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安徽大学 831 控制原理 2024 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等偏难 全卷十题各15分:运放电路与结构图求传函、三阶根轨迹与主导极点动态指标、开环含右半平面极点的奈氏判据与正弦稳态误差、期望特性法串联校正、采样系统脉冲传函与输出、前馈补偿器设计、状态方程约当/对角化、能观性判别与分解、能控标准型与状态反馈极点配置。题面含电路图、结构图与采样结构图等多张插图,第4、6、10题逐年OCR有损,据宝典2024段补全。

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1一、运放电路求传递函数#

思路
  • 由含运放的电路图,用虚短虚断列KCL方程消去中间电压,整理成s多项式之比。
本卷考法
  • 由含运算放大器的电路图求传递函数 G(s)=Vo(s)/Vi(s)
本卷实例
  • 关键一步:对运放输入节点与中间节点写KCL,借虚短虚断减少未知量
  • 中间结果:消元后分子分母均为s多项式,系数由RC乘积组合而成
  • 卡点:电路仅以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由含运算放大器的电路图求传递函数 G(s)=Vo(s)/Vi(s)
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 有源网络建模,按复阻抗列写运算电路方程
本卷实例
  • 关键一步:把电容写成1/(sC)后按复阻抗分压与节点法列式
  • 中间结果:整理后得到s的二次有理式,含两个RC时间常数乘积
  • 卡点:反相端与虚地条件易漏,负号方向要统一
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过有源网络建模,按复阻抗列写运算电路方程
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式

2二、结构图求闭环传递函数#

思路
  • 先把结构图改画成信号流图,用梅森公式求C(s)/R(s),或按串并联与局部反馈逐层化简。
本卷考法
  • 由结构图先画信号流图再用梅森增益公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:标出全部回路与前向通路,判断哪些回路互不接触
  • 中间结果:特征式为1减各回路增益之和再加两两不接触回路乘积
  • 卡点:结构图以图给出,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
  • 本卷考过由结构图先画信号流图再用梅森增益公式求闭环传函
  • 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
  • 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
  • 含局部反馈的多环节结构图逐层化简
本卷实例
  • 关键一步:先合并串并联支路与内环,再套总反馈公式
  • 中间结果:闭环分母为1±开环传函,分子为前向通路乘积
  • 卡点:反馈极性决定分母正负号,别整体取反
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
  • 本卷考过含局部反馈的多环节结构图逐层化简
  • 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
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式

3三、根轨迹与主导极点动态指标#

思路
  • 按法则画三阶根轨迹,由分离点与虚轴交点定衰减振荡K范围;再令阻尼比0.5求主导极点估指标。
本卷考法
  • 按法则绘制 G=k/[s(s+1)(s+2)] 的三阶根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出三个开环极点,实轴段取右侧零极点个数之和为奇数处
  • 中间结果:三条渐近线交于实部均值,夹角为±60°与180°
  • 卡点:渐近线夹角分子为2k+1,别写成2k
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 G=k/[s(s+1)(s+2)] 的三阶根轨迹
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹分离点及其对应的根轨迹增益
本卷实例
  • 关键一步:由1/G对s求导为零得分离点方程3s²+6s+2=0
  • 中间结果:落在实轴段(-1,0)内的那个根才是有效分离点
  • 卡点:另一根不在根轨迹上,必须舍去
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
  • 本卷考过求根轨迹分离点及其对应的根轨迹增益
  • 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
  • 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使输出振荡的临界增益
本卷实例
  • 关键一步:把s=jω代入三阶闭环特征方程,实部虚部分别为零
  • 中间结果:虚部方程解交点频率,实部方程解临界K
  • 卡点:上下半虚轴各有一组共轭交点,切勿漏一组
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使输出振荡的临界增益
  • 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
  • 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
  • 由阻尼比0.5的等阻尼线确定主导极点与K
本卷实例
  • 关键一步:设s=σ(-1+j√3)回代特征方程,分离实部虚部联立
  • 中间结果:虚部方程定σ,实部方程定K,第三极点由根和求出
  • 卡点:先确认第三极点远离虚轴才能作主导极点近似
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环极点位置直接决定 ξ、ωn 与动态指标
  • 等阻尼线是从原点出发的射线,等 ωn 线是以原点为心的圆
  • 给定阻尼比要求时,极点落在等阻尼线上
  • 增益增大一般使系统响应加快但振荡加剧
步骤
  • 在 s 平面上画出等阻尼线或等 ωn 圆
  • 求其与根轨迹的交点
  • 由幅值条件求出交点对应的参数
  • 由极点位置估算动态性能
通用考法
  • 本卷考过由阻尼比0.5的等阻尼线确定主导极点与K
  • 求满足给定阻尼比的参数值
  • 由闭环极点位置估算超调量与调节时间
  • 分析提高增益对性能的影响
常见易错
  • 把等阻尼线画成了垂直线
  • 由极点位置估指标时忽略零点的作用
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由主导极点的ξ与ωn估算上升、峰值、超调与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:把主导极点写成-ξωn±jωn√(1-ξ²),读出ξ与ωn
  • 中间结果:四个指标分别由ξ、ωn代入二阶标准公式得到
  • 卡点:两种误差带的调节时间系数别混用
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
  • 本卷考过由主导极点的ξ与ωn估算上升、峰值、超调与调节时间
  • 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
  • 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
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 判断第三个闭环极点能否忽略并作二阶近似
本卷实例
  • 关键一步:比较第三极点与共轭极点实部的大小,取实部小者为主导
  • 中间结果:第三极点实部远大于共轭极点实部时可作二阶近似
  • 卡点:近似前要看该极点留数权重是否足够小
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过判断第三个闭环极点能否忽略并作二阶近似
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式

