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华北电力大学(保定) 821 自动控制理论(含现控) 2023 年真题思维导图

211 院校共 7 题

难度:中等偏上 七道大题覆盖锅炉给水控制、RLC电路建模与响应、储气罐压力控制与奈奎斯特、离散系统、双入双出状态空间、状态反馈极点配置、非线性描述函数分析;工程背景与图题较多,图题只写结构性步骤。

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一一、锅炉给水控制系统35 分#

思路
  • 由原理图和方框图分别求开环、给定与扰动通道的闭环传函、特征方程和误差传函;代入题给参数用劳斯判据分析稳定性,并由终值定理求单位阶跃输入下的稳态误差;最后说明前馈环节 Gf 的扰动补偿作用。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由锅炉给水控制系统的方框图求开环与闭环传函及特征方程
本卷实例
  • 关键一步:按信号流向找出主反馈回路与局部回路
  • 关键一步:逐层化简后写出开环传函和闭环特征方程
  • 中间结果:闭环特征方程为开环传函分母加分子
  • 卡点:原理图与方框图为原卷插图,信号流向需回原卷核对图
  • 卡点:主蒸汽流量扰动的作用点容易看错
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
  • 本卷考过由锅炉给水控制系统的方框图求开环与闭环传函及特征方程
  • 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
本卷考法
  • 分别求给定输入和扰动输入下的闭环传函与误差传函
本卷实例
  • 关键一步:求某一通道传函时把另一输入置零
  • 关键一步:按梅森公式分别列给定与扰动的前向通路和回路
  • 中间结果:两个通道的闭环特征式相同,分子反映各自输入通路
  • 卡点:求扰动传函时未把给定输入置零
  • 卡点:把误差传函与输出传函混为一谈
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
  • 本卷考过分别求给定输入和扰动输入下的闭环传函与误差传函
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 代入题给参数用劳斯判据分析闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把题给 Gc1、Gc2、Gv、Go 代入特征方程
  • 关键一步:列劳斯表并检查首列符号
  • 中间结果:特征方程全部系数同号且劳斯表首列无变号时闭环稳定
  • 卡点:参数量纲或时间常数漏乘
  • 卡点:分子分母未整理成降幂多项式就列劳斯表
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 特征方程各项系数全为正只是必要条件,不充分
  • 劳斯表首列元素全部同号 ⇔ 系统稳定
  • 首列符号变化次数等于右半平面闭环极点数
  • 首列出现 0 时需用 ε 法或乘辅助多项式处理
步骤
  • 写出闭环特征方程并整理成降幂排列
  • 若某次幂系数缺项,该项补零
  • 列劳斯表:前两行为系数,之后各行按交叉相减
  • 检查首列符号:全同号则稳定,有变号则数出个数
通用考法
  • 本卷考过代入题给参数用劳斯判据分析闭环稳定性
  • 判断给定系统的稳定性
  • 指出右半平面闭环极点的个数
  • 求使系统稳定的参数范围
常见易错
  • 系数有缺项时不补零,直接套用判据
  • 首列出现 0 后仍按常规继续算,未用 ε 法
公式
本卷考法
  • 求给定单位阶跃输入且扰动为零时的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先确认系统稳定,写出误差传函
  • 关键一步:用终值定理求单位阶跃输入下的稳态误差
  • 中间结果:有积分环节时单位阶跃输入稳态误差为零
  • 卡点:未判稳就使用终值定理
  • 卡点:把误差定义取成输出与给定之差而非给定与反馈之差
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
  • 本卷考过求给定单位阶跃输入且扰动为零时的稳态误差
  • 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
  • 说明前馈控制器 Gf 在锅炉给水控制中的作用
本卷实例
  • 关键一步:指出 Gf 从可测扰动引出前馈补偿信号
  • 关键一步:令扰动到输出的传函为零反推补偿关系
  • 中间结果:前馈补偿不影响闭环特征方程,只改变扰动通道传函
  • 卡点:把前馈补偿说成反馈校正
  • 卡点:忽略补偿器物理可实现性
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
  • 本卷考过说明前馈控制器 Gf 在锅炉给水控制中的作用
  • 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

