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太原理工大学 830 自动控制原理(含现控) 2021 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等 试题段印一~八题、逐题标分(15/15/20/15/20/15/25/20,合计145);两源答案段均到第九题。自控部分:二自由度机械系统建模与传函、由阻尼比与斜坡误差反求二阶参数、以a为参变量的根轨迹与分离点个数、非最小相位奈奎斯特曲线、采样系统稳定范围与阶跃响应;现控部分:多输出系统能控标准型实现、力学系统状态空间、二阶系统状态反馈极点配置、三阶系统能控能观判别与观测器。题面含5幅插图。

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1一、二自由度机械系统的微分方程与传递函数#

思路
  • 对两个质量块分别列牛顿第二定律方程,取拉氏变换后消去中间变量,解出两个位移对力的传递函数。
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 对含弹簧与阻尼器的两质量系统列微分方程
本卷实例
  • 关键一步:按各质量块所受弹簧力与阻尼力的实际方向列力平衡式
  • 中间结果:两方程都含位移的两个未知量,必须联立才能消元
  • 卡点:机械系统图为原卷插图,弹簧阻尼的串并联方式需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 依据牛顿第二定律或达朗贝尔原理列方程
  • 三种基本元件:质量 m、粘性阻尼 f、弹簧 k
  • 同一方向取正,反向取负,逐项列出合力
步骤
  • 选定正方向并作受力分析
  • 分别写出质量、阻尼、弹簧对应的力
  • 按 F=ma 列写运动方程
  • 取拉氏变换整理成传递函数
通用考法
  • 本卷考过对含弹簧与阻尼器的两质量系统列微分方程
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 两质量块经弹簧阻尼连接的系统建模
常见易错
  • 阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
公式
本卷考法
  • 由机械系统的微分方程求位移对力的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把两个时域方程变换到 s 域后写成矩阵再消元
  • 中间结果:两个传递函数分母相同,分子由各支路的弹簧阻尼组合决定
  • 卡点:把阻尼力方向与弹簧力方向取反会令耦合项符号出错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由机械系统的微分方程求位移对力的传递函数
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式

2二、由阻尼比与斜坡误差反求二阶系统参数#

思路
  • 由结构图化简得闭环传函并化为标准二阶形式,用阻尼比与斜坡误差两条件解出参数与动态指标。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由系统结构图化简求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把局部反馈与串联支路逐层等效后写出闭环传函
  • 中间结果:闭环特征式化为 s 平方加含 k 与 tau 的一次项再加 k
  • 卡点:系统结构图为原卷插图,反馈支路的接法需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 串联环节相乘,并联环节相加(同向)或相减(反向)
  • 负反馈等效为 G/(1+GH),正反馈为 G/(1-GH)
  • 反馈等效的前提是单回路、无交叉
步骤
  • 识别环节之间的连接方式
  • 分别套用串联、并联或反馈等效公式
  • 逐层化简直到只剩一个等效环节
通用考法
  • 本卷考过由系统结构图化简求闭环传递函数
  • 多环节系统求闭环传递函数
  • 判断反馈极性对分母符号的影响
常见易错
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
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
  • 将闭环传函化为标准二阶形式读出阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把分母与标准二阶形式逐项比较系数
  • 中间结果:一次项系数对应两倍阻尼比乘自然频率,常数项对应其平方
  • 卡点:忘记把二次项系数归一化就直接套标准二阶形式
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
  • 本卷考过将闭环传函化为标准二阶形式读出阻尼比与自然频率
  • 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
  • 由阻尼比与自然频率计算超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比求超调量,再按误差带系数求调节时间
  • 中间结果:超调量只取决于阻尼比,调节时间与自然频率成反比
  • 卡点:两种误差带的调节时间系数容易混用
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
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率计算超调量与调节时间
  • 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
  • 由单位斜坡响应的误差值反求开环参数
本卷实例
  • 关键一步:由误差等于速度误差系数倒数建立与系统参数的方程
  • 中间结果:速度误差系数等于开环传函去掉积分环节后的直流增益
  • 卡点:用终值定理前必须先确认闭环系统稳定
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响应的误差值反求开环参数
  • 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

