←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

哈尔滨工程大学 808 自动控制理论(含现控) 2021 年真题思维导图

211 院校共 12 题合计 150 分

难度:中等偏难 全卷 12 题、每题都印了分值、合计 150 分。覆盖信号流图与梅森公式、由阶跃响应曲线反求二阶传函、反馈系数极点配置与阶跃无差设计、四阶系统根轨迹与分离点验证、奈奎斯特判据确定稳定条件、由对数频率特性反求串联校正、描述函数法自振、最小拍与无纹波数字控制器、并联系统能控规范型实现、BIBO 稳定与最小实现、由状态响应反求状态矩阵、状态反馈极点配置。第 1、2、3、6、7、9、12 题题面含原卷插图。

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

1一、由结构图绘制信号流图并用梅森公式求传函(原卷图)15 分#

思路
  • 由结构图选定节点与支路增益改画信号流图,逐条列出回路并找出互不接触回路组合写特征式,再对输入到输出的前向通路取余子式代入梅森公式。
本卷考法
  • 由结构图改画信号流图,列全部回路与不接触回路并用梅森公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先把结构图各环节等效为有向支路,再逐条找出全部独立回路
  • 中间结果:特征式等于一减回路增益之和再加互不接触回路增益乘积
  • 卡点:结构图为原卷插图,回路条数、不接触判断与支路增益需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由结构图改画信号流图,列全部回路与不接触回路并用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
  • 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
  • 按串联、并联与反馈等效把结构图正画为信号流图
本卷实例
  • 关键一步:按信号流向从输入到输出逐级标出各节点变量
  • 中间结果:同一节点进出支路增益相乘后叠加得到该节点方程
  • 卡点:反馈支路极性决定回路增益正负号,需对照原卷图核对
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
  • 本卷考过按串联、并联与反馈等效把结构图正画为信号流图
  • 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
  • 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、由阶跃响应曲线反求二阶传函(原卷图)10 分#

思路
  • 由响应曲线的初值与稳态值用初值、终值定理定出分子系数与常数项比值,再由超调量关系反解阻尼比与自然频率,从而确定其余未知参数。
本卷考法
  • 由单位阶跃响应曲线与部分已知系数反求二阶传函未知参数
本卷实例
  • 关键一步:用初值定理读响应在零时刻的值,用终值定理读稳态值
  • 中间结果:由稳态值定出常数项比值,由初值定出最高次分子系数
  • 卡点:响应曲线关键点坐标取自原卷插图,需回原卷核对读数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由单位阶跃响应曲线与部分已知系数反求二阶传函未知参数
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与峰值时刻关系反解阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为标准二阶形式后套用超调量公式
  • 中间结果:由超调量得到阻尼比,再由峰值时间得到自然频率
  • 卡点:零时刻响应不为零,读超调量要先减去初始值再除以稳态值
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
  • 本卷考过由超调量与峰值时刻关系反解阻尼比与自然频率
  • 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

3三、反馈系数极点配置与阶跃无差设计(原卷图)10 分#

思路
  • 先由结构图写闭环特征方程并令其等于期望特征多项式,对比系数求反馈增益;再令一路增益为零,由误差传递函数在阶跃下稳态为零的条件设计补偿环节。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由含两个反馈系数的结构图写出闭环特征方程
本卷实例
  • 关键一步:按反馈等效写出以两个反馈系数表示的闭环传函
  • 中间结果:闭环特征方程的二次项系数含两级反馈增益的乘积
  • 卡点:结构图为原卷插图,反馈接入点与内外环关系需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由含两个反馈系数的结构图写出闭环特征方程
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 把期望闭环极点写成特征多项式并与实际特征方程对比求增益
本卷实例
  • 关键一步:由期望共轭极点直接写出期望特征多项式
  • 中间结果:令实际特征方程与期望特征方程同次幂系数对应相等
  • 卡点:期望极点为共轭复根,其模的平方等于常数项
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
  • 本卷考过把期望闭环极点写成特征多项式并与实际特征方程对比求增益
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 设计补偿环节使单位阶跃输入下稳态误差为零
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再对误差传函用终值定理并令其极限为零
  • 中间结果:误差传函在原点解析且分子常数项为零是零误差条件
  • 卡点:补偿环节须物理可实现,纯微分不能单独作为串联环节
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
  • 本卷考过设计补偿环节使单位阶跃输入下稳态误差为零
  • 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

