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华东理工大学 816 控制原理 2023 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等 8 道综合计算题,覆盖信号流图与梅森公式、一阶温度系统响应时间与扰动抑制、由正弦稳态响应定参数并判稳、根轨迹绘制与增加极点的影响、由伯德图反求传函与稳态误差、离散系统脉冲传函与稳定、相轨迹判断动态特征并反求传函、状态空间对角型与观测器设计;全部题面未印大题分值。

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一由方程组画信号流图并用梅森公式求传函#

思路
  • 把四个信号方程按因果顺序连成信号流图,找出单回路与互不接触回路,再找前向通道并判断其与各回路的接触关系,代入梅森公式求闭环传函。
本卷考法
  • 由四个信号方程画信号流图并用梅森公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:按方程把 Y、M、E、D 依次表示为上游信号组合后再连线
  • 中间结果:单回路有四个,其中一对互不接触,前向通道有两条
  • 卡点:两条前向通道与各回路的接触关系不同,余子式取值不同
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
  • 本卷考过由四个信号方程画信号流图并用梅森公式求闭环传函
  • 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
  • 本卷考过不接触回路找漏或重复计数
  • 本卷考过余子式中未剔除与通路接触的回路
  • 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

二两个温度系统的响应时间与扰动影响#

思路
  • 分别对两个结构图求闭环传函,由一阶响应的稳态值求达到百分之六十三点二稳态值的时刻;再以阶跃扰动为输入求扰动到输出的传函,比较两系统受扰动后的稳态温升。
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由一阶系统的阶跃响应求达到百分之六十三点二稳态值的时刻
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为一阶惯性形式,写出阶跃响应的稳态值
  • 中间结果:达到百分之六十三点二稳态值对应的时间就是时间常数
  • 卡点:需回原卷核对图 2 两系统的反馈结构与放大环节
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
  • 本卷考过由一阶系统的阶跃响应求达到百分之六十三点二稳态值的时刻
  • 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
  • 本卷考过把百分之六十三点二对应的时刻记成百分之五十对应的时刻
  • 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
本卷考法
  • 求扰动作用下的传递函数并分析扰动影响
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,由扰动到输出写闭环传函
  • 中间结果:两系统的扰动传函结构不同,一个几乎不衰减扰动
  • 卡点:需回原卷核对图 2 中扰动的加入点
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
  • 本卷考过求扰动作用下的传递函数并分析扰动影响
  • 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
  • 本卷考过求扰动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
本卷考法
  • 由扰动阶跃幅值求扰动对输出的稳态影响
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理对扰动传函乘阶跃输入求稳态值
  • 中间结果:含比例反馈的系统稳态扰动影响更小
  • 卡点:参数取一后再代入,比较两系统的抗扰动能力
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
  • 本卷考过由扰动阶跃幅值求扰动对输出的稳态影响
  • 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
  • 本卷考过把扰动误差直接当作总误差而遗漏输入分量
  • 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

三由正弦稳态响应定参数并判稳求相角裕度#

思路
  • 由结构图求闭环传函,把正弦稳态响应的幅值与相移代入频率特性反求两个结构参数;画出幅相曲线用奈氏判据判稳,再由幅值等于一求截止频率及相角裕度。
本卷考法
  • 由正弦输入的稳态响应幅值与相移反求系统参数
本卷实例
  • 关键一步:把闭环频率特性在输入频率处与稳态响应相移对应,列出幅值与相角等式
  • 中间结果:两个等式给出两个结构参数的约束
  • 卡点:需回原卷核对图 3 结构图与待定参数的位置
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
  • 本卷考过由正弦输入的稳态响应幅值与相移反求系统参数
  • 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
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 画幅相曲线并用奈氏判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:数开环右半极点数与曲线对临界点的包围圈数
  • 中间结果:曲线不包围临界点且开环无右半极点
  • 卡点:判稳前要确认所得参数下开环型别不变
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
  • 本卷考过画幅相曲线并用奈氏判据判断闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过开环含有积分环节时未补画无穷大半径圆弧
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由幅值等于一求截止频率并计算相角裕量
本卷实例
  • 关键一步:把已定参数代入幅频表达式,令其等于一解截止频率
  • 中间结果:相角裕量等于一百八十度加截止频率处相角
  • 卡点:截止频率要在结构参数确定后才能算
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
  • 本卷考过由幅值等于一求截止频率并计算相角裕量
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率用反
  • 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

