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河北工业大学 897 自动控制理论(含现控) 2019 年真题思维导图

211 院校共 13 题合计 150 分

难度:中等 十一道大题:简答三问(运放传函、PID参数影响、状态观测器)、复合控制扰动不变性与动态指标、由重根与等幅振荡条件反求开环传函、参数根轨迹与欠阻尼条件、由极坐标图与对数幅频求幅值裕度与相角裕度、最少拍数字控制器设计、最大超前相角频率的证明、约旦标准型与状态转移矩阵、非线性系统平衡点稳定性、状态反馈极点配置与模拟结构图、描述函数法自振与参数确定。多题以结构图或曲线给出,需结合图形条件。

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一1一1、运放电路求传递函数5 分#

思路
  • 由虚短虚断列出节点关系,逐级求运放电路的传递函数。
本卷考法
  • 由含运放的网络列节点方程求输出电压对输入的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用虚短虚断把各级运放输入输出关系写成代数式
  • 中间结果:两级反相组态相乘得到总传函
  • 卡点:每条反馈支路阻抗按复阻抗法求
  • 卡点: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
  • 本卷考过由含运放的网络列节点方程求输出电压对输入的传递函数
  • 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
  • 把运放反相输入组态的传函写成反馈阻抗与输入阻抗之比
本卷实例
  • 关键一步:反相端输入时增益为反馈阻抗与输入阻抗之比
  • 中间结果:级联时两级传函相乘
  • 卡点:勿漏反相组态带来的负号
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
  • 本卷考过把运放反相输入组态的传函写成反馈阻抗与输入阻抗之比
  • 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

一2一2、PID传递函数及参数对输出的影响5 分#

思路
  • 写出PID传函并逐项说明比例系数与积分时间常数变化对闭环性能的作用。
本卷考法
  • 写出PID传递函数并说明比例与积分参数对系统的影响
本卷实例
  • 关键一步:把PID写成比例加积分加微分三项之和
  • 中间结果:比例项提高增益,积分项提升型别
  • 卡点:积分时间常数越小积分作用越强
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
  • 本卷考过写出PID传递函数并说明比例与积分参数对系统的影响
  • 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

一3一3、状态观测器的目的、与状态反馈的区别与条件5 分#

思路
  • 说明构造观测器的目的、与状态反馈的差别以及可构造条件。
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 说明状态观测器的作用与可配置极点的条件
本卷实例
  • 关键一步:从状态不可直接测量出发说明需重构状态
  • 中间结果:观测器误差动态由观测器极点决定
  • 卡点:观测器极点应比状态反馈极点更快
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
  • 本卷考过说明状态观测器的作用与可配置极点的条件
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 对比状态反馈与观测器在极点配置对象上的区别
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈配置闭环极点,观测器配置误差极点
  • 中间结果:两者的可配置条件分别对应能控与能观
  • 卡点:勿把观测器增益与状态反馈增益混用
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
  • 本卷考过对比状态反馈与观测器在极点配置对象上的区别
  • 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

二二、复合控制系统的扰动不变性与动态指标10 分#

思路
  • 由扰动完全不变确定前馈通道,再由超调量与峰值时间反求前向增益。
本卷考法
  • 令扰动到输出的传函为零,求满足扰动不变性的前馈装置
本卷实例
  • 关键一步:把参考输入置零,写扰动到输出的传函
  • 中间结果:前馈装置需抵消扰动通道的传函
  • 卡点:求扰动传函时勿把参考输入留在式中
  • 卡点: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
  • 本卷考过令扰动到输出的传函为零,求满足扰动不变性的前馈装置
  • 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
  • 由结构图写出扰动作用下的输出与误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按多输入叠加分别写给定与扰动通道
  • 中间结果:两条通道的代数和构成总误差
  • 卡点:勿漏扰动作用点后的环节
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
  • 本卷考过由结构图写出扰动作用下的输出与误差传递函数
  • 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
本卷考法
  • 用前馈补偿实现扰动不变性并说明其不影响闭环稳定
本卷实例
  • 关键一步:前馈通道抵消扰动通路,不进入闭环特征方程
  • 中间结果:补偿条件由两通道传函相等给出
  • 卡点:前馈补偿器若含高阶微分则不可实现
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
  • 本卷考过用前馈补偿实现扰动不变性并说明其不影响闭环稳定
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与峰值时间两个指标反求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:由超调量定阻尼比,再由峰值时间定自然频率
  • 中间结果:两指标联合确定二阶系统参数
  • 卡点:勿把峰值时间当调节时间代入
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间两个指标反求阻尼比与自然频率
  • 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

