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哈尔滨工程大学 808 自动控制理论(含现控) 2017 年真题思维导图

211 院校共 11 题合计 150 分

难度:中等偏难 全卷正文一~十一共 11 题,逐题印分值且合计 150。覆盖三回路信号流图与多输入传函、复合输入与扰动稳态误差、结构不稳定系统的结构改造、双参数根轨迹、由相角裕度反求延迟时间、串联滞后校正、描述函数法自振与稳态波形、离散系统最小拍控制、子系统能控标准型与组合传函矩阵、能控能观与镇定、状态反馈实现期望闭环传函。第 1、2、3、4、5、7、8、9 题题面含原卷插图。

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1一、信号流图与多输入传递函数15 分#

思路
  • 按三回路结构图绘制信号流图,分别令两输入之一为零求各自到输出的传递函数,再用梅森公式取前向通路与余子式写出表达式。
本卷考法
  • 由三回路结构图绘制信号流图并用梅森公式求多输入传函
本卷实例
  • 关键一步:先找全部回路并标出互不接触回路对
  • 中间结果:两输入通道共用同一特征式
  • 卡点:余子式只删与所选前向通路接触的回路
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
  • 本卷考过由三回路结构图绘制信号流图并用梅森公式求多输入传函
  • 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
本卷考法
  • 分别求每个输入到输出的传递函数并按叠加写总输出
本卷实例
  • 关键一步:求某通道时把另一输入置零
  • 中间结果:总输出为两通道响应之和
  • 卡点:两输入同时作用仍须满足线性叠加条件
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
  • 本卷考过分别求每个输入到输出的传递函数并按叠加写总输出
  • 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

2二、复合输入与扰动稳态误差10 分#

思路
  • 写出参考输入通道与扰动通道的误差传函,并判系统稳定;再分别对阶跃、斜坡与正弦分量求稳态响应并叠加。
本卷考法
  • 求阶跃与斜坡组合输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:按线性分别求各输入分量的稳态误差
  • 中间结果:型别决定哪些分量误差为零
  • 卡点:组合输入不可整体套单一误差系数
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
  • 本卷考过求阶跃与斜坡组合输入下的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 判断扰动通道误差是否为零并写扰动传函
本卷实例
  • 关键一步:把参考输入置零后求扰动到误差的传函
  • 中间结果:扰动误差传函分子是否含原点因子决定零误差
  • 卡点:扰动作用点不同会改变误差传函结构
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
  • 本卷考过判断扰动通道误差是否为零并写扰动传函
  • 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
  • 写出给定误差定义下的误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按误差等于参考减输出列写传函
  • 中间结果:误差传函等于一减闭环传函
  • 卡点:非单位反馈时误差定义不同结果会变
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
  • 本卷考过写出给定误差定义下的误差传递函数
  • 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

3三、结构不稳定系统的结构改造15 分#

思路
  • 由缺项特征方程说明调参无法稳定;再分别用串联一阶微分环节补全 s 项、用局部反馈破坏积分环节,说明两种结构改造的作用。
本卷考法
  • 用局部反馈校正破坏原系统结构以改善稳定性
本卷实例
  • 关键一步:用反馈包围积分环节改变开环传函极点分布
  • 中间结果:局部反馈后特征方程补上缺失的 s 项
  • 卡点:反馈极性决定改造后是否稳定
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
  • 本卷考过用局部反馈校正破坏原系统结构以改善稳定性
  • 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
  • 用比例微分环节改变系统阻尼与动态性能
本卷实例
  • 关键一步:串联一阶微分环节给特征方程补项
  • 中间结果:微分作用增大系统阻尼并提高响应速度
  • 卡点:微分作用过强会放大高频噪声
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过用比例微分环节改变系统阻尼与动态性能
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由特征方程缺项说明结构不稳定的判据
本卷实例
  • 关键一步:检查特征方程各项系数是否齐全
  • 中间结果:缺项时无论怎样调参都难以稳定
  • 卡点:缺项与系数符号错误要区分开
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
  • 本卷考过由特征方程缺项说明结构不稳定的判据
  • 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

