←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

南京航空航天大学 820 控制原理 2015 年真题思维导图

211 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等偏难 十道大题依次考梅森公式求传函、按指标选反馈系数、劳斯判据全零行、参数根轨迹、相角裕度求参数、Bode渐近线反求传函与滞后校正、采样系统脉冲传函与稳定、描述函数法自振、状态空间建模与能控能观、状态反馈极点配置

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

一梅森公式求C(s)/R(s)与E(s)/R(s)15 分#

思路
  • 按图1结构图画出信号流图,找全前向通路与各回路,用梅森增益公式分别求出输出与误差的传递函数
本卷考法
  • 由结构图转信号流图后用梅森公式求C(s)/R(s)
  • 再由E(s)/R(s)等于1减C(s)/R(s)求误差传函
本卷实例
  • 关键一步:先标出两条前向通路并判断回路间是否互不接触
  • 关键一步:写出特征式Δ与各通路余子式Δk
  • 中间结果:输出传函与误差传函共用同一分母Δ
  • 中间结果:误差传函可由输出传函取1减得到
  • 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
  • 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
  • 本卷考过由结构图转信号流图后用梅森公式求C(s)/R(s)
  • 本卷考过再由E(s)/R(s)等于1减C(s)/R(s)求误差传函
  • 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

二反馈控制系统按指标选Kf与K215 分#

思路
  • 由单位斜坡稳态误差、闭环阻尼比与调节时间三条指标列出关于Kf与K2的不等式组,取可行解后回代验证稳定性
本卷考法
  • 由单位斜坡输入稳态误差不超过0.35列第一个不等式
本卷实例
  • 关键一步:先用终值定理把斜坡误差写成Kf与K2的表达式
  • 中间结果:误差表达式只含K2与2/Kf两项
  • 卡点:非单位反馈时误差定义需先统一
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
  • 本卷考过由单位斜坡输入稳态误差不超过0.35列第一个不等式
  • 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
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
  • 由闭环特征方程写出阻尼比与自然频率的表达式
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程整理成二阶标准形式再对比系数
  • 中间结果:阻尼比与自然频率都由Kf、K2表示
  • 卡点:化标准形前须把s平方项系数归一
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
  • 本卷考过由闭环特征方程写出阻尼比与自然频率的表达式
  • 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
  • 由调节时间ts不超过3秒给出第三个不等式
本卷实例
  • 关键一步:按5%误差带取ts等于3除以阻尼比与自然频率之积
  • 中间结果:调节时间约束与阻尼比约束联立成不等式组
  • 卡点:三式取交集后再回代验证稳定性
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ts不超过3秒给出第三个不等式
  • 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
  • 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

三劳斯稳定判据与全零行求全部特征根15 分#

思路
  • 先用特征方程系数是否变号快速判定不稳定,再列劳斯表遇全零行时用辅助函数求导补行,最后分解因式求出全部特征根
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯表判断五阶系统稳定性并给出正实部根个数
本卷实例
  • 关键一步:先看系数是否变号快速判定不稳定
  • 中间结果:劳斯表出现全零行须取辅助函数求导补行
  • 卡点:辅助函数与因式分解要对应检查
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
  • 本卷考过用劳斯表判断五阶系统稳定性并给出正实部根个数
  • 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
  • 因式分解特征多项式求全部闭环特征根
本卷实例
  • 关键一步:把高次多项式按对称项分组分解为低次因式之积
  • 中间结果:分解结果同时含实根与纯虚根两类模态
  • 卡点:每个因式都必须回代原方程验证
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 极点决定响应由哪些模态组成,零点决定各模态的权重
  • 左半平面极点对应衰减,右半平面对应发散,虚轴对应等幅振荡
  • 离虚轴最近的极点为主导极点,主导响应的形状
  • 共轭复极点产生振荡,实极点产生单调分量
步骤
  • 求特征方程得到全部闭环极点
  • 按实数/共轭复数分类,写出对应模态
  • 找出主导极点对,近似为低阶系统
  • 结合零点判断各模态权重大小
通用考法
  • 本卷考过因式分解特征多项式求全部闭环特征根
  • 由极点分布写出响应的大致形式
  • 判断系统是单调还是振荡、是否收敛
  • 用主导极点概念把高阶系统近似为二阶系统
常见易错
  • 只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
公式