3三、以参数 a 为变量的根轨迹与分离点#

思路
  • 把特征方程整理成等效开环形式,由分离点方程的判别式符号分出 a 的三个区间再画根轨迹。
本卷考法
  • 按绘制法则画含重极点与一个零点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出原点二重极点与负实极点,判断实轴上的根轨迹段
  • 中间结果:渐近线交点在极点实部均值处,夹角按分支数等分
  • 卡点:原点为二重极点,实轴段判据要按重数计数
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
  • 本卷考过按绘制法则画含重极点与一个零点的根轨迹
  • 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
  • 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
  • 由分离点方程的判别式确定分离点个数与参数范围
本卷实例
  • 关键一步:令增益对 s 的导数为零得分离点方程,再求其判别式
  • 中间结果:判别式大于零、等于零、小于零分别对应两个、一个、无实数分离点
  • 卡点:求出的根要代回检验是否落在根轨迹上
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的判别式确定分离点个数与参数范围
  • 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
  • 以 a 为参变量作参数根轨迹并分段讨论
本卷实例
  • 关键一步:把含 a 的项整理到等效开环的分子上再按增益变化画轨迹
  • 中间结果:a 的三个区间对应渐近线交点位于右半平面、原点与左半平面
  • 卡点:参数根轨迹不能沿用普通根轨迹的零点位置
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 为参变量作参数根轨迹并分段讨论
  • 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

4四、非最小相位系统的奈奎斯特曲线与频率特性#

思路
  • 写出幅频相频表达式并按起点终点画奈氏曲线,再由幅相条件与斜坡误差反求时间常数与增益。
本卷考法
  • 求开环传函的幅频与相频表达式并判断曲线走向
本卷实例
  • 关键一步:分子分母各环节取模相乘、相角相加,再分析两个极端频率
  • 中间结果:低频段幅值趋于无穷、相角较负,高频段幅值趋于零
  • 卡点:相角累加时漏掉积分环节对应的负九十度
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
  • 本卷考过求开环传函的幅频与相频表达式并判断曲线走向
  • 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
本卷考法
  • 由分子零点判断系统为非最小相位并分析相位特点
本卷实例
  • 关键一步:识别分子中新出现的零点位于右半平面
  • 中间结果:该零点使相角比同幅频的最小相位系统多滞后一段
  • 卡点:把右半平面零点与右半平面极点混为一谈
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
  • 本卷考过由分子零点判断系统为非最小相位并分析相位特点
  • 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
  • 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
  • 由幅相曲线判断闭环稳定性并确定临界条件
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再看曲线对临界点的包围情况
  • 中间结果:曲线形状决定稳定所需的时间常数与增益关系
  • 卡点:开环含积分环节时未补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过由幅相曲线判断闭环稳定性并确定临界条件
  • 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
  • 由单位斜坡响应误差反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:由误差等于速度误差系数倒数建立关系式
  • 中间结果:斜坡误差为 1 时速度误差系数也等于 1
  • 卡点:未先判稳就使用终值定理
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响应误差反求开环增益
  • 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

5五、采样系统的稳定范围与阶跃响应#

思路
  • 对含零阶保持器的连续部分作 z 变换,用朱利判据求稳定范围,再求响应前5项与稳态误差。
本卷考法
  • 由图确定采样开关与零阶保持器并写出其传函
本卷实例
  • 关键一步:区分连续环节、采样开关与零阶保持器三部分
  • 中间结果:保持器与积分环节组合后离散化结果化为常数与 z 的有理式
  • 卡点:采样系统图为原卷插图,采样开关位置需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 采样把连续信号变成脉冲序列,采样周期 T 是关键参数
  • 采样定理要求采样频率不低于信号最高频率的两倍
  • 采样频率不足会产生频率混叠
  • 零阶保持器把离散信号恢复为连续信号,并引入半个采样周期的延迟
步骤
  • 确定信号最高频率或系统带宽
  • 按采样定理确定采样频率与采样周期上限
  • 必要时加入前置滤波器抑制混叠
通用考法
  • 本卷考过由图确定采样开关与零阶保持器并写出其传函
  • 由信号最高频率确定采样周期
  • 判断给定采样频率是否满足采样定理
  • 说明零阶保持器的频率特性
常见易错
  • 把采样定理写成采样周期不大于信号周期即可
  • 忽略零阶保持器带来的相位滞后
公式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先对连续部分作部分分式再逐项查 z 变换表求开环脉冲传函
  • 中间结果:开环脉冲传函为两因式之比,闭环特征式为二阶
  • 卡点:中间没有采样开关隔开的连续环节不能直接相乘
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开环与闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 用朱利判据求使离散系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由特征式写出取值大于零、取值小于零与常数项模小于一三条
  • 中间结果:三条不等式取交集得到增益的上下界
  • 卡点:离散稳定条件是特征根模小于一,不是实部小于零
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
  • 本卷考过用朱利判据求使离散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
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环脉冲传函求单位阶跃响应的前几项
本卷实例
  • 关键一步:对输出脉冲传函与阶跃输入之积用长除法展开成幂级数
  • 中间结果:幂级数各项系数即为各采样时刻的输出值
  • 卡点:展开时忽略初值会使首项对不上
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过由闭环脉冲传函求单位阶跃响应的前几项
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统单位阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理对误差脉冲传函与阶跃输入之积取极限
  • 中间结果:误差极限等于误差脉冲传函在 z 等于 1 处的值
  • 卡点:使用终值定理前需先确认闭环稳定
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
  • 本卷考过求离散系统单位阶跃输入下的稳态误差
  • 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