4四、双参数根轨迹15 分#

思路
  • 先写含两参数的开环传函,固定其中一个参数把另一个提到根轨迹增益位置分别绘制;按零点位置与极点个数讨论实轴段、渐近线与分离点。
本卷考法
  • 分别以两个参数为变量讨论参数根轨迹的画法
本卷实例
  • 关键一步:固定一个参数把特征方程整理成等效开环形式
  • 中间结果:等效开环零点位置随固定参数改变
  • 卡点:两参数分别变化须分情况讨论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 可变参数不是开环增益时称为参数根轨迹
  • 方法是用等效开环传递函数把参数提到标准位置
  • 正反馈系统或零度根轨迹的相角条件是 0°+360°l
步骤
  • 把特征方程整理成 1+αG*(s)=0 的形式
  • 把 α 以外部分视为等效开环传递函数
  • 按常规根轨迹法则绘制
  • 注意相角条件是否变成 0°
通用考法
  • 本卷考过分别以两个参数为变量讨论参数根轨迹的画法
  • 以时间常数或其他参数为变量绘制根轨迹
  • 绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 比较零度与 180 度根轨迹的差别
常见易错
  • 整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 零度根轨迹仍沿用 180° 相角条件
公式
本卷考法
  • 按法则确定参数根轨迹的实轴段、渐近线与分离点
本卷实例
  • 关键一步:先画开环零极点并判断实轴轨迹段
  • 中间结果:渐近线交点由极点与零点重心之差决定
  • 卡点:零点跨过极点时实轴段会改变
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
  • 本卷考过按法则确定参数根轨迹的实轴段、渐近线与分离点
  • 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
  • 讨论开环零点位置变化对根轨迹形状与稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较零点在不同区间的轨迹分支走向
  • 中间结果:零点位置改变会移动分离点与渐近线
  • 卡点:只看渐近线移动方向不足以判稳定
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
  • 本卷考过讨论开环零点位置变化对根轨迹形状与稳定性的影响
  • 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

5五、相角裕度反求延迟时间15 分#

思路
  • 由结构图写含延迟的开环频率特性,先由幅值条件求截止频率,再把相角裕度表达式中的延迟项分离,反解延迟时间。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由给定相角裕度与结构图反求延迟时间
本卷实例
  • 关键一步:先由幅频特性等于一求截止频率
  • 中间结果:相角裕度等于一百八十度加截止频率处相角
  • 卡点:延迟项相位要与频率和弧度换算一致
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
  • 本卷考过由给定相角裕度与结构图反求延迟时间
  • 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
  • 含纯延迟环节系统的相角条件与稳定裕度
本卷实例
  • 关键一步:延迟只改变相频特性不改变幅频特性
  • 中间结果:截止频率由无延迟部分幅频特性确定
  • 卡点:延迟相位随频率线性增长易算错单位
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
  • 本卷考过含纯延迟环节系统的相角条件与稳定裕度
  • 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

6六、串联滞后校正设计15 分#

思路
  • 由期望速度误差系数确定增益,再由期望截止频率与相角裕度确定滞后网络的两个转折频率,最后校核全部指标。
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 按期望截止频率与相角裕度设计串联滞后校正装置
本卷实例
  • 关键一步:选校正后截止频率使幅频下降到零分贝
  • 中间结果:滞后网络两转折频率相差一个衰减倍数
  • 卡点:滞后网络转折频率应远低于新截止频率
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
  • 本卷考过按期望截止频率与相角裕度设计串联滞后校正装置
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 把多项期望指标折算成校正装置的设计约束
本卷实例
  • 关键一步:先算未校正系统的截止频率与裕度
  • 中间结果:由指标缺口判断宜用超前还是滞后
  • 卡点:截止频率与相角裕度需同时满足
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
  • 本卷考过把多项期望指标折算成校正装置的设计约束
  • 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
本卷考法
  • 由速度误差系数确定校正后系统低频增益
本卷实例
  • 关键一步:令开环低频增益满足速度误差系数
  • 中间结果:增益确定后结合截止频率画期望特性
  • 卡点:型别为一的系统斜坡误差为有限值
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
  • 本卷考过由速度误差系数确定校正后系统低频增益
  • 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

7七、描述函数法自振与稳态波形15 分#

思路
  • 求继电特性的负倒描述函数与线性部分幅相曲线,由交点判断自振并解出振幅频率;再按各点波形关系画稳态波形。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求继电特性的负倒描述函数并判断交点存在性
本卷实例
  • 关键一步:写出继电特性描述函数后取负倒数
  • 中间结果:负倒描述函数为振幅的负线性函数
  • 卡点:描述函数法只保留一次谐波
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
  • 本卷考过求继电特性的负倒描述函数并判断交点存在性
  • 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
  • 由交点求自振振幅频率并画各点稳态波形
本卷实例
  • 关键一步:交点处同时满足幅值条件与相角条件
  • 中间结果:交点频率为自振频率,交点为振幅
  • 卡点:各点波形相位关系须按环节顺序推导
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
  • 本卷考过由交点求自振振幅频率并画各点稳态波形
  • 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