二二、RLC电路建模与响应25 分#

思路
  • 由 KVL 和元件伏安关系列微分方程并求传递函数;化为二阶标准形求自然频率与阻尼比,据此计算单位阶跃响应的峰值、稳态值和调节时间;最后按阻尼比不小于一定值求电阻范围。
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由 RLC 电路列微分方程并求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按 KVL 写输入电压等于电感电压、电阻电压与电容电压之和
  • 关键一步:把电容电流与电容电压的导数关系代入消去电流
  • 中间结果:消元后得到以电容电压为输出的二阶微分方程
  • 卡点:把电容阻抗与电感阻抗的复频域表达式写反
  • 卡点:电路连接方式为原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由 RLC 电路列微分方程并求传递函数
  • 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
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
  • 由二阶传递函数求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把传递函数分母整理成二阶标准形
  • 关键一步:由一次项系数和常数项读出两个参数
  • 中间结果:阻尼比等于电阻项与两倍自然频率之比
  • 卡点:未先把 s 平方项系数归一
  • 卡点:把自然频率与谐振频率混为一谈
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
  • 本卷考过由二阶传递函数求阻尼比与自然频率
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 计算单位阶跃响应的峰值、稳态值和调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比判断是欠阻尼还是过阻尼
  • 关键一步:按相应公式算峰值时间、超调量和调节时间
  • 中间结果:稳态值等于传递函数在零频处的增益
  • 卡点:把峰值时间与上升时间混用
  • 卡点:调节时间误差带百分比不同导致系数取错
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
  • 本卷考过计算单位阶跃响应的峰值、稳态值和调节时间
  • 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
  • 绘制二阶 RLC 电路传递函数的 Bode 草图
本卷实例
  • 关键一步:写出二阶环节的幅频和相频表达式
  • 关键一步:按低频渐近线、转角频率和高频渐近线画草图
  • 中间结果:高频段斜率为负四十并伴随谐振峰
  • 卡点:把振荡环节的谐振峰位置当成自然频率
  • 卡点:高频斜率误写成负二十
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过绘制二阶 RLC 电路传递函数的 Bode 草图
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式

三三、储气罐压力控制与奈奎斯特25 分#

思路
  • 由压力控制系统方框图求开环传函,按比例控制画奈奎斯特曲线并用判据求 k 稳定区间;比例积分控制时分解出比例与积分环节画 Bode 并判断超前或滞后,再由曲线求幅值裕量;最后设计前馈补偿消除出口流量对输出的影响。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环奈奎斯特曲线求比例控制下参数 k 的稳定区间
本卷实例
  • 关键一步:写出比例控制时的开环传函
  • 关键一步:画曲线并判断其对负一临界点的包围情况
  • 中间结果:k 的稳定区间由曲线与负实轴交点位置确定
  • 卡点:开环含惯性环节但无积分环节,右半平面极点数需先数清
  • 卡点:曲线草图为原卷要求绘制,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
  • 本卷考过由开环奈奎斯特曲线求比例控制下参数 k 的稳定区间
  • 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
  • 画比例积分控制器的 Bode 图并判断超前或滞后特性
本卷实例
  • 关键一步:把控制器写成比例环节与积分环节的组合
  • 关键一步:在转折频率两侧比较幅频斜率和相频范围
  • 中间结果:比例积分环节低频增益高、相位滞后,属滞后特性
  • 卡点:把积分环节的负九十度说成正九十度
  • 卡点:把比例增益当成转折频率
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过画比例积分控制器的 Bode 图并判断超前或滞后特性
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由系统开环频率特性求幅值裕量
本卷实例
  • 关键一步:先找相位穿越频率
  • 关键一步:在该频率处读取幅值并取倒数后换算成分贝
  • 中间结果:幅值裕度为正表示系统有稳定余量
  • 卡点:相位穿越频率与剪切频率用反
  • 卡点:幅值裕度取倒数后未取分贝
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
  • 本卷考过由系统开环频率特性求幅值裕量
  • 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
  • 分析比例积分控制器参数对系统稳定性和稳定裕度的影响
本卷实例
  • 关键一步:写出比例积分控制器的传递函数
  • 关键一步:分别改变比例增益与积分时间观察转折频率和相位变化
  • 中间结果:积分时间越小积分作用越强,低频增益提高但相位滞后增大
  • 卡点:把比例积分控制器的相位影响说成超前
  • 卡点:忽略积分时间变化对幅值裕量的影响
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
  • 本卷考过分析比例积分控制器参数对系统稳定性和稳定裕度的影响
  • 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
本卷考法
  • 设计前馈补偿环节 Gf 消除出口流量对压力的影响并画原理框图
本卷实例
  • 关键一步:写出出口流量到输出的扰动通道传函
  • 关键一步:令其为零反解 Gf 的传递函数
  • 中间结果:Gf 由扰动通道与调节通道的比值确定
  • 卡点:前馈补偿环节可能含微分而不可实现
  • 卡点:原理框图中前馈信号引出点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过设计前馈补偿环节 Gf 消除出口流量对压力的影响并画原理框图
  • 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