4四、四阶系统根轨迹绘制与分离点验证15 分#

思路
  • 按绘制法则求开环零极点、实轴段、渐近线与分离点,用相角条件验证分离点;再由劳斯表求根轨迹与虚轴交点及临界增益。
本卷考法
  • 按法则绘制含一对共轭复数极点的四阶系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标出开环零极点并判断实轴上属于根轨迹的区间
  • 中间结果:四条渐近线交于实轴,夹角按奇数倍除以极点数差取
  • 卡点:复数极点出射角要先算其余零极点对该点的相角贡献
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一对共轭复数极点的四阶系统根轨迹
  • 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
  • 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
  • 求分离点并用相角条件验证其确在根轨迹上
本卷实例
  • 关键一步:由分子分母多项式导数交叉相乘消去增益得分离点方程
  • 中间结果:分离点方程的解须代回判断是否落在实轴根轨迹段上
  • 卡点:求出的复根不是实轴分离点,验证要代回相角条件
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
  • 本卷考过求分离点并用相角条件验证其确在根轨迹上
  • 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
  • 由劳斯表求根轨迹与虚轴交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程列劳斯表并令含增益的首列元素为零
  • 中间结果:由出现全零行的那一行辅助多项式解交点频率
  • 卡点:临界增益须与该行辅助方程联立求解,不能只看首列为零
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
  • 本卷考过由劳斯表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
  • 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、奈奎斯特判据确定稳定条件15 分#

思路
  • 写出开环幅频、相频特性,求相角为负一百八十度时的幅值与穿越频率,再按开环右半平面极点数与包围圈数的关系列出增益与时间常数的稳定条件。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据确定含一个积分环节系统闭环稳定的参数条件
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再看幅相曲线对临界点的包围情况
  • 中间结果:相位穿越点的幅值小于一对应稳定,由此列出参数不等式
  • 卡点:开环含积分环节时须补画无穷大半径圆弧后再数包围圈数
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确定含一个积分环节系统闭环稳定的参数条件
  • 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
  • 求开环传递函数的幅频、相频表达式及与负实轴交点
本卷实例
  • 关键一步:令虚部为零求与负实轴交点频率,再代实部求交点横坐标
  • 中间结果:交点频率为两个惯性环节时间常数乘积的负二次方根
  • 卡点:相位表达式要累加积分环节与各惯性环节的滞后角
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
  • 本卷考过求开环传递函数的幅频、相频表达式及与负实轴交点
  • 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

6六、由对数频率特性求串联校正与临界增益(原卷图)15 分#

思路
  • 由校正前、后折线幅频特性分别反求各自传递函数,两者相除得串联校正装置;再求校正后相位为负一百八十度的频率,令该处幅值为一得临界开环增益。
本卷考法
  • 由校正前后对数幅频特性相除反求串联校正装置传函
本卷实例
  • 关键一步:先由低频段斜率与高度反求两个传函的型别与增益
  • 中间结果:把校正前后传函写成尾一标准型后相除得校正环节
  • 卡点:折线转折频率取自原卷插图,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由校正前后对数幅频特性相除反求串联校正装置传函
  • 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
本卷考法
  • 由开环对数幅频特性折线图读取转折频率并写传函
本卷实例
  • 关键一步:按各段斜率的变化定位转折频率与对应环节
  • 中间结果:低频段高度除以积分环节的负二十得开环增益
  • 卡点:斜率逐段累加而非替换,改变量对应环节阶次
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 熟记 lg2≈0.3、lg5≈0.7、20lg2≈6dB
  • 从低频段开始逐段按各环节转折频率改变斜率
  • 低频段斜率由系统型别决定,高度由开环增益决定
  • 每经过一个转折频率斜率就叠加该环节的斜率变化
步骤
  • 把开环传递函数写成典型环节的标准乘积
  • 确定系统型别与开环增益,画出最低频段渐近线
  • 按转折频率从小到大逐段改斜率
  • 逐点叠加得到幅频与相频曲线
通用考法
  • 本卷考过由开环对数幅频特性折线图读取转折频率并写传函
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
  • 计算指定频率处的幅值与相角
  • 由低频段斜率与高度判断型别与增益
常见易错
  • 逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 低频段起始高度没有乘上型别的 -20v dB/dec
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由校正后相位为负一百八十度处的幅值求临界开环增益
本卷实例
  • 关键一步:先求相位穿越频率再令该频率处幅值等于一
  • 中间结果:由幅值条件反解出的增益即闭环稳定的临界值
  • 卡点:相角裕度按截止频率算,勿与相位穿越频率混用
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
  • 本卷考过由校正后相位为负一百八十度处的幅值求临界开环增益
  • 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

