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武汉理工大学 848 自动控制原理(含现控) 2018 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等 全卷10题(一~十)。覆盖二端口网络负载效应、斜坡稳态误差反求增益、劳斯判据全零行与特征根、含右半平面零点的零度根轨迹、奈氏曲线起点象限讨论、开环对数幅频与稳定裕度、滞后校正、离散系统动态性能、由传函建立状态空间并做状态反馈、由结构图求状态方程与能控能观;含图题多。

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一一、二端口网络求传函与负载效应#

思路
  • 由二端口网络结构图列电容电流与电压关系,消元求 Uo/Ui,再与两级一阶网络直接相乘的结果比较,由负载效应说明二者不能等同。
本卷考法
  • 由二端口RC网络结构图求电压比传函
本卷实例
  • 关键一步:电流经电容的关系列微积分方程再取拉氏变换
  • 中间结果:消去中间电流得二阶有理分式
  • 卡点:复阻抗法别把电容阻抗写成Cs
  • 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
  • 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
  • 本卷考过由二端口RC网络结构图求电压比传函
  • 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
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 列写两电容电流与节点电压关系式
本卷实例
  • 关键一步:按电容电流与电压的微分关系逐点列方程
  • 中间结果:两电容电流经同一节点电阻耦合
  • 卡点:漏掉前级输出对后级输入的影响
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过列写两电容电流与节点电压关系式
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 判断后级网络是否改变前级输出而破坏串联相乘
本卷实例
  • 关键一步:比较级联乘积与整体传函是否相等
  • 中间结果:两式分母仅差电容耦合项
  • 卡点:把无源网络串联直接当传函相乘
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
  • 本卷考过判断后级网络是否改变前级输出而破坏串联相乘
  • 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

二二、斜坡稳态误差反求增益与闭环传函#

思路
  • 对开环传函 k/[s(s+2)] 用静态速度误差系数法由稳态误差反求增益,再写单位负反馈闭环传函并由终值定理求阶跃输出稳态值。
本卷考法
  • 由单位斜坡稳态误差反求静态速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:先写出静态速度误差系数表达式
  • 中间结果:速度误差系数与稳态误差互为倒数
  • 卡点:未先判稳就套用静态误差系数法
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 型别 v 由开环传递函数中积分环节的个数决定
  • 0 型有位置误差、Ⅰ型有速度误差、Ⅱ型有加速度误差
  • 静态误差系数只与开环传递函数有关
步骤
  • 把开环传递函数写成分式,数出 s 的幂次即型别
  • 按型别选择对应的静态误差系数公式
  • 代入求值
通用考法
  • 本卷考过由单位斜坡稳态误差反求静态速度误差系数
  • 判断系统型别
  • 求静态位置、速度、加速度误差系数
  • 分析增加积分环节对精度的影响
常见易错
  • 把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 数错积分环节个数导致型别判错
公式
本卷考法
  • 把给定稳态误差代入误差系数式反解开环增益
本卷实例
  • 关键一步:把给定稳态误差代入误差系数式反解增益
  • 中间结果:得到开环增益后再写闭环传函
  • 卡点:组合输入时漏掉某一输入分量
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
  • 本卷考过把给定稳态误差代入误差系数式反解开环增益
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由开环传函写单位负反馈闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按前向比一加开环写出闭环传函
  • 中间结果:二阶闭环特征式系数全为正
  • 卡点:负反馈分母误写成 1 减回路传函
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
  • 本卷考过由开环传函写单位负反馈闭环传递函数
  • 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

三三、劳斯判据全零行与特征根#

思路
  • 对七阶特征方程列劳斯表,遇全零行用辅助方程求导后的系数替换,据首列变号判不稳定,再由辅助方程与余式分解求全部特征根。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 七阶特征方程劳斯表全零行处理
本卷实例
  • 关键一步:全零行用辅助方程求导后的系数替换
  • 中间结果:首列变号两次说明有两个正根
  • 卡点:首列为零后未用 ε 法继续算
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
  • 本卷考过七阶特征方程劳斯表全零行处理
  • 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
  • 由辅助方程与余式分解求全部特征根
本卷实例
  • 关键一步:辅助方程的根即一对共轭特征根
  • 中间结果:原特征式可分解为辅助式乘余式
  • 卡点:漏掉共轭根的另一半
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
  • 本卷考过由辅助方程与余式分解求全部特征根
  • 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