三三、由闭环重根与等幅振荡条件反求开环传函并求阶跃响应15 分#

思路
  • 由 I 型三阶无零点的结构设开环传函,用闭环重根与临界振荡条件定参数,再求阶跃响应。
本卷考法
  • 由等幅振荡的频率定根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:把 s 用虚轴频率代入特征方程分离实虚部
  • 中间结果:临界振荡频率给出根轨迹与虚轴交点
  • 卡点:勿只代一个频率而漏掉共轭的另一交点
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
  • 本卷考过由等幅振荡的频率定根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 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
本卷考法
  • 由闭环重根条件确定三阶系统开环传函的未定参数
本卷实例
  • 关键一步:重根处特征多项式与其导数同为零
  • 中间结果:重根与振荡条件联立定出结构参数
  • 卡点:I 型三阶无零点即三个极点含一个原点
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
  • 本卷考过由闭环重根条件确定三阶系统开环传函的未定参数
  • 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
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
  • 由重根对应的闭环极点求单位阶跃响应
本卷实例
  • 关键一步:由特征根写部分分式再反变换
  • 中间结果:重根使响应出现时间乘指数的项
  • 卡点:重根需按多重极点规则分解
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
  • 本卷考过由重根对应的闭环极点求单位阶跃响应
  • 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

四四、参数根轨迹与欠阻尼条件的参数范围15 分#

思路
  • 以 m 为变量整理等效开环传函画根轨迹,再由欠阻尼与调节时间要求定 m 范围。
本卷考法
  • 以 m 为变量写出等效开环传函并绘制参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把含 m 的项整理到分子构造等效开环
  • 中间结果:等效开环的零极点决定根轨迹分支
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过以 m 为变量写出等效开环传函并绘制参数根轨迹
  • 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
  • 由等阻尼线与调节时间约束在根轨迹上定参数范围
本卷实例
  • 关键一步:把调节时间约束折算成闭环根实部的不等式
  • 中间结果:欠阻尼对应阻尼比小于一
  • 卡点:两约束要取交集,勿只满足其一
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
  • 本卷考过由等阻尼线与调节时间约束在根轨迹上定参数范围
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由调节时间与误差带计算闭环根实部的下界
本卷实例
  • 关键一步:按给定误差带选对应的调节时间公式
  • 中间结果:调节时间与实部成反比
  • 卡点:五分与二分误差带的系数不同
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
  • 本卷考过由调节时间与误差带计算闭环根实部的下界
  • 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
本卷考法
  • 按法则画根轨迹草图确定满足约束的区段
本卷实例
  • 关键一步:先标实轴根轨迹段与渐近线
  • 中间结果:根轨迹与等阻尼线交点给出临界参数
  • 卡点:渐近线与实轴交点坐标勿算错
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
  • 本卷考过按法则画根轨迹草图确定满足约束的区段
  • 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

五五、由极坐标图与对数幅频特性求幅值裕度与相角裕度15 分#

思路
  • 系统由两条已知频率特性曲线串联,先由幅值裕度定放大器增益,再求相角裕度。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由幅值裕度要求反求放大器增益,再读相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由两环节相乘求开环幅相特性
  • 中间结果:幅值裕度对应相位穿越频率处的幅值倒数
  • 卡点:幅值裕度用分贝表示时勿忘取反对数
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
  • 本卷考过由幅值裕度要求反求放大器增益,再读相角裕度
  • 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
  • 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
  • 由对数幅频特性读转折频率、斜率与低频增益
本卷实例
  • 关键一步:逐段读各环节的转折频率与斜率变化
  • 中间结果:低频段斜率与高度给出型别与增益
  • 卡点:逐段改斜率是累加而非替换
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
  • 本卷考过由对数幅频特性读转折频率、斜率与低频增益
  • 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
本卷考法
  • 由极坐标图读相角范围并与对数幅频数据对照
本卷实例
  • 关键一步:由极坐标图定各频率处的相角
  • 中间结果:两环节幅频相乘、相频相加
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由极坐标图读相角范围并与对数幅频数据对照
  • 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