4四、奈氏判据与正弦稳态误差#

思路
  • 先数开环右半平面极点数P,绘极坐标图判包围求稳定K范围;再求正弦输入下的稳态误差。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 开环含一个右半平面极点时用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点个数P,再由Z=P-2(N+-N-)判断
  • 中间结果:曲线与负实轴交点位置给出临界增益所在处
  • 卡点:P不为零,不能套用P等于零时的简化包围式
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
  • 本卷考过开环含一个右半平面极点时用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
  • 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
  • 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
  • 由误差频率特性求正弦输入下的稳态误差表达式
本卷实例
  • 关键一步:写出误差传函1/(1+G),把s=jω代入求幅值与相角
  • 中间结果:稳态误差为同频正弦,幅值乘误差幅频、相角叠加
  • 卡点:相角要累计误差传函的总相角,别只取G的相角
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
  • 本卷考过由误差频率特性求正弦输入下的稳态误差表达式
  • 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
本卷考法
  • 由误差传递函数说明稳态误差的求法与前提
本卷实例
  • 关键一步:先确认闭环稳定,否则终值定理与频率法均不适用
  • 中间结果:正弦输入下按频率特性物理意义直接写稳态响应
  • 卡点:两种误差定义差一个反馈环节,须按题意选
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
  • 本卷考过由误差传递函数说明稳态误差的求法与前提
  • 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

5五、期望特性法串联校正#

思路
  • 由速度误差系数定低频段高度,由截止频率与相角裕度定中频段,再减固有特性得校正装置。
本卷考法
  • 用期望对数频率特性法设计串联校正装置
本卷实例
  • 关键一步:先由kv定低频段高度,再由ωc与γ画期望中频段
  • 中间结果:期望特性减固有特性即得校正环节的对数频率特性
  • 卡点:相减结果要检查是否对应物理可实现的网络
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
  • 本卷考过用期望对数频率特性法设计串联校正装置
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度要求校验并确定校正后的截止频率
本卷实例
  • 关键一步:在截止频率处按γ=180°+∠G(jωc)检验裕度
  • 中间结果:中频段越宽相角裕度越大,但带宽也会增大
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率别用反
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
  • 本卷考过由相角裕度要求校验并确定校正后的截止频率
  • 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
本卷考法
  • 把稳态精度与相角裕度要求折算成频域设计条件
本卷实例
  • 关键一步:把误差系数与裕度条件统一到对数频率特性上
  • 中间结果:低频段决定精度,中频段决定裕度与快速性
  • 卡点:别只顾相角裕度而漏掉带宽与截止频率要求
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
  • 本卷考过把稳态精度与相角裕度要求折算成频域设计条件
  • 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
  • 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