四四、零度根轨迹绘制#

思路
  • 由 1-G(s)=0 判定应画零度根轨迹,再按起点终点、实轴段、渐近线、分离点与虚轴交点逐步绘制。
本卷考法
  • 由特征方程形式判断应绘制零度根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成一减 G 等于零
  • 中间结果:相角条件取 360 度的整数倍
  • 卡点:零度根轨迹仍套 180 度相角条件
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
  • 本卷考过由特征方程形式判断应绘制零度根轨迹
  • 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
本卷考法
  • 按法则求根轨迹分支数与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:数开环极点数 n 与零点数 m 定分支
  • 中间结果:渐近线交点在极零点重心处
  • 卡点:实轴段判据零极点个数算错
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
  • 本卷考过按法则求根轨迹分支数与渐近线
  • 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
  • 由增益对 s 求导为零求分离点并取舍
本卷实例
  • 关键一步:把增益写成 s 的显函数再求导
  • 中间结果:分离点须落在实轴根轨迹段上
  • 卡点:求出方程根后不筛选保留无效解
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
  • 本卷考过由增益对 s 求导为零求分离点并取舍
  • 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
  • 令 s 等于 jw 代入特征方程求虚轴交点
本卷实例
  • 关键一步:实部虚部分别为零联立求解
  • 中间结果:临界增益对应根轨迹穿越虚轴处
  • 卡点:只代一组频率漏掉另一组交点
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
  • 本卷考过令 s 等于 jw 代入特征方程求虚轴交点
  • 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
  • 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

五五、奈氏曲线与参数对稳定性的影响#

思路
  • 对 G(s)=(τ1 s+1)/[s^2(τ2 s+1)] 求开环幅频与相频,按 τ1 与 τ2 大小分三种情形讨论奈氏曲线起点象限与包围次数,判闭环稳定性。
本卷考法
  • 由传函求开环幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 jw 后分离幅值与相角
  • 中间结果:相角含两个积分环节的负 180 度
  • 卡点:相角累加漏掉积分环节的负 90 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
  • 本卷考过由传函求开环幅频与相频表达式
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏曲线穿越次数与 P 判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环在右半平面的极点数
  • 中间结果:由 Z 等于 P 减 2N 判闭环根分布
  • 卡点:包围圈数正负号定义搞反
  • 卡点:积分环节未补画无穷大圆弧
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
  • 本卷考过由奈氏曲线穿越次数与 P 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
  • 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

六六、开环对数幅频曲线与稳定裕度#

思路
  • 对 G(s)=10(s+2)/[s(s+1)^2] 按转折频率分段叠加画渐近对数幅频曲线,由截止频率求相角裕度、由相角穿越求幅值裕度并判稳。
本卷考法
  • 按转折频率分段叠加画开环对数幅频曲线
本卷实例
  • 关键一步:低频段由积分环节斜率与增益定起点
  • 中间结果:各转折频率处逐段累加并改变斜率
  • 卡点:逐段改斜率时忘记累加直接替换
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
  • 本卷考过按转折频率分段叠加画开环对数幅频曲线
  • 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
  • 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
  • 由截止频率与穿越频率求相角与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅值等于 1 求截止频率 wc
  • 中间结果:相角裕度为 180 度加 wc 处相角
  • 卡点:把 wc 与 wg 两个频率用反
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
  • 本卷考过由截止频率与穿越频率求相角与幅值裕度
  • 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
  • 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
  • 在转折频率区间内列模值式求截止频率
本卷实例
  • 关键一步:抓大放小写出截止频率处模值
  • 中间结果:解得 wc 后再回代求相角裕度
  • 卡点:在近似 Bode 图上直接读精确 wc
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
  • 本卷考过在转折频率区间内列模值式求截止频率
  • 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

七七、滞后校正网络设计#

思路
  • 由阶跃稳态误差定开环增益,算未校正相角裕度不足后,选新截止频率并配置滞后网络的零极点转折频率,最后验证裕度。
本卷考法
  • 由单位阶跃稳态误差要求确定开环增益
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用终值定理列稳态误差
  • 中间结果:稳态误差与开环增益成反比
  • 卡点:未判稳就直接使用终值定理
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
  • 本卷考过由单位阶跃稳态误差要求确定开环增益
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由未校正相角裕度不足选定新截止频率
本卷实例
  • 关键一步:预留补偿角后求对应的新截止频率
  • 中间结果:新截止频率处原系统幅值决定衰减量
  • 卡点:补偿角漏掉截止频率移动的损失
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
  • 本卷考过由未校正相角裕度不足选定新截止频率
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 按幅值衰减量在低频段配置滞后网络
本卷实例
  • 关键一步:由衰减量反解滞后网络的两个转折频率
  • 中间结果:零点转折频率取在新截止频率的十分之一附近
  • 卡点:两个转折频率顺序写反
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
  • 本卷考过按幅值衰减量在低频段配置滞后网络
  • 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