四根轨迹绘制与增加极点后的稳定性比较#

思路
  • 由前向通道三个极点画根轨迹,求渐近线、出射角、分离点与虚轴交点定稳定增益范围;再串入一个开环极点重画,比较两系统稳定时的增益范围与开环放大倍数。
本卷考法
  • 按法则画三极点根轨迹并定渐近线与实轴段
本卷实例
  • 关键一步:标出三个开环极点,按实轴段判据定起点与走向
  • 中间结果:三条轨迹全部趋向无穷,渐近线交点为极点平均值
  • 卡点:一对共轭极点的出射角要由其余极点与零点求得
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
  • 本卷考过按法则画三极点根轨迹并定渐近线与实轴段
  • 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
  • 本卷考过渐近线夹角公式中的二 k 加一写成二 k
  • 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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:由相角条件对共轭极点分别列出射角方程
  • 中间结果:两个共轭极点的出射角大小相等符号相反
  • 卡点:要先用实轴段判据确定实极点到复极点的相角
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 出射角是根轨迹离开开环极点的方向
  • 入射角是根轨迹进入开环零点的方向
  • 计算时需代入相角条件并逐项累加各零极点贡献的相角
  • 共轭复数极点的出射角互为相反数
步骤
  • 取待求极点(或零点)为参考点
  • 写出相角条件并代入该点
  • 把其余零极点的相角移到等式右边累加
  • 求反正切得到出射角或入射角
通用考法
  • 本卷考过求复数极点的出射角
  • 求复数极点的出射角
  • 根据出射角画出根轨迹起始方向
  • 由入射角确定根轨迹终止方向
常见易错
  • 本卷考过累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 忘记判断象限导致角度差 180°
公式
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点并确定稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于 jω 代入特征式,令实部与虚部分别为零
  • 中间结果:由方程组得交点频率与临界增益
  • 卡点:分离点方程可能有一对复根,须筛选后才能用
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并确定稳定增益范围
  • 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
  • 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
  • 比较增加开环极点前后根轨迹与稳定域的变化
本卷实例
  • 关键一步:在原开环上再乘一个极点因子后重新画根轨迹
  • 中间结果:增加极点后渐近线条数增多,实轴段缩短
  • 卡点:要按两系统稳定增益范围判断放大倍数是增大还是减小
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过比较增加开环极点前后根轨迹与稳定域的变化
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 本卷考过只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反

五由伯德图反求传函、截止频率与稳态误差#

思路
  • 由低频段高度与转折频率写出开环传函;由幅频渐近线逐段列方程求截止频率;再由型别与静态误差系数求给定组合输入下的稳态误差。
本卷考法
  • 由开环对数幅频特性曲线反求开环传函
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定型别,由低频高度与转折频率写各时间常数
  • 中间结果:分子含一阶微分环节,分母含积分与三个惯性环节
  • 卡点:需回原卷核对图 5 各转折频率与低频高度
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
  • 本卷考过由开环对数幅频特性曲线反求开环传函
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 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
  • 由对数幅频渐近线求截止频率
本卷实例
  • 关键一步:先求某转折频率处的幅值,再由斜率差列方程求零分贝交点
  • 中间结果:截止频率落在某段斜率对应的频率区间内
  • 卡点:零分贝交点所处频率段要与斜率变化区间核对
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渐近线求截止频率
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 求给定组合输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把输入分解为阶跃与斜坡分量,分别按型别写误差再相加
  • 中间结果:阶跃分量误差为零,斜坡分量误差由速度误差系数给出
  • 卡点:一型系统不能跟踪加速度分量,需分项说明
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
  • 本卷考过求给定组合输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过输入为组合信号时漏掉某一分量
  • 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