6六、采样系统脉冲传函与输出#

思路
  • 按采样开关位置列写星号变换方程求闭环脉冲传函,再对给定环节逐项取z变换并整理输出C(z)。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含采样开关的采样系统结构图求闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对被采样开关隔开的环节分别取星号变换再列方程
  • 中间结果:闭环脉冲传函分母为1减各回路脉冲传函之和
  • 卡点:无采样开关隔开的两个连续环节不能直接相乘
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
  • 本卷考过由含采样开关的采样系统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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 对给定连续环节逐项求z变换并整理C(z)表达式
本卷实例
  • 关键一步:对1/s²与1/(s+1)查z变换表,采样周期T保留符号
  • 中间结果:典型项形如Tz除以(z-1)²与z除以(z-e^{-T})
  • 卡点:e的指数别漏乘采样周期T
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
  • 本卷考过对给定连续环节逐项求z变换并整理C(z)表达式
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 识别零阶保持器环节并求其脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把1-e^{-Ts}因子单独提出,其余部分先取z变换
  • 中间结果:该因子对应z变换中的(z-1)/z因子
  • 卡点:采样结构以图给出,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过识别零阶保持器环节并求其脉冲传递函数
  • 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

7七、前馈补偿器设计#

思路
  • 分别令噪声到输出、输入到误差的传递为零解出两个前馈补偿器,再用欠阻尼与斜坡零误差校验。
本卷考法
  • 设计输入前馈与扰动前馈补偿器实现不变性
本卷实例
  • 关键一步:分别令噪声与输入到输出的传函为零,解出Gn与Gr
  • 中间结果:补偿器由前向环节传函的倒数形式组合而成
  • 卡点:补偿器若含高阶微分则物理不可实现
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
  • 本卷考过设计输入前馈与扰动前馈补偿器实现不变性
  • 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
本卷考法
  • 求扰动作用下的稳态误差并设计补偿使其为零
本卷实例
  • 关键一步:求扰动传函时把参考输入置零,再令稳态分量为零
  • 中间结果:补偿支路须提供与扰动通道相反的信号
  • 卡点:补偿点与噪声引入位置以图给出,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求扰动作用下的稳态误差并设计补偿使其为零
  • 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
  • 用前馈补偿削弱噪声与负载扰动的影响
本卷实例
  • 关键一步:利用前馈不改变闭环特征方程只改零点与稳态
  • 中间结果:斜坡零误差要求补偿后系统满足相应型别条件
  • 卡点:前馈不影响稳定性,但会改变动态响应形状
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过用前馈补偿削弱噪声与负载扰动的影响
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式

8八、状态方程化为约当或对角型#

思路
  • 求A的特征值与代数、几何重数判断能否对角化;不能时用广义特征向量构造变换阵化约当型。
本卷考法
  • 用非奇异线性变换把状态方程化为对角或约当标准型
本卷实例
  • 关键一步:求det(sI-A)得特征值,再数各特征值的线性无关特征向量个数
  • 中间结果:几何重数小于代数重数时不能对角化,需补广义特征向量
  • 卡点:变换阵按特征向量列构成,列序要与标准型对应
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
  • 本卷考过用非奇异线性变换把状态方程化为对角或约当标准型
  • 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

9九、能观性判别与能观分解#

思路
  • 先列能观性矩阵并求秩与阶数比较;不满秩时按能观性分解求变换阵,写出能观子系统并画结构图。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统能观性并在不完全能观时作能观性分解
本卷实例
  • 关键一步:构造Qo=[C;CA;CA²],求秩并与系统阶数3比较
  • 中间结果:不满秩时能观子系统的维数等于该矩阵的秩
  • 卡点:能观性矩阵的构造顺序与能控性判据别搞混
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
  • 本卷考过判断系统能观性并在不完全能观时作能观性分解
  • 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

10十、能控标准型与状态反馈极点配置#

思路
  • 先化能控标准型,再验能控性,用期望特征多项式与闭环特征式比较系数求反馈阵。
本卷考法
  • 把给定状态空间表达式化为能控标准型
本卷实例
  • 关键一步:先求原系统特征多项式系数,再按友矩阵规则写标准型
  • 中间结果:变换阵由能控性矩阵与友矩阵能控性矩阵相乘求逆得到
  • 卡点:系统矩阵的重复特征值会带来变换阵退化,须先验秩
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
  • 本卷考过把给定状态空间表达式化为能控标准型
  • 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
  • 设计状态反馈使闭环特征值为-1、-2与-2
本卷实例
  • 关键一步:先验证能控性,再写期望特征多项式(s+1)(s+2)²
  • 中间结果:比较det(sI-A+BK)与期望多项式系数解出增益阵
  • 卡点:重根-2对应一个约当块,反馈后仍不可对角化
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使闭环特征值为-1、-2与-2
  • 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