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北京理工大学 810 自动控制原理 2016 年真题思维导图

985 院校共 9 题

难度:中等 九道大题覆盖 RLC 电路状态空间建模、由脉冲响应反求传函与动态指标、零极点对消与能控能观、四重汇合根轨迹、奈奎斯特稳定判据、离散误差传函与稳态误差、描述函数法判自振、非线性奇点分类、两点最短距离与泛函极值,全卷未印分值。

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一一、RLC网络状态空间与传函#

思路
  • 以电感电流与两电容电压为状态,由 KCL、KVL 列写三个一阶方程并整理成题给状态空间式;第二问用复阻抗法证等效阻抗并推导输出对输入的传函。题面含图未读图。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由电路图列写三阶状态空间表达式并证明给定矩阵
本卷实例
  • 关键一步:取电感电流与两电容电压为状态,按节点列 KCL
  • 关键一步:消去电容电压导数写成状态方程形式
  • 中间结果:三个储能元件决定系统为三阶
  • 中间结果:输出方程含三个状态项与直接传递项
  • 卡点:状态变量个数与储能元件数不一致;电路连接需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由电路图列写三阶状态空间表达式并证明给定矩阵
  • 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
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 用复阻抗法证等效阻抗并推输出传函
本卷实例
  • 关键一步:两支路串联阻抗分别写出再并联
  • 关键一步:由分压关系写输出对输入的传函
  • 中间结果:传函分母含两时间常数与总时间常数的组合
  • 卡点:复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs;电路图未读需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用复阻抗法证等效阻抗并推输出传函
  • 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

二二、由脉冲响应求传函与指标#

思路
  • 对给定单位脉冲响应作拉氏变换得传递函数,化为标准二阶形式读阻尼比与自然频率,再代入公式求单位阶跃响应、峰值时间、超调量与调节时间。
本卷考法
  • 由单位脉冲响应反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对脉冲响应作拉氏变换即得传函
  • 关键一步:把分母整理成标准二阶形式
  • 中间结果:由一次项与常数项分别解出阻尼比与自然频率
  • 卡点:未判断系统阶数就套用二阶公式
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由单位脉冲响应反求传递函数
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
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
  • 由传函标准形式读阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:分母首项归一后与标准式逐项对照
  • 中间结果:阻尼比为一次项系数与两倍自然频率之比
  • 卡点:把开环增益误当闭环传函系数
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
  • 本卷考过由传函标准形式读阻尼比与自然频率
  • 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
  • 计算阶跃响应、峰值时间、超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:峰值时间由阻尼自然频率取派
  • 关键一步:调节时间按误差带取对应系数
  • 中间结果:超调量仅由阻尼比决定
  • 卡点:两种误差带的调节时间系数取反;峰值时间与上升时间混用
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
  • 本卷考过计算阶跃响应、峰值时间、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

三三、零极点对消与能控能观#

思路
  • 与第一题电路对应,在时间常数相等时用特征多项式验证给定量为特征值;再用 PBH 判据检验能控性与能观性,并由零极点对消推断能观性受损。
本卷考法
  • 由传函零极点对消说明能控性与能观性之一受损
本卷实例
  • 关键一步:把时间常数相等条件代入状态矩阵并化简特征多项式
  • 关键一步:代入指定负倒数验证其满足特征方程
  • 中间结果:该负倒数确为状态矩阵的特征值
  • 卡点:把零极点对消当成能控能观全部丧失
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
  • 本卷考过由传函零极点对消说明能控性与能观性之一受损
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用 PBH 判据判定能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:对每个特征值分别构造能控与能观 PBH 矩阵
  • 关键一步:比较两矩阵的秩与状态维数
  • 中间结果:能控 PBH 矩阵满秩,能观 PBH 矩阵降秩
  • 卡点:只算一个特征值就下结论;两矩阵构造方式搞混
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
  • 本卷考过用 PBH 判据判定能控性与能观性
  • 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

