←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

内蒙古大学 867 自动控制原理 2016 年真题思维导图

211 院校共 7 题合计 130 分

难度:中等 7 题(源缺第五题):二阶指标反求、信号流图与梅森公式、参数根轨迹、给定与扰动稳态误差、状态空间与能观标准型、状态转移矩阵、李雅普诺夫稳定性图示

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

一一、二阶系统指标反求参数20 分#

思路
  • 由结构图化简出闭环传函,按超调量与峰值时间反求阻尼比、自然频率及参数 K 与 τ
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
  • 把闭环传函化成二阶标准形式读自然频率与阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:将结构图化简得到闭环传递函数
  • 中间结果:分母一次项对应两个阻尼比乘自然频率
  • 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
  • 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
  • 本卷考过把闭环传函化成二阶标准形式读自然频率与阻尼比
  • 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
  • 本卷考过未先把二次项系数归一化就比对标准式
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与峰值时间反求二阶参数
本卷实例
  • 关键一步:先由超调量反求阻尼比
  • 中间结果:再由峰值时间关系求自然频率
  • 卡点:两式联立才能定出 K 与 τ
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由超调量与峰值时间反求二阶参数
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 本卷考过只满足单项指标而未做交叉验证
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式

二二、信号流图与梅森公式20 分#

思路
  • 给定双输入单输出结构图:画信号流图,再用梅森公式求给定与扰动两路的传递函数
本卷考法
  • 由结构图列回路与前向通路并用梅森公式求传函
本卷实例
  • 关键一步:从结构图列出全部独立回路
  • 中间结果:特征式含回路增益与互不接触回路乘积
  • 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
  • 本卷考过由结构图列回路与前向通路并用梅森公式求传函
  • 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
  • 本卷考过互不接触回路漏算或重复计数
  • 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
  • 求扰动输入与给定输入各自到输出的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:分别令其中一个输入为零再求输出
  • 中间结果:两路传递函数的分母相同
  • 卡点:扰动通道另含附加前向通路
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
  • 本卷考过求扰动输入与给定输入各自到输出的传递函数
  • 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未把参考输入置零
  • 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

三三、复数极点根轨迹与稳定性20 分#

思路
  • 开环含右半平面复数极点的负反馈系统:作增益从零到无穷的根轨迹,并讨论开环放大倍数对稳定性的影响
本卷考法
  • 按法则绘制含复数极点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定开环零极点并标出实轴段与渐近线
  • 中间结果:由分离点方程筛出落在轨迹上的解
  • 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
  • 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
  • 本卷考过按法则绘制含复数极点的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 计算复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:由相角条件列出出射角方程
  • 中间结果:共轭两极点的出射角关于实轴对称
  • 卡点:不出出射角则轨迹起始方向会画错
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
  • 本卷考过计算复数极点的出射角
  • 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算了进去
  • 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及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令特征式的虚部为零求交点频率
  • 中间结果:由实部为零的辅助方程定临界增益
  • 卡点:交点两侧的稳定与不稳定要分别说明
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
  • 本卷考过只代一个频率值就下结论
  • 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

四四、给定与扰动共同作用下的稳态误差20 分#

思路
  • 单位反馈系统含给定与扰动两个输入:分别求只有扰动作用及两者同时作用时的稳态误差
本卷考法
  • 求扰动单独作用下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把参考输入置零后求扰动传递函数
  • 中间结果:用终值定理取扰动误差的极限
  • 卡点:扰动的误差要按输出端偏差定义
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
  • 本卷考过求扰动单独作用下的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 求给定与扰动同时作用下的总稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:分别求两输入各自引起的误差再叠加
  • 中间结果:总误差等于两个分量之和
  • 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
  • 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
  • 本卷考过求给定与扰动同时作用下的总稳态误差
  • 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

六六、微分方程的状态空间与能观标准型20 分#

思路
  • 由高阶微分方程写状态空间表达式、画模拟结构图、求传递函数与能观标准型实现
本卷考法
  • 由传递函数写能控与能观标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:把高阶微分方程整理成传递函数形式
  • 中间结果:按能观标准型写出系统矩阵与输出矩阵
  • 卡点:分子含输入导数须保留直通项
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写能控与能观标准型实现
  • 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
  • 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系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按输出矩阵乘预解矩阵再乘输入矩阵计算
  • 中间结果:分子系数由微分方程右端给出
  • 卡点:特征多项式与方程左端系数对应
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
  • 本卷考过漏掉直接传递项
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 画状态变量模拟结构图
本卷实例
  • 关键一步:按最高阶导数解出后逐级积分
  • 中间结果:用加法器与比例器实现右端各项
  • 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
  • 本卷考过画状态变量模拟结构图
  • 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
  • 本卷考过积分器连接顺序与状态变量对应错
  • 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

七七、状态转移矩阵与状态响应20 分#

思路
  • 给定矩阵与初值及常值输入:求状态转移矩阵,再求满足该初值的状态解
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由预解矩阵求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:对预解矩阵作部分分式展开
  • 中间结果:逐项取拉氏反变换得到矩阵指数
  • 卡点:矩阵函数不能按元素直接取逆
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
  • 本卷考过由预解矩阵求状态转移矩阵
  • 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
  • 本卷考过矩阵求逆前未检查行列式是否为零
  • 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
本卷考法
  • 借位:用卷积积分求非齐次状态方程的特解
本卷实例
  • 关键一步:把状态解写成转移矩阵乘初值加卷积项
  • 中间结果:卷积项由转移矩阵与输入向量积分得到
  • 卡点:常值输入可直接提到积分号外
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
  • 本卷考过借位:用卷积积分求非齐次状态方程的特解
  • 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
  • 本卷考过漏掉由初值决定的自由响应项
  • 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

八八、李雅普诺夫稳定性的图示区别10 分#

思路
  • 二维系统的平衡状态,用状态变化图说明李雅普诺夫意义下稳定、渐近稳定与大范围渐近稳定的区别
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用球域示意说明李雅普诺夫意义下的稳定性
  • 说明渐近稳定与大范围渐近稳定的区别
本卷实例
  • 关键一步:以平衡点为中心取两个半径不同的球域
  • 中间结果:轨迹始终不越出外球域即稳定
  • 卡点:大范围要求整个状态空间都成立
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
  • 本卷考过用球域示意说明李雅普诺夫意义下的稳定性
  • 本卷考过说明渐近稳定与大范围渐近稳定的区别
  • 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
  • 本卷考过把稳定与渐近稳定混为一谈
  • 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