←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

合肥工业大学 834 自动控制原理(含现控) 2015 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等 10道大题;第一题为8个填空小题共10空并成一块,其余九道综合题覆盖结构图化简、误差反求、根轨迹、频域、离散系统、描述函数与状态空间;题面多含原卷插图

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、填空题(8小题10空)#

思路
  • 8道填空小题各自独立,覆盖一阶响应指标、主导极点、根轨迹、Bode低频段、超前角、相平面、离散稳定与线性化稳定
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由图1的单位脉冲响应反求单位阶跃响应并判断超调量
本卷实例
  • 关键一步:单位阶跃响应是单位脉冲响应的积分,先定性判断响应单调还是振荡
  • 中间结果:脉冲响应曲线与时间轴所围面积等于阶跃响应稳态值
  • 卡点:脉冲响应图形未读,单调性与积分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
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过由图1的单位脉冲响应反求单位阶跃响应并判断超调量
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
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
  • 由高阶闭环传函的零极点分布确定闭环主导极点
本卷实例
  • 关键一步:先求特征方程根,再比较各极点距虚轴远近并识别偶极子
  • 中间结果:距虚轴最近且附近无零点的极点才是主导极点
  • 卡点:只取距虚轴最近的极点而忽略与零点构成的偶极子对
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
  • 本卷考过由高阶闭环传函的零极点分布确定闭环主导极点
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 由根轨迹图确定出现重极点处的根轨迹增益
本卷实例
  • 关键一步:在根轨迹图上找到分离点或会合点,再用模值条件求增益
  • 中间结果:重极点出现在实轴分离点,增益为该点到各零极点距离之积
  • 卡点:分离点坐标需从图2读取,具体位置需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由根轨迹图确定出现重极点处的根轨迹增益
  • 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
  • 由根轨迹与虚轴交点求系统稳定的增益取值范围
本卷实例
  • 关键一步:令s=jω代入闭环特征方程,分离实部虚部求交点与临界增益
  • 中间结果:虚轴交点对应临界增益,稳定范围由增益穿越临界点的方向确定
  • 卡点:漏掉另一组对称交点导致稳定区间写反
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
  • 本卷考过由根轨迹与虚轴交点求系统稳定的增益取值范围
  • 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
  • 写出I型系统开环对数幅频特性低频段的渐近线斜率
本卷实例
  • 关键一步:由系统型别v直接写出低频段斜率负20v分贝每十倍频程
  • 中间结果:每增加一个积分环节低频段斜率再降低20分贝每十倍频程
  • 卡点:把低频段斜率与高频段斜率混为一谈
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
  • 本卷考过写出I型系统开环对数幅频特性低频段的渐近线斜率
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由超前校正装置传函求提供的最大超前角
本卷实例
  • 关键一步:先把传函整理成k乘(aTs加1)/(Ts加1)标准形式读出a
  • 中间结果:最大超前角出现在两转折频率几何中点,φm等于arcsin((a-1)/(a+1))
  • 卡点:未把分子化成(aTs加1)形式就取a,或分母系数未归一
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
  • 本卷考过由超前校正装置传函求提供的最大超前角
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 由相轨迹方程求等倾线方程并读振荡角频率
本卷实例
  • 关键一步:对相轨迹方程两边关于x求导,令dxdot/dx等于α得等倾线斜率式
  • 中间结果:相轨迹为椭圆时ωn由方程中xdot平方项与x平方项的系数比确定
  • 卡点:求导时漏掉链式法则,把xdot当作与x无关的量
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
  • 本卷考过由相轨迹方程求等倾线方程并读振荡角频率
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散系统脉冲传函的极点位置判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令特征方程D(z)等于零求根,比较各根模与1的大小
  • 中间结果:所有极点模小于1才稳定,有模大于1的极点则不稳定
  • 卡点:把离散稳定判据写成极点实部小于零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环脉冲传函的极点全部位于 z 平面单位圆内则稳定
  • 可直接求解特征根,也可用朱里判据或 w 变换后套劳斯判据
  • w 变换把单位圆内映射到左半平面
  • 采样周期增大会使稳定性变差
步骤
  • 写出闭环脉冲传递函数的特征方程
  • 选择方法:求根、朱里判据或 w 变换后用劳斯判据
  • 对含参数的系统求使稳定成立的参数范围
  • 必要时分析采样周期对稳定域的影响
通用考法
  • 本卷考过由离散系统脉冲传函的极点位置判断稳定性
  • 判断离散系统是否稳定
  • 求使系统稳定的采样周期或增益范围
  • 用 w 变换后套用劳斯判据
常见易错
  • 把稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
  • w 变换公式记错导致映射关系颠倒
公式
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 由线性化模型特征根判断原非线性系统小偏差下的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先对非线性系统在平衡点线性化,再按线性特征根实部符号判定
  • 中间结果:线性化系统特征根均具负实部时原系统在该平衡点渐近稳定
  • 卡点:把线性化结论无条件外推到偏差较大的情形
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
  • 本卷考过由线性化模型特征根判断原非线性系统小偏差下的稳定性
  • 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