7七、描述函数法分析自持振荡(原卷图)15 分#

思路
  • 把结构图化简为非线性环节串联线性部分的标准形式,求负倒描述函数并与线性部分幅相曲线相交判断自振;引入附加环节后两曲线无交点则系统一直稳定。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由已知描述函数画负倒描述函数曲线并与线性部分幅相曲线联立
本卷实例
  • 关键一步:把结构图化为非线性环节与等效线性部分串联的标准形式
  • 中间结果:负倒描述函数随振幅变化的方向决定自振是否稳定
  • 卡点:结构图为原卷插图,非线性环节位置与反馈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
  • 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
  • 本卷考过由已知描述函数画负倒描述函数曲线并与线性部分幅相曲线联立
  • 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
  • 由交点求自振振幅与频率并分析附加环节对自振的影响
本卷实例
  • 关键一步:两曲线相交等价于幅值与相角条件同时成立
  • 中间结果:交点频率给出自振频率,代入负倒描述函数得自振振幅
  • 卡点:应从不稳定区进入稳定区的交点才对应可观察的自振
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与频率并分析附加环节对自振的影响
  • 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、最少拍与无纹波数字控制器设计15 分#

思路
  • 按最少拍设计原则构造闭环脉冲传函与误差脉冲传函,用待定系数法满足两者之和恒为一;无纹波设计再对消被控对象在单位圆内的零点并提高误差传函的阶次。
本卷考法
  • 针对给定开环脉冲传函设计最少拍与无纹波数字控制器
本卷实例
  • 关键一步:先令闭环与误差脉冲传函之和恒为一,再按稳定性约束配置零点
  • 中间结果:闭环脉冲传函须包含被控对象单位圆外与单位圆上的极点
  • 卡点:无纹波附加条件要求闭环脉冲传函对消被控对象全部零点
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
  • 本卷考过针对给定开环脉冲传函设计最少拍与无纹波数字控制器
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由开环脉冲传函写闭环与误差脉冲传函并求数字控制器
本卷实例
  • 关键一步:由给定开环脉冲传函写出数字控制器的求解表达式
  • 中间结果:误差脉冲传函由闭环指标与输入信号类型共同确定
  • 卡点:数字控制器须物理可实现,极点阶次不能低于零点阶次
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
  • 本卷考过由开环脉冲传函写闭环与误差脉冲传函并求数字控制器
  • 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

