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华东理工大学 816 控制原理 2015 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等偏难 8 道综合计算题,覆盖结构图与闭环传函、含初值的时域全响应、参数根轨迹、非最小相位奈氏与 Bode 判稳、串联校正选型、采样系统稳定与稳态误差、饱和非线性相平面、状态空间能控能观与极点配置;框图与频域曲线题占比高。

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一由方程组绘制结构图并求闭环传函#

思路
  • 把五个信号关系式按因果顺序连成结构图,注意 R 与 N 两个输入;再用梅森公式分别求参考输入与扰动作用下的闭环传函。
本卷考法
  • 由方程组对应的系统用梅森公式求闭环传函
  • 区分前向通道与回路并判断是否接触
本卷实例
  • 关键一步:按方程组把每个 X 写成上游信号组合再连线
  • 中间结果:R 到 C 有三条前向通道,两回路互不接触
  • 卡点:X1 反馈支路接入点易画错,会改变回路个数
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
  • 本卷考过由方程组对应的系统用梅森公式求闭环传函
  • 本卷考过区分前向通道与回路并判断是否接触
  • 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
  • 本卷考过不接触回路找漏或重复计数
  • 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
本卷考法
  • 分别求参考输入与干扰作用下的输出传函
本卷实例
  • 关键一步:令 R 与 N 单独作用,分别写 C 对各自输入的分式
  • 中间结果:两路传函分母相同,分子为三条与一条通道
  • 卡点:N 到 C 只有一条前向通道,别与 R 的三条混
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
  • 本卷考过分别求参考输入与干扰作用下的输出传函
  • 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
  • 本卷考过求干扰传函时没有把参考输入置零
  • 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

二由闭环传函与初值求全响应及动态指标#

思路
  • 由闭环传函写出微分方程并代入非零初值做拉氏变换求全响应;再化为二阶标准形式读出自然频率与阻尼比,按过阻尼情况给出超调量与调节时间。
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
  • 由闭环传函求阻尼比与自然频率
  • 判断阻尼比大于一时为过阻尼响应
本卷实例
  • 关键一步:把分母与二阶标准分母逐项比对读参数
  • 中间结果:阻尼比大于一,系统无超调
  • 卡点:过阻尼时超调公式不适用,σ% 直接为零
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
  • 本卷考过由闭环传函求阻尼比与自然频率
  • 本卷考过判断阻尼比大于一时为过阻尼响应
  • 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
  • 本卷考过把开环增益误当成闭环传递函数系数
  • 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
  • 按过阻尼情况给出调节时间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按离虚轴较近的主导极点定调节时间
  • 中间结果:两个负实极点中较慢者决定 ts
  • 卡点:取错极点会把 ts 算小或算大
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
  • 本卷考过按过阻尼情况给出调节时间表达式
  • 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
  • 本卷考过把百分之二与百分之五误差带系数搞混
  • 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
  • 由微分方程与初始条件求系统全响应
本卷实例
  • 关键一步:对含初值的微分方程两边做拉氏变换
  • 中间结果:全响应比零状态响应多出一指数项
  • 卡点:C(0)=0 与 C'(0)=-1 都要代入
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 全响应由零输入响应与零状态响应两部分叠加而成
  • 零输入响应的形式由特征根决定,系数由初始条件定
  • 零状态响应用卷积或拉氏变换法求,也可查典型输入的响应表
  • 初值条件要区分零时刻前后的跳变,含输入导数项的方程会在零时刻产生跳变
步骤
  • 写出微分方程并取拉氏变换,把初始条件作为等效输入移到等号右端
  • 分别求零输入解与零状态解,再相加得全响应
  • 用初始条件定常数,必要时用终值核对稳态值
  • 检查求得的解在零时刻是否等于给定初值
通用考法
  • 本卷考过由微分方程与初始条件求系统全响应
  • 由微分方程与初始条件求系统的全响应
  • 分别求零输入响应与零状态响应
  • 判断给定初值下响应是否单调或是否有极值
常见易错
  • 本卷考过只求零状态响应而漏掉初值引起的自由响应
  • 只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 分子含输入导数时忽略零时刻的跳变,导致初值对不上
公式

