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哈尔滨工程大学 808 自动控制理论(含现控) 2024 年真题思维导图

211 院校共 11 题

难度:中等偏难 全卷11题,覆盖结构图化简与梅森公式、无差度补偿、比例微分与测速反馈、零度根轨迹、奈奎斯特判据与谐振、根轨迹过点定参数、描述函数与相平面、最少拍数字控制、状态空间建模与能控性、状态转移矩阵、状态反馈与观测器。第1至9题含原卷插图。

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1一、结构图化简与信号流图求传函(原卷图)#

思路
  • 先按等效变换与比较点引出点移动化简结构图求闭环传函,再把结构改画为信号流图用梅森公式求误差传函。
本卷考法
  • 由结构图画信号流图并用梅森公式求回路增益与误差传函
本卷实例
  • 关键一步:把结构图按节点与支路改画成信号流图,逐条列出前向通路与回路
  • 中间结果:无互不接触回路时特征式为一减各回路增益之和
  • 中间结果:误差传函为前向通路乘余子式再除以特征式
  • 卡点:支路增益与反馈极性取自原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由结构图画信号流图并用梅森公式求回路增益与误差传函
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 用结构图化简方法逐步求出闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先化简最内环再逐层向外,把多回路化成单回路
  • 中间结果:内环化简为前向通道除以一加减内环回路增益
  • 卡点:比较点与引出点可移动方向不同,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
  • 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
  • 本卷考过用结构图化简方法逐步求出闭环传递函数
  • 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
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

2二、误差传递函数与无差度补偿设计#

思路
  • 由结构图写闭环与误差传递函数,按无差度要求令低阶误差项系数为零反求补偿参数。
本卷考法
  • 由闭环传函写误差传函并按无差度要求确定补偿参数
本卷实例
  • 关键一步:先写闭环传函,再用一减闭环传函得误差传函
  • 中间结果:误差传函分子中低阶s项系数为零即提高无差度
  • 卡点:逐年题面把无差度阶数印乱,需回原卷核对目标型别
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
  • 本卷考过由闭环传函写误差传函并按无差度要求确定补偿参数
  • 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
  • 判断补偿后系统型别并说明能无差跟踪的输入信号种类
本卷实例
  • 关键一步:数误差传函在原点处的极点重数确定系统型别
  • 中间结果:v型系统对阶数低于v的典型输入稳态误差为零
  • 卡点:典型输入只有阶跃、速度、加速度三类,不能任意外推
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
  • 本卷考过判断补偿后系统型别并说明能无差跟踪的输入信号种类
  • 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

3三、PD控制与测速反馈改善二阶系统(原卷图)#

思路
  • 分别画出比例微分控制与测速反馈两种结构图,推导等效阻尼比并从稳态与噪声角度对比优缺点。
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
  • 由两种校正结构图推导等效阻尼比表达式
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程化为标准二阶形式再与阻尼比对应
  • 中间结果:两种校正都只增大阻尼项而不改变无阻尼自然频率
  • 卡点:两种校正的接入点不同,结构图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由两种校正结构图推导等效阻尼比表达式
  • 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
  • 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
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
  • 比较比例微分控制引入的闭环零点与测速反馈的优缺点
本卷实例
  • 关键一步:从开环增益、稳态误差与高频噪声三方面逐项对比
  • 中间结果:比例微分控制引入实零点使响应加快但超调略增
  • 卡点:微分输入为误差信号、能量低,与测速反馈作用不同
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
  • 本卷考过比较比例微分控制引入的闭环零点与测速反馈的优缺点
  • 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、零度根轨迹绘制与稳定范围(原卷图)#