六六、最少拍数字控制器设计15 分#

思路
  • 由被控对象与采样周期求广义脉冲传函,按最少拍设计 D(z) 并画出输出。
本卷考法
  • 按最少拍要求构造闭环脉冲传函并反求数字控制器
本卷实例
  • 关键一步:先求广义对象脉冲传函,再按输入类型选最少拍闭环式
  • 中间结果:数字控制器由闭环与开环脉冲传函之比给出
  • 卡点:数字控制器要满足物理可实现性
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按最少拍要求构造闭环脉冲传函并反求数字控制器
  • 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
  • 由连续对象与零阶保持器求广义脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对含零阶保持器的连续部分作 z 变换
  • 中间结果:部分分式后逐项查 z 变换表
  • 卡点:勿把两个连续环节分别离散后相乘
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
  • 本卷考过由连续对象与零阶保持器求广义脉冲传递函数
  • 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
  • 用 z 变换与留数法求各采样点的输出序列
本卷实例
  • 关键一步:由闭环传函乘以输入 z 变换后作 z 反变换
  • 中间结果:输出序列逐拍给出
  • 卡点:反变换结果要标注采样时刻
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
  • 本卷考过用 z 变换与留数法求各采样点的输出序列
  • 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
  • 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

七七、证明最大超前相角对应频率为转折频率的几何中点10 分#

思路
  • 由超前网络相频表达式求极值,证明最大相角频率为两个转折频率的几何平均。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 对超前网络相频表达式求导,证明最大相角对应的频率
本卷实例
  • 关键一步:对反正切相角差求导并令导数为零
  • 中间结果:对相角表达式求极值可得转折频率的几何关系
  • 卡点:注意校正网络参数范围与前缀系数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超前校正利用相位超前特性提高相角裕度
  • 会使截止频率提高,响应加快
  • 最大超前角出现在两个转折频率的几何中点
  • 最大超前角不超过 60°,否则噪声放大明显
步骤
  • 由未校正系统的相角裕度差额确定所需最大超前角
  • 由最大超前角公式求 α
  • 由 α 与目标截止频率求两个转折频率
  • 写出校正装置传递函数并校验
通用考法
  • 本卷考过对超前网络相频表达式求导,证明最大相角对应的频率
  • 设计串联超前校正装置
  • 计算校正后的相角裕度与截止频率
  • 分析超前校正的局限性
常见易错
  • 计算补偿角时忽略截止频率变化带来的附加相角损失
  • α 的取值与超前角公式方向取反
公式
本卷考法
  • 写出超前网络的幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:把传函写成零极点形式再取模与相角
  • 中间结果:相角为两个反正切之差
  • 卡点:求导时勿漏链式法则
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
  • 本卷考过写出超前网络的幅频与相频表达式
  • 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

八八、约旦标准型参数确定、状态转移矩阵与解20 分#

思路
  • 由给定状态空间与其约旦标准型的对应关系定参数,求矩阵指数并由初值与输入求响应。
本卷考法
  • 由原系统与约旦标准型的特征值对应关系确定矩阵参数
本卷实例
  • 关键一步:比对角标准型的特征值与输出关系定参数
  • 中间结果:特征值决定约旦块的位置
  • 卡点:输出矩阵的对应关系勿只看传函
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
  • 本卷考过由原系统与约旦标准型的特征值对应关系确定矩阵参数
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由特征值与变换阵求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先由对角阵指数再作相似变换
  • 中间结果:转移矩阵含两个指数模态
  • 卡点:矩阵乘积顺序勿颠倒
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
  • 本卷考过由特征值与变换阵求状态转移矩阵
  • 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
本卷考法
  • 由给定初值与输入求状态方程的完整解
本卷实例
  • 关键一步:把初值项与输入卷积项分别代入状态解公式
  • 中间结果:解由零输入与零状态两部分叠加
  • 卡点:卷积积分上限为时间变量
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
  • 本卷考过由给定初值与输入求状态方程的完整解
  • 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