三由闭环特征方程作根轨迹并求参数范围#

思路
  • 把特征方程整理成 1+K(s+1)/[s²(s+a)]=0 的等效开环形式,按法则绘根轨迹;再由分离点与虚轴交点求响应单调或振荡的 K 范围,并讨论只有一个非零分离点时 a 的取值。
本卷考法
  • 对含一零点两极点的等效开环画根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先把特征方程整理成 1+K(s+1)/[s²(s+a)]=0
  • 中间结果:有两条趋于无穷的轨迹分支
  • 卡点:a=10 与 a=9 时开环极点位置不同
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
  • 本卷考过对含一零点两极点的等效开环画根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中零极点个数算错
  • 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
  • 列分离点方程求解并筛去非根轨迹上的根
本卷实例
  • 关键一步:把增益写成 s 的显式函数后对 s 求导
  • 中间结果:分离点方程有实根与一对共轭复根
  • 卡点:共轭复根不在实轴上,不能当分离点
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
  • 本卷考过列分离点方程求解并筛去非根轨迹上的根
  • 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
  • 本卷考过求出方程根后不筛选,保留无效解
  • 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
  • 由虚轴交点与劳斯表确定 K 的临界值
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 代入特征方程分离实部虚部
  • 中间结果:此根轨迹只与虚轴交于原点
  • 卡点:临界 K 值与分离点对应 K 值要分清
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
  • 本卷考过由虚轴交点与劳斯表确定 K 的临界值
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论,漏掉另一组交点
  • 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
  • 由分离点对应 K 值划分单调与振荡区间
本卷实例
  • 关键一步:求出两个分离点对应的增益后再比较大小
  • 中间结果:增益落在两分离点之间时响应单调
  • 卡点:区间端点是否包含要看响应类型定义
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
  • 本卷考过由分离点对应 K 值划分单调与振荡区间
  • 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
  • 本卷考过把等阻尼线画成了垂直线
  • 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

四非最小相位系统的奈氏与 Bode 判稳及稳定裕度#

思路
  • 由含右半平面开环极点的传函求幅相曲线与 Bode 图,先数开环右半平面极点数,再用奈氏判据与对数稳定判据判稳,最后求相角裕度与幅值裕度。
本卷考法
  • 求开环幅频与相频表达式及起点终点
本卷实例
  • 关键一步:把各环节幅值相乘、相角相加
  • 中间结果:ω 趋零时幅值无穷、相角负二百七十度
  • 卡点:右半平面极点使相角起点与常规不同
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
  • 本卷考过求开环幅频与相频表达式及起点终点
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉积分环节的负九十度
  • 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
  • 判断含右半平面开环极点的非最小相位系统
本卷实例
  • 关键一步:数开环右半平面极点数 P 再作奈氏判据
  • 中间结果:P 为正,判稳时必须计入
  • 卡点:非最小相位系统不能直接套用常规相角范围
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过判断含右半平面开环极点的非最小相位系统
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 本卷考过把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环幅相曲线按奈氏判据判定闭环稳定
本卷实例
  • 关键一步:按 Z 等于 P 减二倍包围圈数计算
  • 中间结果:算得 Z 大于零,闭环不稳定
  • 卡点:包围圈数的正负号定义容易搞反
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
  • 本卷考过由开环幅相曲线按奈氏判据判定闭环稳定
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数 P
  • 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
  • 绘制开环对数幅频与相频曲线
本卷实例
  • 关键一步:先定低频段斜率与高度,再逐段改斜率
  • 中间结果:幅频曲线穿越零分贝一次
  • 卡点:对数稳定判据要看负穿越次数
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
  • 本卷考过绘制开环对数幅频与相频曲线
  • 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
  • 本卷考过逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 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
  • 求相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:先求零分贝频率再求负一百八十度频率
  • 中间结果:相角裕度为负,系统不稳定
  • 卡点:增益裕度取分贝时要处理无穷情形
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
  • 本卷考过求相角裕度与幅值裕度
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相角穿越频率用反
  • 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

五三种串联校正装置的稳定裕度比较与选型#

思路
  • 由三种最小相位校正装置的 Bode 图写出各自传函,与开环传函相乘后分别求截止频率与相角裕度,按裕度大小选较稳定者;再按某频率处的衰减量选校正装置。
本卷考法
  • 比较未校正系统缺陷并选择串联校正方案
本卷实例
  • 关键一步:分别算三种方案的截止频率与相角裕度
  • 中间结果:三种方案的相角裕度各不相同
  • 卡点:要按相角裕度大小而不是低频增益选型
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过比较未校正系统缺陷并选择串联校正方案
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 本卷考过只盯相角裕度而忽略带宽要求
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 比较超前校正装置对相角裕度的提升
本卷实例
  • 关键一步:由转折频率写出各校正装置传函
  • 中间结果:含微分效果的方案相角领先较大
  • 卡点:要先确认校正装置是最小相位
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
  • 本卷考过比较超前校正装置对相角裕度的提升
  • 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
  • 本卷考过超前角公式中系数的方向取反
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 比较滞后校正装置压低高频增益的效果
本卷实例
  • 关键一步:看高频段幅值衰减与相角滞后的大小
  • 中间结果:滞后校正以牺牲带宽换取裕度
  • 卡点:若截止频率变化过大,相位补偿会失效
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过比较滞后校正装置压低高频增益的效果
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 本卷考过把滞后网络两个转折频率顺序写反
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由各校正方案的相角裕度判定相对稳定性
本卷实例
  • 关键一步:对每种方案分别求截止频率处的相角
  • 中间结果:相角裕度最大者定为较稳定方案
  • 卡点:选型还要兼顾高频抗扰与衰减要求
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
  • 本卷考过由各校正方案的相角裕度判定相对稳定性
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相角穿越频率用反
  • 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

