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新疆大学 833 自动控制原理 2015 年真题思维导图

211 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等 全卷三大题共14道独立小题。覆盖基本概念与极点配置、梅森公式求闭环传函、劳斯判据、描述函数法判断自振、能控标准型、二阶动态性能与参数反求、根轨迹与实部约束、采样系统稳定性与零阶保持器、Bode图与相位裕量、串联超前校正、状态转移矩阵与状态反馈极点配置。多题含原卷插图。

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一一、简答题:控制基本概念15 分#

思路
  • 从极点配置、反馈、三频段、减小稳态误差与基本性能要求五个概念分别作答
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 简述极点配置的含义与实现途径
本卷实例
  • 关键一步:从引入反馈改变闭环极点位置这一角度表述
  • 中间结果:实现途径可为状态反馈或输出反馈
  • 卡点:概念题无图无数值,注意写在答题纸上
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
  • 本卷考过简述极点配置的含义与实现途径
  • 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
  • 本卷考过把极点配置与单纯调增益混为一谈
  • 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
本卷考法
  • 说明反馈的含义与控制作用
  • 答出自动控制系统的三项基本性能要求
本卷实例
  • 关键一步:按输出量回送输入端与给定值比较来描述反馈
  • 中间结果:三项要求为稳定性、准确性、快速性
  • 卡点:两小问要分别作答,避免只答其中一项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环系统按给定、比较、放大、执行、对象、检测六个环节串联成环
  • 按有无反馈分为开环、闭环与复合控制;按给定信号分为恒值、随动与程序控制
  • 检测变送元件把被控量转换成可比较的信号,是反馈通道的入口
  • 控制系统的基本要求是稳、准、快三条
步骤
  • 从工艺或物理描述里找出被控量与操纵量
  • 逐个指认给定、比较、控制、执行、对象与检测六个环节对应的实物
  • 按信号流向把环节串成闭环方框图
  • 说明系统靠什么维持被控量等于给定量
通用考法
  • 本卷考过说明反馈的含义与控制作用
  • 本卷考过答出自动控制系统的三项基本性能要求
  • 指出系统的被控对象、被控量与操纵量
  • 说明检测变送元件在闭环系统中的作用
  • 画出给定系统的闭环方框图并说明工作过程
常见易错
  • 本卷考过把反馈量与被控量说成同一个量
  • 把被控量与操纵量搞反
  • 只画方框图而不指认环节,或反之,漏答一半
本卷考法
  • 说明开环对数幅频三频段与系统性能的对应关系
本卷实例
  • 关键一步:按低频、中频、高频分段对应稳态、动态与抗扰
  • 中间结果:中频段形状决定动态平稳性与快速性
  • 卡点:三频段划分要与转折频率对应
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
  • 本卷考过说明开环对数幅频三频段与系统性能的对应关系
  • 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
  • 本卷考过把高频段的作用说成提升稳态精度
  • 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
  • 列举减小稳态误差的常用措施
本卷实例
  • 关键一步:从提高增益、增加积分环节与补偿三方面作答
  • 中间结果:提高开环增益可降误差,但会压低稳定裕度
  • 卡点:措施需与系统型别对应,别只答一种手段
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过列举减小稳态误差的常用措施
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 本卷考过只提高开环增益而不检查稳定性
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式

二1二1、结构图求闭环传递函数10 分#

思路
  • 按结构图逐层化简,或用梅森增益公式直接求闭环传递函数
本卷考法
  • 用梅森公式求多回路结构图的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先列全部独立回路并判断有无互不接触回路
  • 中间结果:特征式只含单回路项,无二阶项
  • 卡点:结构图未读图,回路增益需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用梅森公式求多回路结构图的闭环传函
  • 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
  • 本卷考过余子式没剔除与前向通路接触的回路
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 用逐层化简核对结构图化简结果
本卷实例
  • 关键一步:从最内环起把局部反馈化成等效环节
  • 中间结果:逐层化简结果应与梅森公式一致
  • 卡点:比较点与引出点位置不同会改变中间式形式
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过用逐层化简核对结构图化简结果
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 本卷考过化简内环时把外环信号当成常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

