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北京理工大学 810 自动控制原理 2020 年真题思维导图

985 院校共 9 题

难度:中等 9 道大题覆盖电路建模与状态空间、状态转移矩阵与能控分解及极点配置、单位正反馈的零度根轨迹、伯德图与相角裕度、二阶动态指标、离散脉冲传函与稳定性、非线性奇点与描述函数、李雅普诺夫判稳、变分法与最优控制;除第五题外八题印有个性化分值。

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一一、数学建模15 分#

思路
  • 以直流电流源为输入、电感电流为输出建立电路微分方程模型,再选状态变量写状态空间表达式并求传递函数。
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由电路网络建立微分方程或传递函数模型
本卷实例
  • 关键一步:按基尔霍夫定律与元件伏安关系列写回路方程
  • 关键一步:直流电流源作为输入并入状态方程
  • 中间结果:以电感电流为输出时分子由输入通路决定
  • 卡点:电路拓扑需回原卷核对图
  • 卡点:把电流源当电压源列方程
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
  • 本卷考过由电路网络建立微分方程或传递函数模型
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由物理系统列写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:状态变量个数等于独立储能元件个数
  • 关键一步:把二阶方程拆成一阶方程组并整理成矩阵形式
  • 中间结果:A、B、C 由元件参数与输入输出接入点确定
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 卡点:输出方程漏写直接传递项
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
  • 本卷考过由物理系统列写状态空间表达式
  • 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
  • 由微分方程或状态空间求输出对输入的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:零初始条件下取拉氏变换后消去中间变量
  • 中间结果:传函分母为电路特征式,分子为输入输出耦合项
  • 卡点:忘记零初始条件把初值代入变换
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
  • 本卷考过由微分方程或状态空间求输出对输入的传递函数
  • 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

二二、状态空间20 分#

思路
  • 第一问用待定系数法或最小多项式法求状态转移矩阵;第二问用代数判据判能控并作能控分解;第三问用状态反馈把极点配置到给定位置求增益向量 f。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 用待定系数法或最小多项式法求矩阵指数
本卷实例
  • 关键一步:先求特征值,再由凯莱-哈密顿定理把矩阵指数表成有限项
  • 中间结果:二阶系统转移矩阵由两个待定系数构造
  • 卡点:特征值为重根时待定系数求法写错
  • 卡点:只对角化处理而矩阵不可对角化
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
  • 本卷考过用待定系数法或最小多项式法求矩阵指数
  • 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
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用代数判据判断能控性并对不完全能控系统作能控性分解
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性判别阵求秩,秩小于阶数即不完全能控
  • 关键一步:取非奇异变换阵把能控与不能控状态分开
  • 中间结果:能控子系统阶数等于能控性判别阵的秩
  • 卡点:只算到上一次幂就下结论
  • 卡点:变换阵取错使分解后子系统仍非能控标准形
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
  • 本卷考过用代数判据判断能控性并对不完全能控系统作能控性分解
  • 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
  • 用状态反馈把闭环极点配置到指定位置并求反馈增益
本卷实例
  • 关键一步:先判断能控性,满秩才可任意配置极点
  • 关键一步:写闭环特征多项式并与期望多项式比系数
  • 中间结果:期望多项式由三个指定极点直接写出
  • 卡点:未验证能控性就直接配置
  • 卡点:特征多项式展开时符号写错
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
  • 本卷考过用状态反馈把闭环极点配置到指定位置并求反馈增益
  • 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

三三、根轨迹分析20 分#

思路
  • 单位正反馈系统,开环传函含一个零点与三个极点;按零度根轨迹法则画轨迹,再由与虚轴交点确定稳定 K 范围。
本卷考法
  • 绘制正反馈系统的零度根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:正反馈改用 0° 相角条件,实轴段与渐近线判据随之为偶数规则
  • 中间结果:零度根轨迹的渐近线夹角与 180° 情形不同
  • 卡点:零度根轨迹仍沿用 180° 相角条件
  • 卡点:把实轴段偶数判据写成奇数
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
  • 本卷考过绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 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
  • 按法则绘制根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:求渐近线、实轴段、分离点与会合点
  • 关键一步:标注起点终点与出射角
  • 中间结果:三条分支均趋于无穷远
  • 卡点:渐近线夹角公式中的 2k+1 写成 2k
  • 卡点:分离点求出后不筛除不在轨迹上的解
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
  • 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
  • 由根轨迹与虚轴交点确定系统稳定的 K 取值范围
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 代入闭环特征方程,实部虚部分别为零
  • 中间结果:临界 K 使一对共轭根落在虚轴上
  • 卡点:只代一组 ω 漏掉另一组解
  • 卡点:求得 K 后未核对参数定义
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
  • 本卷考过由根轨迹与虚轴交点确定系统稳定的 K 取值范围
  • 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