思路
  • 开环含负号时化为等效正反馈画零度根轨迹,再由分离点、虚轴交点与稳态值确定参数范围。
本卷考法
  • 按绘制法则画出根轨迹并写出主要步骤
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴上的轨迹段与渐近线,再求分离点与虚轴交点
  • 中间结果:分离点由对增益求导为零的方程解出
  • 卡点:轨迹起点终点与渐近线取自原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过按绘制法则画出根轨迹并写出主要步骤
  • 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
  • 把含负号的等效开环化为零度根轨迹并证明部分轨迹是圆弧
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函整理成等效正反馈形式后按零度相角条件处理
  • 中间结果:由特征方程实部虚部分离消去增益可得轨迹方程
  • 卡点:零度根轨迹用二kπ相角条件,不能沿用一百八十度条件
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
  • 本卷考过把含负号的等效开环化为零度根轨迹并证明部分轨迹是圆弧
  • 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
  • 由根轨迹求单位阶跃稳态值并确定欠阻尼稳定时的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:先用终值定理求稳态值,再由虚轴交点与分离点夹出参数范围
  • 中间结果:稳定范围由根轨迹落在左半平面与欠阻尼条件共同决定
  • 卡点:终值定理须先判稳,欠阻尼段取复根分支对应区间
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
  • 本卷考过由根轨迹求单位阶跃稳态值并确定欠阻尼稳定时的参数范围
  • 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

5五、奈奎斯特判据与谐振峰值(原卷图)#

思路
  • 先由开环右半平面极点用奈奎斯特判据分档定稳定范围,再由幅相条件反求参数与谐振角频率。
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确定稳定参数范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再由幅相曲线求包围原点圈数
  • 中间结果:由Z等于P减二N判断稳定、不稳定与临界三种情形
  • 卡点:含积分环节要补画无穷大半径圆弧
  • 卡点:奈奎斯特曲线需回原卷核对图
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确定稳定参数范围
  • 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
  • 由闭环幅值与相角的两个条件反求开环参数
本卷实例
  • 关键一步:把闭环频率特性在指定频率处的幅值与相角写成两个方程
  • 中间结果:振幅相等给幅值方程,落后九十度给相角方程
  • 卡点:求幅值要先对分母复数取模,漏掉共轭会算错
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
  • 本卷考过由闭环幅值与相角的两个条件反求开环参数
  • 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
  • 求输出振幅最大时的角频率与谐振峰值
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程求无阻尼自然频率与阻尼比,再判是否谐振
  • 中间结果:谐振角频率由自然频率乘根号下一减二倍阻尼比平方给出
  • 卡点:阻尼比大于零点七零七时无谐振峰,须先判条件
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 谐振峰值 Mr 越大振荡越强,通常要求 Mr 在 1.1 到 1.5 之间
  • 谐振频率 ωr 与峰值时间相关
  • 带宽频率 ωb 越大响应越快但抗噪能力下降
  • 由等 M 圆与等 N 圆可由开环频率特性求闭环特性
步骤
  • 由开环频率特性求闭环频率特性
  • 读出谐振峰值、谐振频率与带宽
  • 按经验公式估计超调量与调节时间
通用考法
  • 本卷考过求输出振幅最大时的角频率与谐振峰值
  • 由闭环幅频特性求谐振峰值与带宽
  • 由 Mr 估算超调量
  • 分析带宽与响应速度的关系
常见易错
  • 当 ξ>0.707 时仍套用谐振峰值公式
  • 把开环谐振与闭环谐振混为一谈
公式

6六、根轨迹过点确定参数与主导极点(原卷图)#

思路
  • 按校正环节与对象发生零极点对消的几种情形分别代入指定点求增益,再解另外两极点判主导性。
本卷考法
  • 由根轨迹过指定点用幅值条件反求校正环节参数
本卷实例
  • 关键一步:把指定点代入闭环特征方程,按零极点对消位置分情形讨论
  • 中间结果:每种对消情形给出对应参数组
  • 卡点:对消位置不同会得多组解,须逐一验证稳定性
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
  • 本卷考过由根轨迹过指定点用幅值条件反求校正环节参数
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由根轨迹确定参数并分析校正环节对性能的改善
本卷实例
  • 关键一步:解出另外两个闭环极点后与指定点比较实部远近
  • 中间结果:比例校正提高开环增益,积分校正提高无差度
  • 卡点:校正环节接法取自原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由根轨迹确定参数并分析校正环节对性能的改善
  • 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
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
  • 判断另外两个闭环极点能不能看成主导极点
本卷实例
  • 关键一步:比较非主导极点与主导极点实部的比值是否大于五
  • 中间结果:比值不足五时不能作二阶近似
  • 卡点:主导性还受闭环零点影响,不能只看极点距离
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
  • 本卷考过判断另外两个闭环极点能不能看成主导极点
  • 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

