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中国计量大学 801 自动控制原理(含现控) 2023 年真题思维导图

强势双非共 9 题合计 150 分

难度:中等 共 9 道大题:结构图化简梅逊公式、随动系统超调与速度反馈、三种开环传函的稳态误差、含零点三阶根轨迹、奈氏判据与相角裕度、串联校正类型辨识与稳定裕度、离散系统稳定性与阶跃响应序列、由结构图列状态空间并配置极点、状态空间传函与状态转移矩阵。多题依附原卷插图。

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1结构图化简与梅森公式求传递函数15 分#

思路
  • 数结构图独立回路与互不接触组合,写出特征式再用梅森公式求 C(s)/R(s)
本卷考法
  • 用结构图化简或梅森公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:数三个独立回路并找出互不接触组合
  • 中间结果:特征式为各回路增益之和加上互不接触回路乘积
  • 卡点:回路与不接触组合需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用结构图化简或梅森公式求闭环传函
  • 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找漏或重复计数
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路系统逐层化简求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:把每个局部反馈环先等效成单个环节
  • 中间结果:等效后剩余主通路串联相乘
  • 卡点:局部反馈的接入点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过多回路系统逐层化简求闭环传函
  • 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
  • 本卷考过化简内环时把外环的信号当成常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

2随动系统超调与速度反馈参数15 分#

思路
  • 由结构图写含速度反馈的闭环传函化成标准二阶,用超调量与调节时间反求增益与速度反馈系数,再算峰值时间与稳态误差
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与调节时间反求增益与速度反馈系数
本卷实例
  • 关键一步:由超调量定阻尼比,再由调节时间定自然频率
  • 中间结果:两式联立解出增益与速度反馈系数
  • 卡点:速度反馈只改变一次项系数不改变自然频率
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由超调量与调节时间反求增益与速度反馈系数
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 本卷考过只满足单项指标就下结论而未交叉验证
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
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
  • 由结构图写含速度反馈的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:列含局部速度反馈的闭环传函并整理成标准二阶
  • 中间结果:自然频率的平方等于开环增益
  • 卡点:速度反馈接入点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由结构图写含速度反馈的闭环传函
  • 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
  • 本卷考过化为标准形式时忘记把二次项系数归一化
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由解出的阻尼比与自然频率求峰值时间
本卷实例
  • 关键一步:把解得的两个参数代进峰值时间公式
  • 中间结果:峰值时间随阻尼比增大而缩短
  • 卡点:要先用已求参数回代验证指标是否满足
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
  • 本卷考过由解出的阻尼比与自然频率求峰值时间
  • 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
  • 本卷考过峰值时间与上升时间混用
  • 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
  • 求单位阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由误差传函在原点附近的值判断系统型别
  • 中间结果:一型系统对单位阶跃可实现零静差
  • 卡点:需先确认闭环特征根均在左半平面
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过未说明系统型别就套用误差公式
  • 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

3系统型别判别与多输入稳态误差15 分#

思路
  • 对三种开环传函分别判稳、数积分环节定型别,再由静态误差系数按输入分量求稳态误差
本卷考法
  • 判断三种开环传函的型别并求静态误差系数
本卷实例
  • 关键一步:分别数三个开环传函的积分环节个数定型别
  • 中间结果:零型位置误差有限,一型速度误差有限,二型加速度误差有限
  • 卡点:三个小题要分别判稳后再定误差
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
  • 本卷考过判断三种开环传函的型别并求静态误差系数
  • 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
  • 本卷考过数错积分环节个数导致型别判错
  • 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
  • 求组合输入信号下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:按阶跃、斜坡、加速度分量分别求误差再叠加
  • 中间结果:各分量误差由对应静态误差系数决定
  • 卡点:对高阶输入的误差为无穷,须如实说明
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
  • 本卷考过求组合输入信号下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过输入为组合信号时漏掉某一分量
  • 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
  • 用劳斯判据判断各系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:对三种情形的闭环特征方程分别排劳斯表
  • 中间结果:首列全大于零即为稳定
  • 卡点:二阶与四阶情形要分别判断
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各系统稳定性
  • 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根轨迹绘制、稳定k范围与闭环传函15 分#