6六、由传递函数阵求能控标准型实现#

思路
  • 把向量传递函数按各分量分别写成能控标准型,含直接项的另补 D,再拼成整体实现。
本卷考法
  • 由各分量传函分别写出能控标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:把每个分量先化为真分式,对严格真分式部分写能控标准型
  • 中间结果:各分量共用同一组状态方程,只是输出方程不同
  • 卡点:真分式化分时直接传递项处理错误
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
  • 本卷考过由各分量传函分别写出能控标准型实现
  • 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
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 把各分量实现拼成多输入多输出的整体状态空间
本卷实例
  • 关键一步:统一状态变量后把各分量方程按行拼成四个矩阵
  • 中间结果:含直接项的分量在输出方程中给出对应的一行
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配
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
  • 本卷考过把各分量实现拼成多输入多输出的整体状态空间
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间实现反求传递函数阵以核对结果
本卷实例
  • 关键一步:用输出方程与状态方程的组合反算各分量传递函数
  • 中间结果:反算结果与题目给定传函一致即实现正确
  • 卡点:漏掉直接传递项会使高频段幅值不符
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实现反求传递函数阵以核对结果
  • 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

7七、机械系统的状态空间表达式#

思路
  • 对两个质量块列力平衡微分方程,取位移与速度作状态变量,整理成一阶方程组并写出输出方程。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由力学系统列写状态空间表达式并选取状态变量
本卷实例
  • 关键一步:取各位移与其一阶导数为状态变量,把二阶方程降为一阶组
  • 中间结果:状态矩阵由质量与弹簧阻尼系数的比值构成
  • 卡点:状态变量个数须等于系统自由度数,不能少取
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
  • 本卷考过由力学系统列写状态空间表达式并选取状态变量
  • 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
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 对弹簧与阻尼器连接的力学系统列力平衡方程
本卷实例
  • 关键一步:按各质量块所受相邻弹簧与阻尼器的作用力方向列式
  • 中间结果:两质量块之间的相互作用力大小相等、方向相反
  • 卡点:力学系统图为原卷插图,弹簧阻尼的连接方式需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 依据牛顿第二定律或达朗贝尔原理列方程
  • 三种基本元件:质量 m、粘性阻尼 f、弹簧 k
  • 同一方向取正,反向取负,逐项列出合力
步骤
  • 选定正方向并作受力分析
  • 分别写出质量、阻尼、弹簧对应的力
  • 按 F=ma 列写运动方程
  • 取拉氏变换整理成传递函数
通用考法
  • 本卷考过对弹簧与阻尼器连接的力学系统列力平衡方程
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 两质量块经弹簧阻尼连接的系统建模
常见易错
  • 阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
公式

8八、二阶系统的状态反馈极点配置#

思路
  • 算能控性矩阵判满秩,写出含增益的闭环特征多项式,与期望极点特征式比较系数解出增益。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能控性矩阵并判断能否任意配置极点
本卷实例
  • 关键一步:先算输入矩阵与状态矩阵之积再与输入矩阵拼成判别矩阵
  • 中间结果:判别矩阵两列线性无关,秩等于系统阶数
  • 卡点:未验证能控性就直接做极点配置
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
  • 本卷考过构造能控性矩阵并判断能否任意配置极点
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈阵把闭环极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写出希望特征多项式,与闭环特征式逐项比较系数
  • 中间结果:闭环特征多项式为二次项加含两个增益的一次项与常数项
  • 卡点:状态矩阵第2行第1列宝典印2而答案按1计算,需回原卷核对
  • 卡点:逐年试题册第8题状态矩阵以图给出、OCR 不可读,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阵把闭环极点配置到指定位置
  • 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
  • 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