特性写出描述函数 N(A)
  • 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
  • 本卷考过把描述函数当成频率的函数
  • 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
本卷考法
  • 用负倒描述函数与 G(jω) 的交点判断自振并求 A、ω
本卷实例
  • 关键一步:先令 G(jω) 虚部为零求自振频率,再与负倒描述函数联立求 A
  • 中间结果:交点处对应周期运动,按穿越方向判断稳定性
  • 卡点:G1、G2 与非线性环节的连接方式需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用负倒描述函数与 G(jω) 的交点判断自振并求 A、ω
  • 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
  • 本卷考过画成 N(A) 且未标注 A 增大方向
  • 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

8八、可控标准型与状态反馈极点配置#

思路
  • 已知 G(s)=20/(s³+4s²+3s),(1)写可控标准型动态方程;(2)设计反馈增益阵 K,使闭环极点配置在 −5、−2±j2。
本卷考法
  • 由传递函数写可控标准型动态方程
本卷实例
  • 关键一步:把分母 s³ 项系数归一后按能控标准型写 A、B
  • 中间结果:A 为友矩阵、末行取负的分母系数
  • 卡点:输出矩阵与状态变量顺序不匹配
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可控标准型动态方程
  • 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
  • 本卷考过友矩阵中分母系数符号写反
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈增益阵把闭环极点配置到 −5、−2±j2
本卷实例
  • 关键一步:写出含 K 的闭环特征多项式并与期望多项式比较系数
  • 中间结果:期望多项式由三个期望极点展开得到
  • 卡点:系数比对时符号容易写反
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
  • 本卷考过设计状态反馈增益阵把闭环极点配置到 −5、−2±j2
  • 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
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 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