2二、结构图求闭环传递函数#

思路
  • 由结构图画信号流图,找出全部单独回路与前向通路后用梅森增益公式求C(s)/R(s)
本卷考法
  • 由含交叉反馈的多回路结构图用梅森增益公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:把结构图整理成信号流图,逐条列出单独回路与前向通路
  • 中间结果:特征式含三个单回路及两两不接触回路L1L3的乘积项
  • 卡点:第二条通路余子式未剔除与其接触的回路L2
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
  • 本卷考过由含交叉反馈的多回路结构图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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路交叉反馈结构图的逐层等效化简
本卷实例
  • 关键一步:从最内环开始等效,再把等效结果与其余回路依次合并
  • 中间结果:逐层化简后系统化为单回路加前向通路的标准形式
  • 卡点:化简内环时把外环信号当作常数处理
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
  • 本卷考过多回路交叉反馈结构图的逐层等效化简
  • 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

3三、误差反求参数与阶跃响应#

思路
  • 先由误差信号反求单位反馈开环参数,再按二阶系统求阶跃响应动态指标与稳态输出
本卷考法
  • 由给定误差信号反求单位反馈系统的误差传递函数并确定K、T
本卷实例
  • 关键一步:对e(t)取拉氏变换得E(s),再由误差传函与已知形式对比系数
  • 中间结果:E(s)与1/s之比化为s的有理式后即可与含K、T的误差传函对齐
  • 卡点:非单位反馈时误用单位反馈的误差传函定义
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
  • 本卷考过由给定误差信号反求单位反馈系统的误差传递函数并确定K、T
  • 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
  • 由误差响应形式反求系统开环传递函数的时间常数与增益
本卷实例
  • 关键一步:把误差传函整理成以1/T与K/T为系数的标准形式再逐项对比
  • 中间结果:由两个系数对比式可解出时间常数T与开环增益K
  • 卡点:未按s的降幂整理传函就直接对比系数
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
  • 本卷考过由误差响应形式反求系统开环传递函数的时间常数与增益
  • 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
  • 求欠阻尼二阶系统单位阶跃响应的超调量、调节时间与稳态输出
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征多项式求ωn与ξ,再套用欠阻尼二阶性能指标公式
  • 中间结果:阻尼比介于0与1之间时响应为衰减振荡,调节时间取5%误差带
  • 卡点:把峰值时间与调节时间公式的系数用反
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
  • 本卷考过求欠阻尼二阶系统单位阶跃响应的超调量、调节时间与稳态输出
  • 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