四四、离散系统脉冲传函与稳定15 分#

思路
  • 先求控制器与对象串联并经零阶保持器后的 z 变换,按反馈结构写出闭环脉冲传递函数;令特征多项式为零求闭环极点,按极点模是否小于一判断稳定性。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含零阶保持器的采样系统求闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先求连续部分与零阶保持器乘积的 z 变换
  • 关键一步:按单位反馈结构写成闭环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函分母为一加开环脉冲传函
  • 卡点:零阶保持器未计入或误当作纯延迟
  • 卡点:采样周期 T 未代入 z 变换结果
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
  • 本卷考过由含零阶保持器的采样系统求闭环脉冲传递函数
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环特征根判断离散控制系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:令闭环特征多项式为零求特征根
  • 关键一步:按特征根模是否小于一判断稳定
  • 中间结果:全部特征根位于 z 平面单位圆内时系统稳定
  • 卡点:把单位圆稳定判据写成左半平面判据
  • 卡点:未代入题给指数近似值导致极点算错
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
  • 本卷考过由闭环特征根判断离散控制系统稳定性
  • 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

五五、双入双出状态空间30 分#

思路
  • 由状态空间表达式求传递函数矩阵并约去零极点对消得最简形式;由系统矩阵特征值判断内部稳定性、由传函极点判断外部稳定性;构造能控能观判别矩阵;比较两个输入列判断单输入能否完成二维控制;最后按能观标准型写出实现。
本卷考法
  • 求双入双出系统的传递函数矩阵并化为最简形式
本卷实例
  • 关键一步:对每个输入输出通道分别求预解矩阵相关乘积
  • 关键一步:把各通道结果排成传递函数矩阵并约去公因子
  • 中间结果:约简后传递函数矩阵的阶数反映最小实现维数
  • 卡点:漏掉直接传递项 D
  • 卡点:矩阵乘法顺序写反导致通道对应错位
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
  • 本卷考过求双入双出系统的传递函数矩阵并化为最简形式
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统矩阵特征值判断内部稳定性并区分外部稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵的特征值
  • 关键一步:再由传递函数极点判断外部稳定性
  • 中间结果:状态矩阵特征值全在左半平面则内部稳定
  • 卡点:把内部稳定与外部稳定混为一谈
  • 卡点:特征值为重根时仍按单根处理
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
  • 本卷考过由系统矩阵特征值判断内部稳定性并区分外部稳定性
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断双入双出系统的能控性与能观性并分析单输入控制方案
本卷实例
  • 关键一步:分别用两个输入列构造能控判别矩阵
  • 关键一步:比较单独使用每个输入时判别矩阵的秩
  • 中间结果:某一个输入单独作用时能控判别矩阵满秩,即可完成二维控制
  • 卡点:把能控性与能观性判据的矩阵构造弄反
  • 卡点:只看输入矩阵的列数就判断能控
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
  • 本卷考过判断双入双出系统的能控性与能观性并分析单输入控制方案
  • 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
  • 由传递函数矩阵写出四维能观标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:先确定各通道传递函数的公分母
  • 关键一步:按能观标准型构造状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵
  • 中间结果:能观标准型的维数由公分母阶数决定
  • 卡点:友矩阵元素排列顺序写错
  • 卡点:输出矩阵未按能观标准型对应放置系数
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矩阵写出四维能观标准型实现
  • 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