8八、离散系统最小拍控制10 分#

思路
  • 由连续对象与零阶保持器求开环脉冲传函,按单位阶跃输入设闭环传函,消去对象零极点后反求数字控制器并判断拍数。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续对象与零阶保持器求脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先部分分式展开再查z变换表
  • 中间结果:零阶保持器使分子多一个一减z逆
  • 卡点:采样周期与时间常数指数须对应
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
  • 本卷考过由连续对象与零阶保持器求脉冲传递函数
  • 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
本卷考法
  • 设计最小拍数字控制器并判断系统拍数
本卷实例
  • 关键一步:按输入类型构造闭环与误差传函
  • 中间结果:由误差序列首次全零判断最小拍数
  • 卡点:控制器须为因果且稳定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最少拍系统指在典型输入下经过有限拍达到无稳态误差
  • 设计需要满足可实现性与稳定性约束
  • 最少拍系统的闭环脉冲传递函数由输入类型确定
  • 最少拍设计通常导致很大的控制量,需加限制
步骤
  • 确定输入类型及对应的误差传函形式
  • 按无稳态误差要求构造闭环脉冲传递函数
  • 由 D(z)=Φ(z)/[G(z)(1-Φ(z))] 求数字控制器
  • 检验可实现性、稳定性与控制量大小
通用考法
  • 本卷考过设计最小拍数字控制器并判断系统拍数
  • 设计最少拍数字控制器
  • 比较不同输入类型下的最少拍数
  • 分析最少拍系统存在的问题
常见易错
  • 忽略 D(z) 必须是物理可实现的因果系统
  • 闭环传函构造时未满足稳定性约束条件
公式

9九、子系统能控标准型与组合传函矩阵15 分#

思路
  • 由子系统传函写能控标准型实现,再按互联关系组合成四阶状态空间描述;最后由状态空间公式求整个系统的传递函数矩阵。
本卷考法
  • 由传递函数写出能控标准型状态空间实现
本卷实例
  • 关键一步:按分母系数构造友矩阵并取输出系数
  • 中间结果:能控标准型的系统矩阵与输入矩阵形式固定
  • 卡点:传递函数须先化为真分式
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出能控标准型状态空间实现
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 按子系统互联关系拼装组合系统的状态空间描述
本卷实例
  • 关键一步:把子系统输出作为另一子系统的输入代入
  • 中间结果:组合状态维数等于各子系统阶数之和
  • 卡点:互联方向不同状态方程写法不同
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
  • 本卷考过按子系统互联关系拼装组合系统的状态空间描述
  • 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
本卷考法
  • 由组合状态空间求传递函数矩阵
本卷实例
  • 关键一步:对每个输入输出对分别求传函
  • 中间结果:传递函数矩阵元素分母同为特征多项式
  • 卡点:直接传递项D不能漏掉
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
  • 本卷考过由组合状态空间求传递函数矩阵
  • 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

10十、能控能观、稳定与镇定15 分#

思路
  • 用能控与能观判别阵的秩判断性质,求状态矩阵特征值判断渐近稳定并求传递函数判BIBO稳定,最后讨论状态反馈镇定。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 分别构造能控与能观判别阵判断系统性质
本卷实例
  • 关键一步:能控阵取B与AB之积,能观阵取C与CA之积
  • 中间结果:两阵均满秩则既可控又可观
  • 卡点:两个判别阵的构造顺序不可互换
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
  • 本卷考过分别构造能控与能观判别阵判断系统性质
  • 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
本卷考法
  • 由特征值与传递函数零极点对消判断BIBO稳定
本卷实例
  • 关键一步:先求状态矩阵特征值判渐近稳定
  • 中间结果:传递函数约去不稳定极点后才BIBO稳定
  • 卡点:渐近稳定与BIBO稳定不是等价条件
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
  • 本卷考过由特征值与传递函数零极点对消判断BIBO稳定
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断能否通过状态反馈镇定不稳定系统
本卷实例
  • 关键一步:看不稳定极点是否落在能控子空间
  • 中间结果:能控则不稳定的极点可任意配置
  • 卡点:不能控的不稳定模态无法镇定
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
  • 本卷考过判断能否通过状态反馈镇定不稳定系统
  • 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

11十一、状态反馈实现期望闭环传函10 分#

思路
  • 由给定传函取能控标准型实现,设状态反馈使闭环特征多项式与期望传函分母一致,同时处理分子以消去多余极点。
本卷考法
  • 由给定传递函数建立能控标准型状态空间实现
本卷实例
  • 关键一步:按分母系数写友矩阵
  • 中间结果:输出系数由分子系数对应取
  • 卡点:传函约去公因子后须用最小实现
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
  • 本卷考过由给定传递函数建立能控标准型状态空间实现
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 用状态反馈把闭环极点配置到期望传递函数分母位置
本卷实例
  • 关键一步:比较闭环与期望特征多项式系数
  • 中间结果:反馈增益由系数差直接求出
  • 卡点:分子也要与期望传函一致,可能需附加设计
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
  • 本卷考过用状态反馈把闭环极点配置到期望传递函数分母位置
  • 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
  • 写出状态反馈后的闭环状态空间描述
本卷实例
  • 关键一步:把状态反馈代入原状态方程
  • 中间结果:闭环系统矩阵等于A减B乘K
  • 卡点:输出方程中直接传递项需同步更新
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
  • 本卷考过写出状态反馈后的闭环状态空间描述
  • 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