思路
  • 按根轨迹法则画含零点三阶系统草图,求分离点与虚轴交点定稳定参数范围,再由已知闭环极点反求增益并写闭环传函
本卷考法
  • 按法则绘制含零点三阶系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:定开环零极点、实轴段与渐近线
  • 中间结果:两条渐近线交于负五,夹角为正负九十度
  • 卡点:开环零点在一处使实轴段延伸到该点
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含零点三阶系统根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹的分离点
本卷实例
  • 关键一步:按分离点条件列方程并化简
  • 中间结果:分离点为一元二次方程的一个实根
  • 卡点:另一根落在根轨迹外应舍弃
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不筛选,保留了不在根轨迹上的解
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及稳定参数范围
本卷实例
  • 关键一步:令复变量取纯虚数代入闭环特征式
  • 中间结果:实虚部同时为零解出振荡频率与临界增益
  • 卡点:稳定范围用参数 k 表示并与分离点区间一致
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稳定参数范围
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论,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
本卷考法
  • 由已知根轨迹点用幅值条件反求参数
本卷实例
  • 关键一步:把已知闭环极点代入特征方程定出参数
  • 中间结果:再由求得的参数写出闭环传函
  • 卡点:已知极点应当确实落在根轨迹上
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹是开环某一参数由 0 变到无穷时闭环极点在 s 平面上的移动轨迹
  • 同时满足相角条件与幅值条件的 s 才是根轨迹上的点
  • 相角条件决定根轨迹的形状,幅值条件决定对应的参数值
  • 常规根轨迹以开环增益 K 为可变参数
步骤
  • 写出以 K 为参变量的闭环特征方程
  • 整理成 1+KG₀(s)=0 的标准形式
  • 用相角条件判断某点是否在根轨迹上
通用考法
  • 本卷考过由已知根轨迹点用幅值条件反求参数
  • 判断给定点是否在根轨迹上
  • 由幅值条件求该点对应的 K
  • 说明相角条件与幅值条件各自的作用
常见易错
  • 本卷考过把相角条件的一百八十度写成零度
  • 把相角条件的 180° 写成 0°(正反馈时才用 0°)
  • 用幅值条件判点,搞混两个条件的用途
公式

5奈氏判据、稳态误差与相角裕度15 分#

思路
  • 画开环幅相曲线用奈氏判据判稳,由稳态误差要求反求开环增益,再算该增益下的相角裕度
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈氏判据判断系统闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:画开环幅相曲线并数包围临界点圈数
  • 中间结果:开环无右半平面极点且不包围临界点即稳定
  • 卡点:需先补全积分环节对应的无穷大圆弧
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
  • 本卷考过用奈氏判据判断系统闭环稳定性
  • 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
  • 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
  • 由稳态误差要求反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:按一型系统写速度误差系数表达式
  • 中间结果:令速度误差等于给定值反解开环增益
  • 卡点:求得的增益还要回代确认闭环稳定
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
  • 本卷考过由稳态误差要求反求开环增益
  • 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
  • 本卷考过把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由增益与开环传函求相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅值条件解剪切频率
  • 中间结果:把剪切频率代入相频表达式得相角裕度
  • 卡点:相角裕度为正说明系统稳定
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
  • 本卷考过由增益与开环传函求相角裕度
  • 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
  • 本卷考过把剪切频率与相位穿越频率这两个频率用反
  • 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

6串联校正类型辨识与稳定裕度15 分#

思路
  • 由校正装置对数幅频曲线的转折频率判断串联校正类型并反写其传函,再求校正后系统稳定增益范围与两个裕度
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正装置特性判断串联校正类型
本卷实例
  • 关键一步:由校正装置三个转折频率判断为滞后超前校正
  • 中间结果:校正装置低频增益为一,兼有滞后段与超前段
  • 卡点:校正曲线以原卷图为依据,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由校正装置特性判断串联校正类型
  • 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
  • 本卷考过把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 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
本卷考法
  • 由校正装置对数幅频特性反写校正传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由转折频率与斜率变化逐段写出校正传函
  • 中间结果:校正装置含两个零点与两个极点
  • 卡点:两段转折频率的大小次序决定零极点配对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 期望特性法直接按指标画出希望的开环对数幅频特性
  • 用期望特性减去未校正特性得到校正装置特性
  • 关键是确定低频段高度、中频段宽度与高频段斜率
  • 中频段斜率一般取 -20 dB/dec 并保持足够宽度
步骤
  • 按稳态要求确定低频段斜率与高度
  • 按相角裕度要求确定中频段宽度与截止频率
  • 按抗噪要求确定高频段斜率
  • 相减求得校正装置并检验可实现性
通用考法
  • 本卷考过由校正装置对数幅频特性反写校正传递函数
  • 用期望特性法设计校正装置
  • 说明中频段宽度与相角裕度的关系
  • 由校正装置特性反写传递函数
常见易错
  • 本卷考过相减后得到的特性不可物理实现却未检查
  • 期望特性的中频段取窄导致裕度不足
  • 相减后得到的特性不可物理实现却未检查
公式
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求校正后系统稳定的开环增益范围
本卷实例
  • 关键一步:列校正后系统闭环特征方程排劳斯表
  • 中间结果:首列全大于零给出增益上界
  • 卡点:增益上界对应临界稳定,端点是否含要说明
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
  • 本卷考过求校正后系统稳定的开环增益范围
  • 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
  • 本卷考过只列出部分首列元素的不等式,漏掉某个约束
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正后系统的相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:分别由幅值条件与相角条件求两个频率
  • 中间结果:相角裕度由剪切频率处的相角补足得到
  • 卡点:两个裕度对应的频率要分别说明
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相角裕度与幅值裕度
  • 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
  • 本卷考过幅值裕度取倒数未取,导致结论反了
  • 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

