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浙江工业大学 828 自动控制理论(含现控) 2017 年真题思维导图

强势双非共 14 题

难度:中等 14题覆盖简答、填空与计算证明三大类,频域、离散与状态空间题占比较高;含图题多,部分公式在逐年源中 OCR 残缺,需两源交叉还原

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1传递函数定义与典型输入响应关系#

思路
  • 由零初始条件定义传函,再由拉氏变换关系说明输出
本卷考法
  • 叙述传递函数的定义及其物理含义
本卷实例
  • 关键一步:强调零初始条件下输出与输入拉氏变换之比
  • 中间结果:传函只由系统结构与参数决定,与输入无关
  • 卡点:忽略零初始条件这一前提
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过叙述传递函数的定义及其物理含义
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
公式
典型输入信号 基本概念与信号
本卷考法
  • 说明典型输入信号与输出响应之间的变换关系
本卷实例
  • 关键一步:分别写出阶跃、斜坡与加速度输入的拉氏变换
  • 中间结果:输出响应对应传函与输入拉氏变换的乘积
  • 卡点:把加速度输入的拉氏变换幂次写错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 常用典型输入有冲激、阶跃、斜坡、抛物线(加速度)与正弦五类
  • 阶跃信号用于考查快速性与稳定性,斜坡与抛物线用于考查稳态精度
  • 正弦信号用于频域分析,冲激响应就是系统的传递函数
  • 各典型信号的拉氏变换是分析全响应的起点
步骤
  • 按题意写出输入信号的时域表达式
  • 对输入取拉氏变换得到该信号的复域形式
  • 由输入类型判断考查的是动态性能还是稳态精度
  • 把输入代入误差或响应公式计算
通用考法
  • 本卷考过说明典型输入信号与输出响应之间的变换关系
  • 写出典型输入信号的拉氏变换
  • 说明某一典型输入信号用于考查哪类性能
  • 由输入类型判断稳态误差是否为有限值
常见易错
  • 把斜坡与抛物线信号的阶次写错
  • 阶跃的拉氏变换漏掉系数(幅度不为 1 时)
公式

2串联超前校正的实质与影响#

思路
  • 用超前网络提供的正相角补偿原系统的滞后相角
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 说明串联超前校正的实质及对系统性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:超前网络在中频段提供正相角
  • 中间结果:相角裕度与截止频率提高,响应加快
  • 卡点:只答稳定性改善,漏答动态性能变化
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
  • 本卷考过说明串联超前校正的实质及对系统性能的影响
  • 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

3采样信号表达式与采样定理#

思路
  • 写出冲激采样表达式,再由采样定理确定周期上限
本卷考法
  • 写出采样信号的数学表达式并说明采样定理
本卷实例
  • 关键一步:采样信号表示为冲激序列与连续信号的乘积
  • 中间结果:采样频率须不小于信号最高频率的二倍
  • 卡点:把采样定理中的二倍关系写成相等
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 采样把连续信号变成脉冲序列,采样周期 T 是关键参数
  • 采样定理要求采样频率不低于信号最高频率的两倍
  • 采样频率不足会产生频率混叠
  • 零阶保持器把离散信号恢复为连续信号,并引入半个采样周期的延迟
步骤
  • 确定信号最高频率或系统带宽
  • 按采样定理确定采样频率与采样周期上限
  • 必要时加入前置滤波器抑制混叠
通用考法
  • 本卷考过写出采样信号的数学表达式并说明采样定理
  • 由信号最高频率确定采样周期
  • 判断给定采样频率是否满足采样定理
  • 说明零阶保持器的频率特性
常见易错
  • 把采样定理写成采样周期不大于信号周期即可
  • 忽略零阶保持器带来的相位滞后
公式
信号采样与频谱的基本概念 基本概念与信号
本卷考法
  • 说明如何根据信号最高频率选取采样周期
本卷实例
  • 关键一步:由最高频率确定采样频率下限
  • 中间结果:采样周期上限等于采样频率下限的倒数
  • 卡点:把最高频率与频谱延拓周期混为一谈
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 周期信号可展开为傅里叶级数,各次谐波的幅值构成频谱
  • 冲激采样信号的频谱是原信号频谱的周期延拓
  • 频谱延拓的周期由采样频率决定,不重叠才能由理想低通恢复原信号
  • 恢复用的理想低通截止频率取在采样频率的一半处
步骤
  • 先求连续信号的频谱或按给定波形求谐波幅值
  • 按采样频率写出延拓后频谱的周期与各次副本的位置
  • 检查最高频率是否小于采样频率的一半,判断能否无失真恢复
  • 需要恢复时选取截止频率与增益合适的理想低通滤波器
通用考法
  • 本卷考过说明如何根据信号最高频率选取采样周期
  • 由采样频率判断给定信号能否无失真恢复
  • 写出冲激采样后信号的频谱表达式
  • 确定恢复滤波器的截止频率
常见易错
  • 把采样定理里的两倍关系记成相等,或漏掉两倍
  • 把最高频率与频谱延拓的周期混为一谈
公式