四参数根轨迹与无超调及临界分离点15 分#

思路
  • 先把含参数a的特征方程整理成根轨迹标准形式,按法则绘制根轨迹,再由分离点与实轴段判断无超调与阻尼震荡的K范围
本卷考法
  • 以a为参数把特征方程整理成标准根轨迹形式
  • 求只有一个非零分离点时a的取值
本卷实例
  • 关键一步:把s平方乘(s+a)中的参数a移到可变参数位置
  • 中间结果:分离点方程整理后为一个二次方程
  • 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a为参数把特征方程整理成标准根轨迹形式
  • 本卷考过求只有一个非零分离点时a的取值
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 由分离点方程确定临界K并判断解的取舍
本卷实例
  • 关键一步:写出K关于s的显式表达式再对s求导
  • 中间结果:求得的根须剔除不在根轨迹上的解
  • 卡点:零点与极点须按a的不同取值重算
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确定临界K并判断解的取舍
  • 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
  • 由实轴段与分离点求无超调及阻尼震荡的K范围
本卷实例
  • 关键一步:用实轴段及分离点对应的K划分区间
  • 中间结果:区间端点取自两个分离点对应的K值
  • 卡点:区间开闭与端点归属容易写错
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
  • 本卷考过由实轴段与分离点求无超调及阻尼震荡的K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

五由相角裕度45度求开环参数a15 分#

思路
  • 先写出开环频率特性的相角表达式,再令相角裕度为45度并配合幅值为1的条件,联立解出参数a与截止频率
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度定义列出截止频率处的相角方程
本卷实例
  • 关键一步:把相角裕度45度写成180度加开环相角
  • 中间结果:截止频率处同时满足开环幅值为1
  • 卡点:反正切值域与象限要判断
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
  • 本卷考过由相角裕度定义列出截止频率处的相角方程
  • 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
  • 写出开环频率特性的幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:把积分环节的负90度单独提出再叠加反正切项
  • 中间结果:幅值条件给出另一个关于a与截止频率的方程
  • 卡点:两方程联立后须取正频率解
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
  • 本卷考过写出开环频率特性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

六由Bode渐近线求G0与滞后校正Gc15 分#

思路
  • 由图3两条对数渐近幅频特性分频段读斜率变化,反求未校正G0与校正后G,相减得到校正装置,并计算校正后的相角裕度
本卷考法
  • 由低频段斜率与高度反求开环增益及积分环节个数
  • 由各转折频率处的斜率变化确定惯性或微分环节
本卷实例
  • 关键一步:先按斜率变化定位各转折频率与对应典型环节
  • 中间结果:低频段延线高度与型别配合定开环增益
  • 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
  • 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
  • 本卷考过由低频段斜率与高度反求开环增益及积分环节个数
  • 本卷考过由各转折频率处的斜率变化确定惯性或微分环节
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正前后传函相除得到校正装置Gc
  • 说明该校正利用高频衰减提高相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:用校正后传函除以未校正传函消去公共环节
  • 中间结果:校正装置由一个零点与一个极点构成
  • 卡点:两个转折频率的先后顺序勿写反
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
  • 本卷考过由校正前后传函相除得到校正装置Gc
  • 本卷考过说明该校正利用高频衰减提高相角裕度
  • 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
  • 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
  • 在渐近线上求校正后截止频率并计算相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:校正后按抓大放小列幅值条件求截止频率
  • 中间结果:相角裕度由各环节相角累加求得
  • 卡点:渐近线读数与分贝值的换算勿混
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
  • 本卷考过在渐近线上求校正后截止频率并计算相角裕度
  • 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