六离散系统开环脉冲传函、稳定性与稳态误差#

思路
  • 由结构图求零阶保持器与连续部分的开环脉冲传函,得闭环特征方程;代入给定增益与采样周期判断特征根模是否小于一;再按输入含加速度分量的型别结论求稳态误差终值。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 含零阶保持器的离散系统求开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把保持器与连续部分相乘后整体取 z 变换,再按题给 z 变换表化简
  • 中间结果:开环脉冲传函化为分母含 e 的负采样周期次方的一阶形式
  • 卡点:需回原卷核对图 6 采样开关与保持器的位置
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
  • 本卷考过含零阶保持器的离散系统求开环脉冲传函
  • 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
  • 本卷考过忘记把零阶保持器计入开环脉冲传函
  • 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
  • 代入给定参数由特征根判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把增益与采样周期代入特征方程解特征根
  • 中间结果:特征根为含 e 的负指数与增益的表达式
  • 卡点:判据是模是否小于一,须代入数值比较
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
  • 本卷考过代入给定参数由特征根判断稳定性
  • 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
  • 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
  • 按输入类型判断离散系统稳态误差终值
本卷实例
  • 关键一步:由开环脉冲传函在 z 等于一处的极点重数判断离散型别
  • 中间结果:零型系统无法跟踪斜坡与加速度分量
  • 卡点:型别不足时误差终值趋于无穷,需分项说明
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
  • 本卷考过按输入类型判断离散系统稳态误差终值
  • 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
  • 本卷考过直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 本卷考过未判稳就用终值定理
  • 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

七由相轨迹判断动态特征并反求二阶传函#

思路
  • 由单位阶跃输入下的相轨迹形状判断系统为欠阻尼并画过渡过程;用给定点坐标对应峰值,由峰值与稳态值之比求阻尼比,再由峰值时间求自然频率并写传函。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 由相轨迹形状判断二阶系统动态特征并绘制过渡过程
本卷实例
  • 关键一步:看相轨迹是否穿越横轴及是否收敛,据此判断阻尼状态
  • 中间结果:相轨迹在误差轴上多次穿越,对应欠阻尼振荡
  • 卡点:需回原卷核对图 7 相轨迹的走向与给定点位置
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
  • 本卷考过由相轨迹形状判断二阶系统动态特征并绘制过渡过程
  • 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
  • 本卷考过把相轨迹与根轨迹混淆
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由相轨迹上给定峰值点求阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:把给定点坐标视为峰值,超调量由峰值减稳态值再比稳态值
  • 中间结果:由超调量公式反解出阻尼比
  • 卡点:给定点是否恰为峰值要结合相轨迹形状判断
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
  • 本卷考过由相轨迹上给定峰值点求阻尼比
  • 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
  • 本卷考过把两种误差带的调节时间系数搞混
  • 本卷考过超调量公式中漏乘百分之百
  • 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
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
  • 由峰值时间求自然频率并写二阶传函
本卷实例
  • 关键一步:由峰值时间等于圆周率除以阻尼振荡频率求自然频率
  • 中间结果:阻尼比与自然频率代入标准二阶传函形式
  • 卡点:题给峰值时间单位为秒,代入前先统一量纲
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
  • 本卷考过由峰值时间求自然频率并写二阶传函
  • 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
  • 本卷考过化为标准形式时忘记把二次项系数归一化
  • 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

八对角规范型实现与状态观测器设计#

思路
  • 由被控对象动态方程求特征值做对角规范型实现;再判能观性,设观测器增益阵,按期望极点列特征多项式比较系数求观测器增益阵。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由动态方程求对角线规范型实现
本卷实例
  • 关键一步:先求系统矩阵特征值,再由特征向量或部分分式构造对角型
  • 中间结果:对角元为两个特征值,输入矩阵元素由留数给出
  • 卡点:需回原卷核对图 8 动态方程的系数矩阵
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
  • 本卷考过由动态方程求对角线规范型实现
  • 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
  • 本卷考过状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能观性矩阵判断观测器极点可否任意配置
本卷实例
  • 关键一步:由输出矩阵及其与系统矩阵的乘积组成能观性矩阵并判秩
  • 中间结果:能观性矩阵满秩,系统完全能观
  • 卡点:先验证能观性再配置观测器极点
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
  • 本卷考过构造能观性矩阵判断观测器极点可否任意配置
  • 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
  • 本卷考过把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 由期望观测器极点求观测器增益阵
本卷实例
  • 关键一步:设观测器增益阵,写观测器特征多项式与期望多项式比较
  • 中间结果:两个期望极点给出两个系数方程
  • 卡点:期望极点为重根时特征多项式要与期望形式完全对齐
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求观测器增益阵
  • 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
  • 本卷考过把观测器增益阵写成状态反馈增益阵的形式
  • 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