六采样系统稳定性范围与稳态误差约束#

思路
  • 由离散系统框图把零阶保持器与连续部分合并求开环脉冲传函,写闭环特征方程用朱莉判据求稳定 K 范围;再由型别与典型输入写稳态误差并令其小于给定值反求 K。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先对保持器与连续部分整体取 z 变换
  • 中间结果:得到含增益 k 的闭环脉冲传函
  • 卡点:采样开关位置不同会让结果不同
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
  • 本卷考过求含零阶保持器的闭环脉冲传函
  • 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
  • 本卷考过把没有采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 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
  • 用朱莉判据求使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征多项式后列朱莉表
  • 中间结果:得到关于 k 的三个不等式
  • 卡点:三个条件取交集时端点开闭易错
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
  • 本卷考过用朱莉判据求使系统稳定的增益范围
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于一
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 由稳态误差小于给定值反求增益
本卷实例
  • 关键一步:先由型别求静态误差系数再写误差式
  • 中间结果:误差随输入分量分两部分叠加
  • 卡点:解出的增益要与稳定范围核对
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
  • 本卷考过由稳态误差小于给定值反求增益
  • 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
  • 本卷考过未判稳就用终值定理求稳态误差
  • 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

七饱和非线性的描述函数与相平面分析#

思路
  • 由饱和特性求描述函数,按输入误差所在区间分段列写非线性系统方程,再化为相轨迹斜率方程分区间绘制相轨迹,讨论奇点类型与稳定性。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由饱和非线性求描述函数表达式
本卷实例
  • 关键一步:按奇函数算基波分量再除以振幅
  • 中间结果:描述函数是振幅 A 的函数
  • 卡点:积分区间的分界由饱和值决定
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
  • 本卷考过由饱和非线性求描述函数表达式
  • 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
  • 本卷考过把描述函数当成频率的函数
  • 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
  • 写出饱和特性的分段输入输出关系
本卷实例
  • 关键一步:按误差绝对值与饱和值比较分三段
  • 中间结果:线性段与饱和段斜率和截距不同
  • 卡点:分段边界处的连续性要兼顾
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
  • 本卷考过写出饱和特性的分段输入输出关系
  • 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
  • 本卷考过认为饱和总是使系统更稳定
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 分区间列写相轨迹方程并画相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把二阶方程化为斜率对误差的一阶方程
  • 中间结果:两个区各得一族抛物线相轨迹
  • 卡点:开关线不同会改变相平面分区
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
  • 本卷考过分区间列写相轨迹方程并画相轨迹
  • 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
  • 本卷考过相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 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

八状态空间能控能观、传递函数与极点配置#

思路
  • 由状态方程分别构造能控与能观判别矩阵并求秩,判断可控可观后求能控标准型;再由状态空间求传递函数,最后设计状态反馈把闭环极点配置到两组指定位置。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控与能观矩阵的秩判别系统特性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控与能观判别矩阵并求秩
  • 中间结果:能控矩阵满秩而能观矩阵缺秩
  • 卡点:矩阵秩的计算容易抄错元素
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
  • 本卷考过由能控与能观矩阵的秩判别系统特性
  • 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
  • 本卷考过只算到 A 的 n 减二次乘 B 就下结论
  • 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
  • 由状态方程求能控标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:先由特征多项式定友矩阵系数
  • 中间结果:得到能控标准型的系数矩阵
  • 卡点:非奇异变换矩阵求解易出错
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
  • 本卷考过由状态方程求能控标准型实现
  • 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
  • 本卷考过友矩阵中系数符号写反
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数 Y(s)/U(s)
本卷实例
  • 关键一步:按输出矩阵乘预解矩阵再乘输入阵计算
  • 中间结果:分子分母可能发生零极点对消
  • 卡点:矩阵求逆时元素多,易抄错
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 Y(s)/U(s)
  • 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
  • 本卷考过漏掉直接传递项 D
  • 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极点落到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:先验证能控再比较特征多项式系数
  • 中间结果:两组期望极点分别对应一个反馈阵
  • 卡点:特征多项式比较时符号容易写反
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极点落到指定位置
  • 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
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 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