7七、描述函数法与相平面分析(原卷图)#

思路
  • 对非线性环节分别用负倒描述函数与线性幅相曲线判自振,再按非线性分段列写相平面运动方程。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定非线性特性写描述函数并求负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按典型非线性特性分别写描述函数的实部与虚部
  • 中间结果:负倒描述函数曲线随振幅变化的起点与终点
  • 卡点:两源把根号内符号印得不一致,取值需回原卷核对
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
  • 本卷考过由给定非线性特性写描述函数并求负倒描述函数
  • 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
  • 由负倒描述函数与线性部分交点判断自持振荡稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先由线性部分相角等于负一百八十度求穿越频率
  • 中间结果:负倒描述函数从不稳定区穿入稳定区的交点为稳定自振点
  • 卡点:要画负倒描述函数而非描述函数本身并标注振幅方向
  • 卡点:非线性结构图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由负倒描述函数与线性部分交点判断自持振荡稳定性
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 按非线性分区列写相平面运动方程并求奇点与等倾线
本卷实例
  • 关键一步:按非线性分段把误差方程化为各区二阶微分方程
  • 中间结果:令导数全为零定奇点,令斜率为常数得等倾线方程
  • 卡点:初始条件含斜坡分量,起点要由输入与初值共同算
  • 卡点:相轨迹图需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过按非线性分区列写相平面运动方程并求奇点与等倾线
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式

8八、最少拍数字控制器与离散响应(原卷图)#

思路
  • 对象含单位圆外零点时用复杂最少拍法构造闭环与误差脉冲传函,再按极点分布估计响应脉冲序列形式。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续环节与零阶保持器求开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把保持器与连续部分合并后取z变换得脉冲传函
  • 中间结果:脉冲传函的零极点分布由分子分母多项式给出
  • 卡点:采样开关位置会影响脉冲传函,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由连续环节与零阶保持器求开环脉冲传递函数
  • 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
本卷考法
  • 对象含单位圆外零点时设计最少拍数字控制器
本卷实例
  • 关键一步:先判不稳定零点,闭环传函必须保留而不能对消它
  • 中间结果:由闭环与误差脉冲传函之和为一比较系数定闭环参数
  • 卡点:传统最少拍法对消圆外零点会发散,不能直接套用
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
  • 本卷考过对象含单位圆外零点时设计最少拍数字控制器
  • 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
本卷考法
  • 由闭环脉冲传函估计单位阶跃响应含几种脉冲序列
本卷实例
  • 关键一步:对输出z变换做z反变换取各极点对应分量
  • 中间结果:实极点对应单调序列,共轭极点对应衰减振荡序列
  • 卡点:脉冲序列形式由极点类型决定,须按类型分类计数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环极点在 z 平面上的位置决定响应形式
  • 极点越靠近原点衰减越快,越靠近单位圆振荡越强
  • 极点的幅角决定振荡频率,幅值决定衰减速度
  • 采样周期增大会使动态性能变差甚至不稳定
步骤
  • 求闭环脉冲传递函数的极点
  • 按极点在单位圆内的位置判断响应形式
  • 由极点的模与幅角估算衰减与振荡频率
  • 与连续系统指标对应关系相互校验
通用考法
  • 本卷考过由闭环脉冲传函估计单位阶跃响应含几种脉冲序列
  • 由闭环极点分布判断动态性能
  • 与连续域指标互相换算
  • 说明采样周期对动态性能的影响
常见易错
  • 把 z 平面极点当作 s 平面极点直接读阻尼比
  • 忽略单位圆上极点对应等幅振荡
公式