4一阶系统单位阶跃响应#

思路
  • 把阶跃输入拉氏变换与一阶传函相乘后反变换
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 求一阶系统在单位阶跃输入下的响应表达式
本卷实例
  • 关键一步:将一减指数形式的传函与输入拉氏变换相乘
  • 中间结果:部分分式展开后作拉氏反变换
  • 卡点:把开环传函误当作闭环传函使用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过求一阶系统在单位阶跃输入下的响应表达式
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式

5劳斯判据数右半平面特征根#

思路
  • 列闭环特征方程,由劳斯表首列变号次数得根数
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯表判断右半平面闭环特征根的个数
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函写出闭环特征方程并降幂排列
  • 中间结果:劳斯表首列符号改变次数等于右半平面根数
  • 卡点:系数缺项时不补零就直接列表
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
  • 本卷考过用劳斯表判断右半平面闭环特征根的个数
  • 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

6前馈补偿使扰动影响最小#

思路
  • 列扰动到输出的传递函数,令其分子为零求参数
本卷考法
  • 求使阶跃扰动对输出影响最小的前馈参数
本卷实例
  • 关键一步:分别写扰动通道与前馈通道到输出的传函
  • 中间结果:令扰动到输出传函的分子为零解参数
  • 卡点:只处理扰动项,未说明对给定信号的影响
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
  • 本卷考过求使阶跃扰动对输出影响最小的前馈参数
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 说明前馈补偿在复合控制系统中的作用
本卷实例
  • 关键一步:前馈按扰动测量直接补偿,不进入闭环特征方程
  • 中间结果:补偿后扰动项被对消,闭环稳定性不受影响
  • 卡点:把前馈补偿与反馈校正的结构混同
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过说明前馈补偿在复合控制系统中的作用
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式

7开环增益与转折频率#

思路
  • 把开环传函化为尾一标准型后读取增益与转折频率
本卷考法
  • 由开环传递函数求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:先化成尾一标准型再读常数项
  • 中间结果:开环增益与根轨迹增益不是同一个量
  • 卡点:把首一标准型的根轨迹增益当成开环增益
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
  • 本卷考过由开环传递函数求开环增益
  • 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
  • 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
  • 由开环传递函数求各转折频率
本卷实例
  • 关键一步:把每个一阶因子写成时间常数标准形式
  • 中间结果:时间常数的倒数即为对应转折频率
  • 卡点:把转折频率与时间常数直接等同
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过由开环传递函数求各转折频率
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式

8奈氏曲线负实轴穿越次数#

思路
  • 令相角为负一百八十度求交点,再数穿越负实轴的次数
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环传函求奈氏曲线对负实轴的穿越次数
本卷实例
  • 关键一步:将 s 换成 jω 后令虚部为零求交点
  • 中间结果:完整曲线关于实轴对称,穿越次数要乘二
  • 卡点:开环含积分环节时未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
  • 本卷考过由开环传函求奈氏曲线对负实轴的穿越次数
  • 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