9九、并联系统的能控规范型实现与传函矩阵(原卷图)10 分#

思路
  • 先由子系统的外部描述写出能控规范型实现,再把两个子系统按并联关系拼接成整体状态空间表达式,最后由传递函数矩阵验证。
本卷考法
  • 由子系统外部描述写出能控规范型状态空间实现
本卷实例
  • 关键一步:先把高阶微分方程整理成传函再按能控规范型定系数
  • 中间结果:系统矩阵最后一行为特征多项式系数的相反数
  • 卡点:状态变量按输出的各阶导数依次选取,系数符号易写反
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
  • 本卷考过由子系统外部描述写出能控规范型状态空间实现
  • 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
  • 由并联结构拼接两个子系统的状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:并联系统的状态向量按子系统分块对角拼接
  • 中间结果:整体输入矩阵与输出矩阵按各子系统的接入方式拼成
  • 卡点:结构图为原卷插图,子系统输入输出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
  • 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
  • 本卷考过由并联结构拼接两个子系统的状态空间表达式
  • 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
  • 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
  • 由状态空间实现求整体传递函数并验证并联关系
本卷实例
  • 关键一步:分别求两个子系统的传递函数再按并联关系相加
  • 中间结果:整体传递函数等于各子系统传递函数之和
  • 卡点:求子系统传函时勿漏直接传递项
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实现求整体传递函数并验证并联关系
  • 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、BIBO稳定、最小实现与李雅普诺夫稳定12 分#

思路
  • 对传函做零极对消判断 BIBO 稳定性,约去对消因子后得最小实现;对给定状态方程判断原点是否为李雅普诺夫意义下稳定,重点看零特征根对应的约当块阶数。
本卷考法
  • 由传函的零极对消判断 BIBO 稳定并写最小实现
本卷实例
  • 关键一步:先把分子分母分解因式找出可对消的零极点
  • 中间结果:约去对消因子后的真分式对应最小实现的传递函数
  • 卡点:BIBO 稳定看对消后的极点,不能直接用原传函分母判断
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
  • 本卷考过由传函的零极对消判断 BIBO 稳定并写最小实现
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 指出最小实现同时满足能控与能观
本卷实例
  • 关键一步:最小实现要求实现既能控又能观
  • 中间结果:约去对消因子后按标准型写出能控且能观的二阶实现
  • 卡点:对消的正实部极点不影响 BIBO 但影响内部稳定性
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
  • 本卷考过指出最小实现同时满足能控与能观
  • 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
  • 由状态矩阵判断原点是否李雅普诺夫意义下稳定
本卷实例
  • 关键一步:先求特征值再判断零特征值对应约当块的阶数
  • 中间结果:零实部特征值为最小多项式单根则李雅普诺夫稳定
  • 卡点:零特征值对应约当块阶数大于一,即使实部为零也不稳定
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判断原点是否李雅普诺夫意义下稳定
  • 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

11十一、由状态响应反求状态矩阵并判稳8 分#

思路
  • 把两组初始条件与相应状态响应拼成矩阵方程解出状态转移矩阵,对时间求导后取零时刻得状态矩阵,再由特征值判断是否渐近稳定。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由不同初始条件下的状态响应反求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:把两组状态响应按列拼成矩阵,右乘初值矩阵的逆
  • 中间结果:转移矩阵对时间求导后在零时刻取值即为状态矩阵
  • 卡点:两组初始状态组成的矩阵须先验证非奇异才能求逆
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
  • 本卷考过由不同初始条件下的状态响应反求状态转移矩阵
  • 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
  • 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
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是否渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:解出状态矩阵的特征多项式得到全部特征值
  • 中间结果:特征值全具负实部等价于原点是渐近稳定的
  • 卡点:渐近稳定比李雅普诺夫稳定要求更强,零实部不满足
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是否渐近稳定
  • 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

12十二、状态反馈极点配置与闭环能控能观(原卷图)10 分#

思路
  • 设状态反馈增益行向量,把闭环特征多项式与期望特征多项式对比系数求增益;再利用状态反馈不改变能控性、重新计算能观判别矩阵判断能观性。
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位于指定的三个位置
本卷实例
  • 关键一步:先由被控系统为能控标准型确认极点可任意配置
  • 中间结果:设增益行向量后展开闭环特征多项式与期望式逐项对比
  • 卡点:对比系数时特征多项式降幂排列的符号容易写反
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使闭环特征值位于指定的三个位置
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断状态反馈后闭环系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:先由状态反馈不改变能控性直接判定闭环能控
  • 中间结果:用闭环系统矩阵重新构造能观判别矩阵并求秩
  • 卡点:反馈后能观性可能改变,须用新矩阵重算不能沿用原矩阵
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
  • 本卷考过判断状态反馈后闭环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