7离散系统稳定性、稳态误差与阶跃响应序列20 分#

思路
  • 求含零阶保持器的开环脉冲传函,列 z 域特征方程判稳,用终值定理求斜坡稳态误差,再由长除法求阶跃响应序列
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:零阶保持器与连续部分合并后做 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函分母为两个一阶因式之积
  • 卡点:采样周期零点五秒要代入指数项
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开环脉冲传函
  • 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
  • 本卷考过把没有采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 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
  • 判断离散系统稳定性并求极点模
本卷实例
  • 关键一步:列 z 域特征方程并求其根
  • 中间结果:共轭根的模小于一说明系统稳定
  • 卡点:不能只看根的实部符号
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
  • 本卷考过判断离散系统稳定性并求极点模
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于一
  • 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
  • 求离散系统斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由 z 域误差传函用终值定理求误差
  • 中间结果:一型离散系统的速度误差系数由极限给出
  • 卡点:须先确认系统稳定才能用终值定理
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斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过直接用 s 域静态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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环脉冲传函用长除法求阶跃响应序列
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函按 z 的幂次长除展开
  • 中间结果:各次幂系数即为各采样时刻的输出值
  • 卡点:序列项数要与题目要求一致
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过由闭环脉冲传函用长除法求阶跃响应序列
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 本卷考过部分分式分解时漏项导致反变换出错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式

8由结构图列状态空间、判稳与极点配置20 分#

思路
  • 按结构图积分器输出选状态变量列状态空间表达式,由特征值判稳,再经能控性判别后配置状态反馈极点
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:取两个积分器输出为状态变量列一阶方程组
  • 中间结果:状态矩阵由两条反馈通道系数构成
  • 卡点:结构图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
  • 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
  • 本卷考过输出方程中漏掉直接传递项
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态矩阵特征值判断系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵特征方程得到一对共轭特征值
  • 中间结果:特征值实部为负说明系统稳定
  • 卡点:本题按特征值判稳,不是二次型方法
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
  • 本卷考过由状态矩阵特征值判断系统稳定性
  • 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
  • 本卷考过只判断李雅普诺夫函数正定就下结论
  • 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
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给定共轭对
本卷实例
  • 关键一步:先判能控再由期望共轭极点写目标特征式
  • 中间结果:令含增益的闭环特征式与目标式系数相等
  • 卡点:共轭极点使目标特征式为实系数二次式
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给定共轭对
  • 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

9状态空间传函、能控能观与状态转移矩阵20 分#

思路
  • 由状态空间表达式求传递函数,构造判别矩阵判断能控能观,再求状态转移矩阵
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用输出阵乘复变量单位阵减状态阵的逆再乘输入阵
  • 中间结果:分母为状态矩阵的特征多项式
  • 卡点:传递函数可能发生零极点对消
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
  • 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
  • 本卷考过漏掉输出方程中的直接传递项
  • 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
  • 判断给定二阶系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控与能观判别矩阵并求秩
  • 中间结果:秩等于系统阶数即完全能控完全能观
  • 卡点:两个判别矩阵构造顺序相反
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
  • 本卷考过判断给定二阶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
  • 本卷考过只算到低阶判别矩阵就下结论
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:求复变量单位阵减状态阵的逆再做拉氏反变换
  • 中间结果:转移矩阵各元素为两个指数函数之和
  • 卡点:特征值一正一负,指数项要分别对应
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
  • 本卷考过求状态转移矩阵
  • 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
  • 本卷考过矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 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