9数字控制系统的z传递函数#

思路
  • 按采样开关位置对连续部分与零阶保持器求 z 变换
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的数字控制系统 z 传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先写连续部分与零阶保持器串联的传函
  • 中间结果:利用 z 变换的滞后性质处理保持器因子
  • 卡点:采样开关位置判断错误导致变换对象不对
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
  • 本卷考过求含零阶保持器的数字控制系统 z 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

10闭环系统正弦输入的稳态误差#

思路
  • 由误差传函的频率特性求同频正弦稳态误差
本卷考法
  • 写出闭环系统误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由结构图求以参考输入为输入的误差传函
  • 中间结果:误差传函分母与闭环特征多项式一致
  • 卡点:求扰动误差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
  • 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
  • 本卷考过写出闭环系统误差传递函数
  • 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
  • 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
  • 用频率特性求正弦输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把误差传函中的 s 换成 jω
  • 中间结果:由幅频与相频写出同频正弦误差
  • 卡点:把频率特性的幅值比与相角差用反
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
  • 本卷考过用频率特性求正弦输入下的稳态误差
  • 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

11参数T的稳定范围与稳态误差#

思路
  • 列闭环特征式用劳斯判据求T下界,再按型别求误差
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求使闭环系统稳定的参数T取值范围
本卷实例
  • 关键一步:写出含T的闭环特征多项式并列出劳斯表
  • 中间结果:由首列同号解出T的下界
  • 卡点:漏掉某个首列元素的不等式
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
  • 本卷考过求使闭环系统稳定的参数T取值范围
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 求系统在阶跃、斜坡与加速度输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再按系统型别确定各误差系数
  • 中间结果:阶跃与斜坡误差为零,加速度误差与T成正比
  • 卡点:未判稳就直接代入终值定理
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
  • 本卷考过求系统在阶跃、斜坡与加速度输入下的稳态误差
  • 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

12由Bode图反求传函与裕度#

思路
  • 由低频斜率与转折处斜率变化定型,再求截止频率和裕度
本卷考法
  • 由最小相位系统对数渐近线反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:低频段斜率确定积分环节个数
  • 中间结果:转折频率处斜率变化量对应典型环节
  • 卡点:把各转折频率处的斜率变化累加错
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
  • 本卷考过由最小相位系统对数渐近线反求传递函数
  • 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
  • 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
  • 求校正后系统的截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:截止频率处开环幅值等于一
  • 中间结果:相角裕度等于相角加一百八十度
  • 卡点:截止频率与相角穿越频率用反
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
  • 本卷考过求校正后系统的截止频率与相角裕度
  • 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

13描述函数法分析自持振荡#

思路
  • 画负倒描述函数与线性部分曲线,按交点判自振
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出理想继电特性的负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:由描述函数定义求输出基波幅值
  • 中间结果:负倒描述函数与输入振幅成正比
  • 卡点:描述函数积分区间取错导致系数写错
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
  • 本卷考过写出理想继电特性的负倒描述函数
  • 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
本卷考法
  • 分析非线性系统自持振荡的稳定性与参数
本卷实例
  • 关键一步:在同一复平面画两条曲线并找交点
  • 中间结果:按穿越方向判断自振稳定与否
  • 卡点:把自振频率与交点频率的对应关系弄错
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
  • 本卷考过分析非线性系统自持振荡的稳定性与参数
  • 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

14状态空间模型的稳定性与能控能观#

思路
  • 由特征方程判稳,再分别构造能控与能观矩阵求秩
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断线性定常系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控性矩阵与能观性矩阵
  • 中间结果:两个判别矩阵均满秩则系统完全能控能观
  • 卡点:把能控矩阵与能观矩阵的构造方式搞混
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
  • 本卷考过判断线性定常系统的能控性与能观性
  • 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
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状态空间模型稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由 det(sI−A)=0 求系统特征方程
  • 中间结果:特征根实部全为负则系统渐近稳定
  • 卡点:只检查特征方程系数符号就下结论
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状态空间模型稳定性
  • 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