4四、根轨迹绘制与阻尼比定K#

思路
  • 按根轨迹法则绘制0到无穷的根轨迹,再由等阻尼比条件求满足主导极点阻尼比的K
本卷考法
  • 按常规根轨迹法则绘制开环传函K/[s(s+3)平方]的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定起点终点与分支数,再算实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:三个开环极点且无开环零点,渐近线交点取各极点平均值
  • 卡点:实轴段判据中右侧零极点个数数错
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
  • 本卷考过按常规根轨迹法则绘制开环传函K/[s(s+3)平方]的根轨迹
  • 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
  • 由分离点方程求根轨迹分离点坐标
本卷实例
  • 关键一步:用1/d加2/(d+3)等于零或dK/ds等于零求分离点
  • 中间结果:分离点位于相邻两实数极点之间且需检验是否落在根轨迹上
  • 卡点:解出多个根时不筛选,保留了不在根轨迹上的解
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
  • 本卷考过由分离点方程求根轨迹分离点坐标
  • 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对应的临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令s=jω代入闭环特征方程,分离实部与虚部联立求解
  • 中间结果:由虚部方程得交界频率,代回实部方程得临界增益
  • 卡点:只代一个ω就下结论,漏掉另一组交点
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及对应的临界增益
  • 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
  • 由主导极点阻尼比0.707对应的等阻尼条件求增益K
本卷实例
  • 关键一步:把期望阻尼比折算为复数主导极点的实虚部关系再与特征方程对比
  • 中间结果:可借根之和不变等结论设出第三个实数极点以简化对比
  • 卡点:把等阻尼线当成垂直线或误用开环阻尼比
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
  • 本卷考过由主导极点阻尼比0.707对应的等阻尼条件求增益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

5五、Bode图反求传函与稳定K范围#

思路
  • 由最小相位系统Bode图的分段斜率与低频高度反求开环传函,再用奈奎斯特判据定稳定增益范围
本卷考法
  • 由对数幅频特性各段斜率变化反求最小相位系统开环传函
本卷实例
  • 关键一步:先由低频段高度与斜率定型别和增益,再按每处转折的斜率变化写环节
  • 中间结果:斜率每降20分贝每十倍频程对应一个惯性环节,每升20对应一个微分环节
  • 卡点:把转折频率处的斜率变化量漏累加,导致环节个数数错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 低频段斜率给出积分环节个数即系统型别
  • 低频段高度或延长线与 0 dB 交点给出开环增益
  • 每个转折频率对应一个一阶或二阶环节
  • 斜率变化 -20 对应惯性环节,+20 对应一阶微分,-40 可能是振荡环节
步骤
  • 读低频段斜率确定型别 v
  • 由低频段高度或延长线确定增益 K
  • 逐个读出转折频率并判断对应环节类型
  • 结合相频曲线与谐振峰判定二阶环节参数
  • 写出并验证传递函数
通用考法
  • 本卷考过由对数幅频特性各段斜率变化反求最小相位系统开环传函
  • 由给定 Bode 图写出传递函数
  • 由实验频率特性辨识系统模型
  • 检验候选传递函数与曲线是否吻合
常见易错
  • 把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 斜率变化为 -40 时直接写成一阶环节
公式
本卷考法
  • 由Bode图低频段斜率与高度确定系统型别与开环增益
本卷实例
  • 关键一步:低频段斜率为零说明无积分环节,再由其高度读出开环增益
  • 中间结果:低频段高度等于20lgK减去20v乘lgω的组合量
  • 卡点:把延长线交点直接当作增益而未按型别折算
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Bode图低频段斜率与高度确定系统型别与开环增益
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据求使闭环稳定的开环增益取值范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数P,再比较幅相曲线对负实轴交点的包围关系
  • 中间结果:增益变化只缩放幅相曲线模值,据此定出截止频率应落入的区间
  • 卡点:含积分环节时补画无穷大半径圆弧的方向画错
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求使闭环稳定的开环增益取值范围
  • 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

6六、离散系统脉冲传函与终值#

思路
  • 对差分方程两边作z变换求脉冲传函,再由特征根判稳后用终值定理求终值
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散系统差分方程求脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对差分方程两边作零初始条件下的z变换,整理出C(z)/U(z)
  • 中间结果:时移性质使c(k-m)对应z的负m次幂乘C(z)
  • 卡点:把z的负一次幂记成z,或漏掉零初始条件
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
  • 本卷考过由离散系统差分方程求脉冲传递函数
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由z域特征方程求根以分析离散系统响应与稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并求出全部特征根
  • 中间结果:两个特征根模均小于1时系统稳定
  • 卡点:把e的负aT次幂写成e的负a次幂导致根位置错
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
  • 本卷考过由z域特征方程求根以分析离散系统响应与稳定性
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 用终值定理求离散系统在单位阶跃输入下的终值
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再用c无穷等于lim(z-1)C(z)(z趋于1)求解
  • 中间结果:单位阶跃输入的z变换为z/(z-1),与脉冲传函相乘后取极限
  • 卡点:未判稳就直接使用终值定理
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过用终值定理求离散系统在单位阶跃输入下的终值
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
公式