二2二2、劳斯判据求稳定K范围10 分#

思路
  • 写出闭环特征多项式列劳斯表,由首列严格同号求稳定K范围
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求闭环稳定时K的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函通分化成闭环特征多项式再列劳斯表
  • 中间结果:首列各项严格为正才保证稳定
  • 卡点:开环含右半平面极点时判据用法要说明
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
  • 本卷考过用劳斯判据求闭环稳定时K的取值范围
  • 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
  • 本卷考过系数有缺项时没补零就直接列表
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由首列不等式取交集确定参数稳定域
  • 说明开环不稳定时闭环未必不稳定
本卷实例
  • 关键一步:把首列每个元素大于零写成不等式后取交集
  • 中间结果:稳定域为各不等式解集的公共部分
  • 卡点:端点是否包含要按严格不等式判断
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳定条件是一组关于参数的不等式
  • 区间端点通常对应临界稳定,即根落在虚轴上
  • 稳定域是不等式组的交集
步骤
  • 由劳斯表首列各元素大于零列出不等式组
  • 逐个解不等式并取交集
  • 检查端点是否为临界稳定
通用考法
  • 本卷考过由首列不等式取交集确定参数稳定域
  • 本卷考过说明开环不稳定时闭环未必不稳定
  • 求使系统稳定的参数上界或下界
  • 判断某参数取值是否满足稳定要求
  • 比较不同参数对稳定域大小的影响
常见易错
  • 本卷考过只取部分首列元素的不等式而漏约束
  • 只列出部分首列元素的不等式,漏掉某个约束
  • 取交集时把端点是否包含搞错
公式

二3二3、描述函数法判断自振10 分#

思路
  • 把线性部分频率特性与负倒描述函数画在同一复平面,按交点判自振
本卷考法
  • 用描述函数法判断是否自振并求振幅与频率
本卷实例
  • 关键一步:在同一复平面上画线性部分与负倒描述函数找交点
  • 中间结果:交点坐标对应自振的振幅与频率
  • 卡点:奈氏曲线形状未读图,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
  • 本卷考过用描述函数法判断是否自振并求振幅与频率
  • 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
  • 本卷考过画的是描述函数本身而不是负倒描述函数
  • 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
  • 写出给定非线性环节的描述函数并求负倒式
本卷实例
  • 关键一步:按定义对非线性环节作一次谐波近似
  • 中间结果:负倒描述函数只随振幅变化
  • 卡点:振幅增大方向要标注才能判交点稳定性
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
  • 本卷考过写出给定非线性环节的描述函数并求负倒式
  • 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
  • 本卷考过把描述函数当成频率的函数
  • 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

二4二4、由传递函数写能控标准型10 分#

思路
  • 把闭环传函化为严格真分式,按分母系数直接写能控标准型
本卷考法
  • 由传递函数直接写出能控标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:先做长除法取出直接项,再由分母系数写友矩阵
  • 中间结果:能控标准型的A由分母降幂系数构成
  • 卡点:真分式化分留下的直接项不可漏
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直接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
  • 本卷考过友矩阵中分母系数的符号写反
  • 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

三1三1、二阶系统动态性能与参数反求15 分#

思路
  • 由结构图求闭环特征多项式化标准二阶形式,再按指标反求K与α
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
  • 由结构图化标准二阶形式求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:先求闭环特征多项式再与标准式逐项比较
  • 中间结果:一次项系数对应二倍阻尼比乘自然频率
  • 卡点:结构图未读图,前向与反馈通路需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由结构图化标准二阶形式求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过化标准形式时忘记把二次项系数归一
  • 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求超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:判为欠阻尼后按公式求最大超调与调节时间
  • 中间结果:超调量只由阻尼比决定
  • 卡点:调节时间与阻尼比乘自然频率成反比
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求超调量与调节时间
  • 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
  • 本卷考过调节时间所取误差带不同却套用同一系数
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与调节时间要求反求系统参数
本卷实例
  • 关键一步:先由超调量定阻尼比,再由调节时间定自然频率
  • 中间结果:两式联立即可解出待定参数
  • 卡点:解出后要回代校验是否满足全部指标
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调节时间要求反求系统参数
  • 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就下结论,未交叉验证
  • 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

三2三2、根轨迹绘制与实部约束15 分#

思路
  • 按法则画根轨迹求虚轴交点,再平移坐标由边界条件定K范围
本卷考法
  • 按绘制法则画出系统根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:由开环零极点定实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:根轨迹关于实轴对称
  • 卡点:系统框图未读图,开环零极点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按绘制法则画出系统根轨迹草图
  • 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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点得临界稳定增益
本卷实例
  • 关键一步:把虚轴坐标代入特征方程分离实部与虚部
  • 中间结果:临界增益由虚轴交点的模条件给出
  • 卡点:穿越方向要与稳定域对应起来
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得临界稳定增益
  • 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
  • 由闭环极点实部约束确定K的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:令特征根实部等于边界值代入特征方程
  • 中间结果:实部均小于给定值等价于平移后系统稳定
  • 卡点:几何法与代数法所得结论要相互印证
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
  • 本卷考过由闭环极点实部约束确定K的取值范围
  • 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
  • 本卷考过把实部边界当成虚轴来处理
  • 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