四四、根轨迹四重汇合与稳定范围#

思路
  • 先由闭环特征方程配方证明存在增益使四个根汇合于指定实数点,再按给定参数求分离汇合点、渐近线并画根轨迹,最后由与虚轴交点定稳定增益范围。
本卷考法
  • 画含一对共轭极点与原点重极点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:定开环极点与分支数
  • 关键一步:按实轴段与渐近线逐条画
  • 中间结果:四条分支起于四个开环极点并沿渐近线趋于无穷
  • 卡点:渐近线夹角公式写错;根轨迹草图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过画含一对共轭极点与原点重极点的根轨迹
  • 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
  • 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
  • 求四重汇合点处的增益与分离汇合坐标
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程配方找重根条件
  • 关键一步:用分离点方程核对汇合坐标
  • 中间结果:四重汇合点位于指定负实数点
  • 卡点:把重根条件当成一般分离点方程;未回代核对增益正负
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
  • 本卷考过求四重汇合点处的增益与分离汇合坐标
  • 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
  • 由虚轴交点定临界增益与稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表令首列出现零求临界条件
  • 关键一步:代回特征方程求虚轴交点坐标
  • 中间结果:临界增益使一对共轭根落在虚轴上
  • 卡点:只令一行为零漏掉其他约束;临界点后未判断稳定区间方向
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
  • 本卷考过由虚轴交点定临界增益与稳定范围
  • 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、频域稳定判据#

思路
  • 由开环频率特性证明奈奎斯特曲线与负实轴交点的频率与幅值关系,再由该幅值的绝对值小于一列出闭环稳定增益条件。
本卷考法
  • 求开环频率特性并定与负实轴的交点
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω 后整理实部与虚部
  • 关键一步:令虚部为零解出交点频率
  • 中间结果:交点频率由三个时间常数表示
  • 卡点:复数分式求模忘记分母取模;积分环节相角漏算
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
  • 本卷考过求开环频率特性并定与负实轴的交点
  • 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
  • 由奈奎斯特曲线列闭环稳定条件
本卷实例
  • 关键一步:定曲线起点终点与负实轴交点
  • 关键一步:按包围临界点情况写幅值约束
  • 中间结果:开环无右半平面极点时,交点幅值在负一到零之间即稳定
  • 卡点: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
  • 本卷考过由奈奎斯特曲线列闭环稳定条件
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由交点幅值条件求增益的稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:把交点幅值写成增益与参数的乘积
  • 关键一步:令其落在负一到零之间并与参数正负配合
  • 中间结果:稳定范围由交点幅值表达式的一次不等式给出
  • 卡点:忽略时间常数组合的正负;把不等式方向取反
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
  • 本卷考过由交点幅值条件求增益的稳定范围
  • 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
  • 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

六六、离散误差传函与稳态误差#

思路
  • 按采样开关位置列写采样点误差方程求误差脉冲传函;再代入斜坡输入与给定参数,判稳后用终值定理求稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 按采样开关位置求误差脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:列采样点误差方程消去中间变量
  • 关键一步:把无采样开关隔开的连续环节合并后再求 z 变换
  • 中间结果:误差传函分母为一加开环脉冲传函
  • 卡点:把两个被采样开关隔开的连续环节先分别求 z 再相乘
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
  • 本卷考过按采样开关位置求误差脉冲传递函数
  • 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
  • 判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征方程并求根
  • 关键一步:比较根的模与一的大小
  • 中间结果:二阶特征方程可直接用求根公式判稳
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零而不是模小于一
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
  • 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
  • 求斜坡输入下离散系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先确认闭环稳定再用终值定理
  • 关键一步:由开环脉冲传函写速度误差系数
  • 中间结果:稳态误差由速度误差系数与输入斜率共同决定
  • 卡点:未判稳就套终值定理;斜坡误差漏乘采样周期
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
  • 本卷考过求斜坡输入下离散系统的稳态误差
  • 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

七七、描述函数法判自振#

思路
  • 由非线性环节描述函数求负倒描述曲线,与线性部分奈奎斯特曲线比较判断交点与自振,进而讨论系统稳定性与消除自振的条件。题面含图未读图。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写含线性项与继电项的描述函数
本卷实例
  • 关键一步:对正弦输入取输出基波分量与振幅之比
  • 关键一步:把描述函数分成常数项与倒数项两部分
  • 中间结果:负倒描述曲线随振幅单调变化并趋于常数的负倒数
  • 卡点:把描述函数当成频率的函数;非线性环节图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过写含线性项与继电项的描述函数
  • 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
本卷考法
  • 由两曲线交点判断自振并求自振参数
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分与负实轴交点处的幅值
  • 关键一步:令交点幅值等于负倒描述曲线取值解振幅
  • 中间结果:两曲线存在一个稳定交点时系统产生自振
  • 卡点:不判断穿越方向误取不稳定解;把交点频率当截止频率
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
  • 本卷考过由两曲线交点判断自振并求自振参数
  • 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
本卷考法
  • 分析参数变化对自振的影响
本卷实例
  • 关键一步:写出增益变化后两曲线相对位置条件
  • 关键一步:判断是否仍有交点
  • 中间结果:线性部分幅值随增益变化,可改变是否有交点
  • 卡点:只调增益不检查是否引入新的自振点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过分析参数变化对自振的影响
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振