7七、描述函数法判定自持振荡#

思路
  • 写出负倒描述函数与线性部分幅相特性,在同一复平面比较两者相对位置判断自振并求振幅频率
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求非线性环节的描述函数及其负倒数曲线
本卷实例
  • 关键一步:由描述函数N(X)写出负倒数并分析其随振幅变化的单调性与走向
  • 中间结果:负倒描述函数曲线起点与终点由X趋于0与X趋于无穷的极限确定
  • 卡点:画的是N(X)而不是负倒数导致稳定性判据方向画反
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
  • 本卷考过求非线性环节的描述函数及其负倒数曲线
  • 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
  • 用描述函数法判断系统自持振荡并求自振振幅与频率
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分幅相特性与负实轴交点,再与负倒描述函数曲线比较
  • 中间结果:两曲线交点为自振点,振幅由负倒描述函数反求,频率由相位条件定
  • 卡点:未标注振幅增大方向就判断交点是否稳定
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
  • 本卷考过用描述函数法判断系统自持振荡并求自振振幅与频率
  • 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、由微分方程写能控标准型#

思路
  • 对输入输出微分方程取拉氏变换求真分式传函,再按能控标准型写状态空间表达式
本卷考法
  • 由输入输出微分方程写能控标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:把微分方程两边取拉氏变换得传函,化为真分式后按分母系数写友矩阵
  • 中间结果:能控标准型A的末行为分母系数取负,B为末位为1的列向量
  • 卡点:友矩阵中系数符号写反或把直接传递项漏掉
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
  • 本卷考过由输入输出微分方程写能控标准型状态空间表达式
  • 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
  • 按指定形式列写状态空间表达式并写出A、B、C矩阵
本卷实例
  • 关键一步:选输出及其各阶导数为状态变量,把高阶方程化为一阶方程组
  • 中间结果:输出方程由原方程右端的输入导数项对应得到
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配
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
  • 本卷考过按指定形式列写状态空间表达式并写出A、B、C矩阵
  • 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

9九、状态空间求传函与状态响应#

思路
  • 由A、B、C求传递函数矩阵,再用状态转移矩阵求零输入下的状态与输出响应
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数矩阵
本卷实例
  • 关键一步:用G(s)等于C乘(sI减A)的逆乘B计算,先求矩阵的逆
  • 中间结果:A为约当块时其逆可直接写出,并注意零极点对消对能控能观的影响
  • 卡点:漏掉直接传递项D,或把约当块的逆矩阵写错
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表达式求传递函数矩阵
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵并计算给定初值零输入下的状态与输出
本卷实例
  • 关键一步:由矩阵指数拉氏反变换求状态转移矩阵,再乘初值
  • 中间结果:零输入时状态等于转移矩阵乘初值,输出由C乘状态得到
  • 卡点:矩阵指数与状态转移矩阵的物理意义混淆
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
  • 本卷考过求状态转移矩阵并计算给定初值零输入下的状态与输出
  • 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

10十、全维状态观测器与状态反馈#

思路
  • 先判能控能观,再分别按期望闭环极点和观测器极点配置状态反馈阵与观测器增益阵
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈阵使系统闭环极点位于负1加减j
本卷实例
  • 关键一步:先验证能控性,再由闭环特征多项式与期望多项式对比系数求K
  • 中间结果:状态反馈不改变能控性,闭环极点可任意配置的前提是能控
  • 卡点:未验证能控性就直接配置极点,或系数对比时符号写反
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阵使系统闭环极点位于负1加减j
  • 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
  • 设计全维状态观测器使观测器极点位于负3、负3
本卷实例
  • 关键一步:由观测器特征多项式与期望多项式对比求增益阵G
  • 中间结果:观测器方程含G乘(y减Cx)校正项,G与K的求法互为对偶
  • 卡点:把观测器增益阵G写成状态反馈增益阵K的形式
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
  • 本卷考过设计全维状态观测器使观测器极点位于负3、负3
  • 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