八八、离散系统动态性能指标#

思路
  • 由结构图求开环与闭环脉冲传函,长除法求输出采样序列,再由峰值与终值算超调量、调节时间与峰值时间。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续部分加采样开关求闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先部分分式再查表得开环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函由 G 比 1 加 G 给出
  • 卡点:无采样开关隔开的连续环节直接相乘
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
  • 本卷考过由连续部分加采样开关求闭环脉冲传函
  • 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
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用长除法求输出采样序列
本卷实例
  • 关键一步:把输出 z 变换按 z 的降幂做长除
  • 中间结果:输出序列峰值作为算超调量的依据
  • 卡点:z 变换结果中 e 的负 aT 写成 e 的负 a
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
  • 本卷考过用长除法求输出采样序列
  • 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
本卷考法
  • 由采样输出序列求超调与调节峰值时间
本卷实例
  • 关键一步:由终值与峰值之差算百分超调量
  • 中间结果:调节时间按误差带对应的采样点数取
  • 卡点:把 z 平面极点当 s 平面极点读阻尼比
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环极点在 z 平面上的位置决定响应形式
  • 极点越靠近原点衰减越快,越靠近单位圆振荡越强
  • 极点的幅角决定振荡频率,幅值决定衰减速度
  • 采样周期增大会使动态性能变差甚至不稳定
步骤
  • 求闭环脉冲传递函数的极点
  • 按极点在单位圆内的位置判断响应形式
  • 由极点的模与幅角估算衰减与振荡频率
  • 与连续系统指标对应关系相互校验
通用考法
  • 本卷考过由采样输出序列求超调与调节峰值时间
  • 由闭环极点分布判断动态性能
  • 与连续域指标互相换算
  • 说明采样周期对动态性能的影响
常见易错
  • 把 z 平面极点当作 s 平面极点直接读阻尼比
  • 忽略单位圆上极点对应等幅振荡
公式

九九、由传函建立状态空间与状态反馈特征根#

思路
  • 由 Y/U=1/(s^2+2s+1) 取相变量建状态空间表达式,代入状态反馈律后写闭环矩阵并求特征根。
本卷考法
  • 由传函取相变量写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:取 x1 等于 y、x2 等于 y 的一阶导
  • 中间结果:友矩阵系数按传函分母降幂排列
  • 卡点:友矩阵系数符号写反
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
  • 本卷考过由传函取相变量写状态空间表达式
  • 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
  • 按所取状态变量列写状态与输出方程
本卷实例
  • 关键一步:由微分方程逐项对应写状态方程
  • 中间结果:输出方程只含 x1 不含输入直通项
  • 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
  • 本卷考过按所取状态变量列写状态与输出方程
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 把状态反馈律代入状态方程求闭环特征根
本卷实例
  • 关键一步:把 u 表达式代入状态方程整理闭环矩阵
  • 中间结果:闭环特征式由闭环矩阵行列式给出
  • 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
  • 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
  • 本卷考过把状态反馈律代入状态方程求闭环特征根
  • 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

十十、结构图状态方程与能控能观#

思路
  • 由结构图列写积分器前后关系得状态方程与输出方程,再算能控性矩阵与能观性矩阵的秩判满秩。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由动态结构图列写状态方程与输出方程
本卷实例
  • 关键一步:取每个积分器输出作为状态变量列式
  • 中间结果:整理成一阶导数等于 Ax 加 Bu 的形式
  • 卡点:结构图以图给出,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
  • 本卷考过由动态结构图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
  • 算能控性矩阵与能观性矩阵并判满秩
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控与能观两个判别矩阵
  • 中间结果:矩阵秩等于状态维数则完全能控能观
  • 卡点:只算到倒数第二个列向量就下结论
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
  • 本卷考过算能控性矩阵与能观性矩阵并判满秩
  • 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