九九、非线性系统状态方程、平衡点与李雅普诺夫稳定性10 分#

思路
  • 把二阶非线性方程写成状态方程,求平衡点并用线性化或李雅普诺夫法判断稳定性。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫第二法或线性化判断各平衡点的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:在各平衡点附近作小偏差线性化或构造李雅普诺夫函数
  • 中间结果:由特征值实部符号判断局部稳定性
  • 卡点:非线性系统平衡点稳定性需逐点判断
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
  • 本卷考过用李雅普诺夫第二法或线性化判断各平衡点的稳定性
  • 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
  • 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
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 说明非线性系统平衡点稳定性的判断与线性系统的差别
本卷实例
  • 关键一步:由状态方程取零得平衡点方程组
  • 中间结果:不同平衡点的稳定性可以不同
  • 卡点:线性化法在特征值实部为零时失效
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 不满足叠加原理,输出与初始条件、输入幅值都有关
  • 可能出现自持振荡即极限环
  • 响应可能对初始条件敏感,出现跳跃谐振
  • 线性系统的稳定性概念需要推广为局部稳定性
步骤
  • 确认系统含明显非线性环节
  • 判断该非线性是本质非线性还是可线性化的弱非线性
  • 按非线性分析方法选择描述函数法或相平面法
通用考法
  • 本卷考过说明非线性系统平衡点稳定性的判断与线性系统的差别
  • 说明非线性系统与线性系统的本质差别
  • 指出同步振荡、跳跃谐振等特有现象
  • 判断某系统应选用哪种分析方法
常见易错
  • 把非线性环节线性化后直接沿用线性理论的全部结论
  • 认为非线性系统一定不稳定
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 把二阶非线性微分方程改写成一阶状态方程组
本卷实例
  • 关键一步:取状态变量为位移与速度
  • 中间结果:状态方程含非线性项
  • 卡点:状态变量个数与方程阶数一致
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
  • 本卷考过把二阶非线性微分方程改写成一阶状态方程组
  • 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

十十、状态反馈极点配置与模拟结构图15 分#

思路
  • 由性能指标定期望闭环极点,对能控标准型设计状态反馈并画出模拟结构图。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由超调量与调节时间定期望极点,设计状态反馈增益向量
本卷实例
  • 关键一步:由动态指标定主导极点再加入第三个极点
  • 中间结果:用期望特征多项式与闭环特征多项式比对
  • 卡点:先判能控再作极点配置
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
  • 本卷考过由超调量与调节时间定期望极点,设计状态反馈增益向量
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与调节时间反求二阶主导极点参数
本卷实例
  • 关键一步:由超调量定阻尼比、由调节时间定自然频率
  • 中间结果:主导极点落在等阻尼线上
  • 卡点:误差带不同时调节时间系数不同
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调节时间反求二阶主导极点参数
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 按状态反馈结构画出模拟结构图
本卷实例
  • 关键一步:把反馈增益接在各状态变量到输入的通道上
  • 中间结果:结构图含积分器与加法器
  • 卡点:反馈极性要与负反馈假设一致
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
  • 本卷考过按状态反馈结构画出模拟结构图
  • 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

十一十一、描述函数法分析自振与参数确定10 分#

思路
  • 由非线性描述函数与线性部分在复平面交点求自振频率与振幅,再由指定振幅频率反求参数。
本卷考法
  • 由负倒描述函数与线性部分传函的交点求自振参数
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分幅相特性等于负倒描述函数后分离实虚部
  • 中间结果:交点频率为自振角频率、对应振幅为自振幅值
  • 卡点:必须标注振幅增大方向判断自振稳定性
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传函的交点求自振参数
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定描述函数写出负倒描述函数并分析其轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把描述函数取负倒数写成振幅的表达式
  • 中间结果:负倒描述函数随振幅变化的轨迹在复平面上
  • 卡点:描述函数只适用于基波近似条件
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
  • 本卷考过由给定描述函数写出负倒描述函数并分析其轨迹
  • 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