三3三3、采样系统稳定性与零阶保持器15 分#

思路
  • 求开环脉冲传函写闭环特征方程,由特征根模判稳并讨论保持器影响
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求采样系统的开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对连续部分整体取z变换,注意是否含保持器
  • 中间结果:闭环脉冲传函由开环传函代入求得
  • 卡点:采样系统结构图未读图,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
  • 本卷考过求采样系统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
  • 本卷考过两个无采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 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
  • 由闭环特征根模判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:解特征方程求z平面极点后比较其模与一
  • 中间结果:极点模均小于一时系统稳定
  • 卡点:两种情况对应不同Gc,结论会随之变化
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
  • 本卷考过由闭环特征根模判断离散系统稳定性
  • 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极点实部小于零
  • 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
本卷考法
  • 说明零阶保持器对离散系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:从保持器引入滞后降低稳定裕度的角度作答
  • 中间结果:保持器使稳定范围相对连续系统收窄
  • 卡点:影响程度还与采样周期大小有关
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
  • 本卷考过说明零阶保持器对离散系统稳定性的影响
  • 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
  • 本卷考过忽略保持器带来的附加相位滞后
  • 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

三4三4、Bode图、相位裕量与超前校正20 分#

思路
  • 画开环对数幅频特性求相位裕量,再按指标要求设计串联超前校正
本卷考法
  • 按开环传函绘制对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:先写成标准时间常数形式再逐段画渐近线
  • 中间结果:低频段斜率与高度由型别和增益决定
  • 卡点:结构图未读图,开环环节需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按开环传函绘制对数渐近幅频特性
  • 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是替换
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由截止频率与相角求相位裕量并判稳
本卷实例
  • 关键一步:先在幅频特性上找幅值为一对应的截止频率
  • 中间结果:相位裕量等于该频率处相角加一百八十度
  • 卡点:最小相位系统才能仅凭裕量判稳
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相角求相位裕量并判稳
  • 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角穿越频率用反
  • 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
本卷考法
  • 求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判系统型别再套对应的静态误差系数
  • 中间结果:一型系统的斜坡误差等于速度误差系数的倒数
  • 卡点:含积分环节时误差才可能为有限值
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
  • 本卷考过求单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过未判稳就直接使用终值定理
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按截止频率与裕量要求设计串联超前校正
本卷实例
  • 关键一步:由未校正系统的幅值缺口求校正网络的参数
  • 中间结果:最大超前角频率对齐新的截止频率
  • 卡点:校正后要回代校验裕量是否达标
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超前校正利用相位超前特性提高相角裕度
  • 会使截止频率提高,响应加快
  • 最大超前角出现在两个转折频率的几何中点
  • 最大超前角不超过 60°,否则噪声放大明显
步骤
  • 由未校正系统的相角裕度差额确定所需最大超前角
  • 由最大超前角公式求 α
  • 由 α 与目标截止频率求两个转折频率
  • 写出校正装置传递函数并校验
通用考法
  • 本卷考过按截止频率与裕量要求设计串联超前校正
  • 设计串联超前校正装置
  • 计算校正后的相角裕度与截止频率
  • 分析超前校正的局限性
常见易错
  • 本卷考过计算补偿角时忽略截止频率变化带来的相角损失
  • 计算补偿角时忽略截止频率变化带来的附加相角损失
  • α 的取值与超前角公式方向取反
公式

三5三5、状态转移矩阵与状态反馈极点配置30 分#

思路
  • 由预解矩阵求状态转移矩阵,再判能观性并做状态反馈极点配置与观测器讨论
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态矩阵求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先求预解矩阵再逐项取拉氏反变换
  • 中间结果:转移矩阵元素由指数项组合而成
  • 卡点:有重根时反变换要保留时间的一次项
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
  • 本卷考过由状态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
  • 本卷考过矩阵求逆时忘记检查行列式是否非零
  • 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
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:先判能控性再比较期望与系统两个特征多项式
  • 中间结果:反馈阵各元由两组系数之差求出
  • 卡点:整理系统特征多项式时含反馈阵元素易错
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
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 比较状态反馈前后系统的能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别写反馈前后的能观性判别矩阵再比秩
  • 中间结果:状态反馈一般不改能控性,却可改变能观性
  • 卡点:秩的结果要按具体数值逐一验证
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
  • 本卷考过比较状态反馈前后系统的能观性
  • 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
  • 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
  • 说明状态不可检测时实现极点配置的途径
本卷实例
  • 关键一步:用状态观测器重构状态再送入反馈通道
  • 中间结果:观测器与状态反馈的极点可分别配置
  • 卡点:能否配置还与系统的能观性有关
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
  • 本卷考过说明状态不可检测时实现极点配置的途径
  • 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
  • 本卷考过忽略观测器极点过快会放大噪声
  • 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