八八、非线性系统奇点与稳定性#

思路
  • 把二阶非线性方程化为一阶方程组,令导数为零求奇点,在奇点处线性化用特征根判断奇点类型与稳定性。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 求非线性系统的奇点并判断奇点类型
本卷实例
  • 关键一步:把二阶方程化为一阶方程组并令导数为零
  • 关键一步:在各奇点处线性化后由特征根判定类型
  • 中间结果:一个奇点对应纯虚特征根为中心点,另一个对应异号实根为鞍点
  • 卡点:相轨迹斜率公式分子分母写反;把中心点误判为稳定焦点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过求非线性系统的奇点并判断奇点类型
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 在平衡点处作小偏差线性化
本卷实例
  • 关键一步:求右端函数在平衡点处的一阶偏导
  • 关键一步:用偏导矩阵近似原非线性系统
  • 中间结果:线性化系统的特征值决定原奇点的局部类型
  • 卡点:未先求平衡点就直接展开
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过在平衡点处作小偏差线性化
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用线性化特征根判断平衡状态的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出线性化矩阵的特征方程
  • 关键一步:由特征根实部符号判断渐近稳定或不稳定
  • 中间结果:负实部对应渐近稳定,异号实根对应不稳定
  • 卡点:只验证候选函数正定而不检查其导数的定号性
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
  • 本卷考过用线性化特征根判断平衡状态的稳定性
  • 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
  • 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

九九、最短距离与泛函极值#

思路
  • 第一问写两点间最短距离的弧长泛函,用欧拉方程与横截条件求最短轨线;第二问对含两函数的泛函分别写欧拉方程并结合端点条件求解。
本卷考法
  • 对含两已知曲线约束的弧长泛函求最短距离
本卷实例
  • 关键一步:写弧长被积函数并因不含自变量而得一次积分
  • 关键一步:分别对起点与末端写横截条件
  • 中间结果:最优轨线斜率为常数,两端条件各给一个方程
  • 卡点:漏掉可动端点的横截条件;把末端时刻固定当自由
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 泛函的极值由欧拉-拉格朗日方程给出,它是变分法的基本必要条件
  • 被积函数不显含自变量时可用首次积分降阶
  • 端点固定的横截条件由给定的边界条件直接给出
步骤
  • 写出被积函数(含状态量、状态量的导数、自变量)
  • 代入欧拉-拉格朗日方程并化简
  • 对被积函数不显含自变量的情形改用首次积分降阶
  • 代入两端边界条件定积分常数,得到极值函数
通用考法
  • 本卷考过对含两已知曲线约束的弧长泛函求最短距离
  • 求给定泛函在给定边界条件下的极值函数
  • 写出欧拉-拉格朗日方程并化简
  • 说明横截条件的作用
常见易错
  • 边界条件有多个时只用两个,漏掉导数的端点条件
  • 含高阶导数的泛函仍套一阶的欧拉方程
公式
本卷考法
  • 对含两未知函数的泛函分别写欧拉方程并求极值函数
本卷实例
  • 关键一步:对每个未知函数分别写欧拉方程
  • 关键一步:由四个端点条件定通解常数
  • 中间结果:一个方程为二次导数的简谐形式,另一个为一次求积形式
  • 卡点:只对一个函数写欧拉方程;端点条件数与常数个数不一致
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最优控制问题由状态方程、性能指标与控制量约束共同描述
  • 哈密顿函数对控制量取极值是极大值原理的核心条件
  • 协态方程与横截条件由哈密顿函数分别对状态量和终端条件给出
  • 终端自由时横截条件要求终端协态为零
步骤
  • 构造哈密顿函数(性能指标的被积函数加上协态与状态方程的乘积)
  • 由哈密顿函数对控制量取极值解出最优控制与协态的关系
  • 写出协态方程与边界条件,与状态方程联立
  • 求状态与协态的解析解,再回代得最优控制与最优轨线
通用考法
  • 本卷考过对含两未知函数的泛函分别写欧拉方程并求极值函数
  • 用极大值原理求使性能指标极小的最优控制与最优轨线
  • 构造哈密顿函数并写出正则方程组
  • 判断终端约束对应的横截条件
常见易错
  • 终端自由时仍把协态终值取零以外的值,或反之错把终端固定当自由
  • 解出控制量后忘记回代状态方程验证
公式