七采样系统脉冲传函、稳定范围与稳态误差15 分#

思路
  • 由图4写出开环与闭环脉冲传函,用判据求稳定K范围,再讨论采样周期T的影响并在T取1秒时核对稳态误差要求
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由图4求开环及闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先求连续部分与零阶保持器的z变换再串入回路
  • 中间结果:闭环脉冲传函分母即离散特征方程
  • 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
  • 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
  • 本卷考过由图4求开环及闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 由离散特征方程用朱里判据求稳定K范围
  • 讨论采样周期T增大对稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程写成D(z)等于0后套朱里判据
  • 中间结果:稳定K范围随采样周期T增大而收窄
  • 卡点:z域稳定条件是模小于1而非实部小于0
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
  • 本卷考过由离散特征方程用朱里判据求稳定K范围
  • 本卷考过讨论采样周期T增大对稳定性的影响
  • 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
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0.1反求采样周期T的可调范围
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理求单位阶跃输入的离散稳态误差
  • 中间结果:误差与K和T的组合有关须结合稳定范围
  • 卡点:未判稳不能直接使用终值定理
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
  • 本卷考过由稳态误差小于0.1反求采样周期T的可调范围
  • 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

八描述函数法判断自振并求频率与振幅15 分#

思路
  • 写出线性部分幅相曲线与负倒描述函数并画在同一复平面,由交点判断自振是否存在,再求自振频率与振幅
本卷考法
  • 由给定描述函数写负倒描述函数并判断自振是否存在
本卷实例
  • 关键一步:把幅相曲线与负倒描述函数画在同一复平面找交点
  • 中间结果:交点对应的频率与振幅即自振参数
  • 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
  • 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
  • 本卷考过由给定描述函数写负倒描述函数并判断自振是否存在
  • 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
  • 由描述函数表达式写出负倒描述函数并判断穿越方向
本卷实例
  • 关键一步:先由相角条件定自振频率再回代幅值条件
  • 中间结果:振幅由交点处的模值等式求出
  • 卡点:负倒描述函数的实部虚部勿写反
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
  • 本卷考过由描述函数表达式写出负倒描述函数并判断穿越方向
  • 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

九由结构图列状态方程、判能控能观并求传函15 分#

思路
  • 由两个一阶环节串接的结构图选x1与x2为状态变量列写状态方程与输出方程,再构造判别矩阵判能控能观并求传递函数
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由图6选x1与x2为状态变量列写状态方程与输出方程
本卷实例
  • 关键一步:按每个积分器的输入输出关系逐条写一阶微分方程
  • 中间结果:输出方程由末级反馈系数线性组合构成
  • 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
  • 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
  • 本卷考过由图6选x1与x2为状态变量列写状态方程与输出方程
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能控与能观判别矩阵判断系统能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别算能控矩阵与能观矩阵的秩再下结论
  • 中间结果:两个判别矩阵的秩都由输出系数决定
  • 卡点:能控矩阵与能观矩阵的构造勿混
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
  • 本卷考过构造能控与能观判别矩阵判断系统能控性与能观性
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间表达式求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先求sI减A的逆再与输入输出矩阵相乘
  • 中间结果:传递函数分子等于两个反馈系数的组合
  • 卡点:注意直接传递项D是否为零
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系统传递函数
  • 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

十状态反馈极点配置与前后性能对比15 分#

思路
  • 由开环传函写出能控标准型,按期望极点构造期望特征多项式,对比系数求反馈增益阵,再比较设计前后的动态与稳态性能
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈把闭环极点配置到给定位置
本卷实例
  • 关键一步:先写能控标准型再与期望特征多项式比较系数
  • 中间结果:反馈增益由两组特征多项式系数差求出
  • 卡点:极点配置前须先验证系统能控
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把闭环极点配置到给定位置
  • 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
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由给定开环传函写出能控标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按能控标准型直接写出A、B、C矩阵
  • 中间结果:友矩阵末行取传函分母系数的相反数
  • 卡点:缺项系数须补零占位
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
  • 本卷考过由给定开环传函写出能控标准型状态空间表达式
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 对比状态反馈设计前后系统动态与稳态性能的变化
本卷实例
  • 关键一步:由新旧闭环极点位置比较阻尼比与自然频率
  • 中间结果:设计后主导极点的实部与阻尼比均改变
  • 卡点:稳态性能要单独由开环增益判断
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
  • 本卷考过对比状态反馈设计前后系统动态与稳态性能的变化
  • 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