9九、子系统状态空间建模与能控性(原卷图)#

思路
  • 由子系统结构图与给定状态空间描述写S1状态方程,串联得整体传函与四阶能控标准型,再判能控与稳定。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由结构图取指定状态变量建立子系统与整体状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按积分器输出取状态变量,逐点写节点方程再整理成矩阵
  • 中间结果:串联子系统传函相乘,整体极点由特征多项式给出
  • 卡点:积分器与反馈接法取自原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由结构图取指定状态变量建立子系统与整体状态空间表达式
  • 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
  • 由子系统传函求整体闭环传函并写四阶能控标准型
本卷实例
  • 关键一步:先求开环传函再用反馈公式得闭环传函,按分母系数写友矩阵
  • 中间结果:能控标准型中A为友矩阵、B为末位单位列、C由分子系数定
  • 卡点:首一化后系数符号与友矩阵排列容易写反
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
  • 本卷考过由子系统传函求整体闭环传函并写四阶能控标准型
  • 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
  • 判断系统是否完全能控并说明理由
本卷实例
  • 关键一步:按能控标准型直接判能控性,或用能控性矩阵的秩
  • 中间结果:能控标准型实现必为完全能控
  • 卡点:BIBO稳定看特征值是否全在左半平面,与能控性不同
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
  • 本卷考过判断系统是否完全能控并说明理由
  • 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、由状态转移矩阵反求A与输出响应#

思路
  • 先由状态转移矩阵与其逆的关系还原矩阵,再对时间求导取零时刻得A,最后用卷积积分求输出。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵求系统矩阵A并计算给定输入下的输出响应
本卷实例
  • 关键一步:利用转置与逆的关系还原状态转移矩阵再对时间求导取零
  • 中间结果:零初值时状态为零状态卷积积分,输出由输出行乘状态得到
  • 卡点:先还原矩阵再求导,直接在逆矩阵上求导会错
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
  • 本卷考过由状态转移矩阵求系统矩阵A并计算给定输入下的输出响应
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 结合给定输入与输出通道写出状态方程并求解
本卷实例
  • 关键一步:由题给输入列与输出行确定输入输出通道后写状态方程
  • 中间结果:把矩阵指数按分量与输入相乘后逐项积分
  • 卡点:卷积积分的变量代换与上下限容易写错
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
  • 本卷考过结合给定输入与输出通道写出状态方程并求解
  • 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

11十一、状态反馈与状态观测器设计#

思路
  • 由对象传函写能控标准型,先按闭环期望特征式定状态反馈阵,再按观测器期望极点定观测器增益阵。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望闭环极点设计状态反馈增益阵
本卷实例
  • 关键一步:先写能控标准型,再令闭环特征式与期望特征式逐项相等
  • 中间结果:状态反馈不改变零点,闭环传函出现零极点对消
  • 卡点:设计前须验证能控性,并注意期望式阶数与对象一致
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
  • 本卷考过按期望闭环极点设计状态反馈增益阵
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 由期望观测器极点设计观测器增益阵
本卷实例
  • 关键一步:令观测器特征行列式等于期望特征多项式再比较系数
  • 中间结果:观测器增益由输出矩阵与期望极点共同确定
  • 卡点:观测器增益阵与状态反馈增益阵形式不同,容易混
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态观测器用输出与输入重构状态,前提是系统能观
  • 极点配置法与龙伯格观测器是两种常用形式
  • 观测器误差动态由 A-LC 的特征值决定
  • 观测器极点通常取得比系统极点快若干倍
步骤
  • 验证系统能观性
  • 写出观测器方程并求误差动态矩阵
  • 按期望特征多项式比较系数求出 L
  • 校验观测器收敛速度是否合适
通用考法
  • 本卷考过由期望观测器极点设计观测器增益阵
  • 设计全维状态观测器
  • 由期望观测器极点求反馈增益阵 L
  • 分析观测器与状态反馈组合后的系统极点
常见易错
  • 把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 忽略观测器极点过快会放大噪声
公式
本卷考法
  • 由受控对象传函写出能控标准型状态空间实现
本卷实例
  • 关键一步:把传函化为严格真分式后按分母系数写友矩阵与输出行
  • 中间结果:传函首一化后系数即为友矩阵末行元素
  • 卡点:传函有原点极点,状态变量个数要与分母阶数对应
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
  • 本卷考过由受控对象传函写出能控标准型状态空间实现
  • 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