六六、状态反馈极点配置20 分#

思路
  • 由方框图选状态变量列写状态空间表达式;用李雅普诺夫第一法或第二法判断平衡状态渐近稳定性;再按调节时间和超调量指标求期望极点,用状态反馈极点配置解出 K,并判断反馈后系统的能观性。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由被控对象方框图列写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:选积分器输出为状态变量并标出状态变量
  • 关键一步:按各支路与状态变量的关系写状态方程和输出方程
  • 中间结果:状态矩阵由方框图中的反馈系数构成
  • 卡点:状态变量选取不独立导致方程不完整
  • 卡点:方框图为原卷插图,支路走向需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由被控对象方框图列写状态空间表达式
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 判断二阶系统平衡状态是否渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:求系统矩阵的特征值或用李雅普诺夫方程
  • 关键一步:按特征值实部符号或方程解的正定性判断
  • 中间结果:特征值实部均为负时平衡状态渐近稳定
  • 卡点:把李雅普诺夫第一法与第二法的判据混用
  • 卡点:只判断李雅普诺夫函数正定而不检查导数
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
  • 本卷考过判断二阶系统平衡状态是否渐近稳定
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由调节时间和超调量指标求期望极点并设计反馈矩阵 K
本卷实例
  • 关键一步:由超调量反求阻尼比、由调节时间反求自然频率
  • 关键一步:写出期望二阶特征多项式后与闭环特征多项式比对
  • 中间结果:反馈矩阵的两个元素由同次项系数方程确定
  • 卡点:调节时间误差带按百分之五还是百分之二未确认
  • 卡点:未验证能控性就直接配置极点
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
  • 本卷考过由调节时间和超调量指标求期望极点并设计反馈矩阵 K
  • 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观性
本卷实例
  • 关键一步:用反馈后的状态矩阵与输出矩阵构造能观判别矩阵
  • 关键一步:比较判别矩阵的秩与系统阶数
  • 中间结果:能观判别矩阵满秩时反馈后系统仍能观
  • 卡点:仍用反馈前矩阵计算
  • 卡点:秩与行列式关系用错
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

七七、非线性描述函数分析#

思路
  • 写出死区继电特性的描述函数及其负倒描述函数,利用自振条件线性部分频率特性等于负倒描述函数;把题给输出频率和振幅分别代入实部与虚部方程,联立求参数 K 和 a,并画两条曲线判断交点。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出死区继电特性的描述函数及其负倒表达式
本卷实例
  • 关键一步:按死区继电特性的分段输入输出关系求一次谐波
  • 关键一步:把描述函数写成幅值 A 的函数
  • 中间结果:负倒描述函数为描述函数取负后再取倒数
  • 卡点:把描述函数当成频率的函数
  • 卡点:忽略适用条件 A 大于等于死区宽度 h
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
  • 本卷考过写出死区继电特性的描述函数及其负倒表达式
  • 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
  • 用描述函数法求自振参数并确定 K 与 a
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分频率特性等于负倒描述函数
  • 关键一步:把题给自振频率与振幅代入后分离实部与虚部
  • 中间结果:实部与虚部两个方程联立可解出两个未知参数
  • 卡点:负倒描述函数曲线与线性部分曲线画反
  • 卡点:把自振频率当成截止频率
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求自振参数并确定 K 与 a
  • 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
本卷考法
  • 分析死区继电特性对系统自振的影响
本卷实例
  • 关键一步:说明死区使小信号输入时输出为零
  • 关键一步:指出继电特性使负倒描述函数在负实轴上移动
  • 中间结果:死区宽度影响自振振幅的存在范围
  • 卡点:认为死区只会使系统更稳定
  • 卡点:忽略非线性特性分段阈值需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过分析死区继电特性对系统自振的影响
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式