四四、频域分析20 分#

思路
  • 由开环传函画对数幅频渐近特性并求相角裕度判稳;再把幅频曲线向右平移十倍频程,重新求相角裕度并判断稳定性。
本卷考法
  • 画典型环节的对数频率特性并识别环节类型
本卷实例
  • 关键一步:各环节幅值相加、相角相加
  • 关键一步:转折频率处斜率按惯性或微分环节改变
  • 中间结果:系统含一个积分环节与两个惯性环节
  • 卡点:把高频渐近线斜率 -20 写成 -40
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过画典型环节的对数频率特性并识别环节类型
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式
本卷考法
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定型别和增益
  • 关键一步:逐段改斜率得到渐近折线
  • 中间结果:低频段斜率为 -20dB/dec,两个转折频率后变为 -60dB/dec
  • 卡点:逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 卡点:低频段起始高度漏算型别
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
  • 本卷考过绘制开环对数渐近幅频特性
  • 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
  • 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
  • 求相角裕度并判断稳定性,分析频率尺度变化的影响
本卷实例
  • 关键一步:在截止频率处令幅值等于 1,再代入相频求相角裕度
  • 中间结果:幅频曲线平移十倍频程等价于折线转折频率与截止频率同步移动
  • 卡点:把截止频率与相位穿越频率用反
  • 卡点:平移后未重新解截止频率就直接判稳
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
  • 本卷考过求相角裕度并判断稳定性,分析频率尺度变化的影响
  • 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

五五、动态特性分析#

思路
  • 由第一题电路在给定 C、L、R 下写闭环传函,化为标准二阶形式,读阻尼比与自然频率,再求上升时间、峰值时间与超调量。
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
  • 由闭环传函求无阻尼自然频率与阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:先归一分母首项系数,再与标准二阶式对照
  • 中间结果:由一次项与常数项系数解出阻尼比与自然频率
  • 卡点:不归一就直接读系数使自然频率偏大
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
  • 本卷考过由闭环传函求无阻尼自然频率与阻尼比
  • 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
  • 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上升时间、峰值时间与超调量
本卷实例
  • 关键一步:峰值时间用 π 除以阻尼自然频率
  • 关键一步:上升时间用 π 减阻尼角再除以阻尼自然频率
  • 中间结果:超调量只由阻尼比决定
  • 卡点:峰值时间与上升时间混用
  • 卡点:超调量公式漏乘百分比
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上升时间、峰值时间与超调量
  • 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

六六、线性离散系统15 分#

思路
  • 第一问由采样系统结构图求输出 z 变换与脉冲传递函数;第二问求开环 z 变换并用朱莉判据确定使系统稳定的 K 范围。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 按采样开关位置求输出 z 变换与脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:列各采样点之间的 z 域方程并消去中间变量
  • 关键一步:无采样开关隔开的连续环节先合并再求 z 变换
  • 中间结果:闭环脉冲传函分母含开环脉冲传函与反馈通道脉冲传函
  • 卡点:两个环节被采样开关隔开却分别求 z 变换相乘
  • 卡点: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
  • 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输出 z 变换与脉冲传递函数
  • 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
  • 求使离散系统稳定的开环增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征方程后用朱莉判据列稳定条件表
  • 关键一步:对二阶特征方程令特征值在正负一处满足约束
  • 中间结果:稳定条件给出关于增益的一组不等式,交集上界即临界增益
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零而非模小于 1
  • 卡点:朱莉表中首末项系数抄错
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
  • 本卷考过求使离散系统稳定的开环增益范围
  • 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

七七、非线性系统分析20 分#

思路
  • 第一问把范德波尔型方程写成状态方程,证唯一平衡态并判线性化后奇点类型;第二问由描述函数与线性部分求极限环的振幅与频率并判稳。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 求非线性微分方程的奇点并判断类型
本卷实例
  • 关键一步:令状态导数为零求平衡点并证唯一
  • 关键一步:在平衡点线性化写特征方程
  • 中间结果:由特征根为带正实部的共轭复根判为不稳定焦点
  • 卡点:线性化时丢高阶项使平衡点分支判断错
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
  • 本卷考过求非线性微分方程的奇点并判断类型
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出给定非线性特性的描述函数
本卷实例
  • 关键一步:对非线性环节输入正弦信号,取输出基波分量与输入振幅之比
  • 中间结果:描述函数含幅角与振幅的函数,可用于求交点
  • 卡点:把描述函数当成频率的函数
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特性的描述函数
  • 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
  • 由负倒描述曲线与线性部分奈氏图求自振振幅与频率
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分奈氏曲线与负倒描述曲线相交
  • 关键一步:由两曲线方程联立解出振幅与频率并判稳定自振
  • 中间结果:交点处线性部分与负倒描述曲线相角相等
  • 卡点:不判断穿越方向误取不稳定解
  • 卡点:把交点频率当成截止频率
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
  • 本卷考过由负倒描述曲线与线性部分奈氏图求自振振幅与频率
  • 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
  • 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

八八、李雅普诺夫稳定性分析15 分#

思路
  • 第一问证明给定非线性系统有唯一平衡态并构造二次型函数证大范围渐近稳定;第二问对线性系统用李雅普诺夫矩阵方程分析稳定性。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 构造二次型李雅普诺夫函数证明大范围渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:令状态导数为零求平衡点
  • 关键一步:取二次型候选函数,求导后并项配成平方组合
  • 中间结果:导数负定且函数径向无界则大范围渐近稳定
  • 卡点:只验证函数正定不检查导数的定号性
  • 卡点:李雅普诺夫方程中 P、Q 角色混用
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
  • 本卷考过构造二次型李雅普诺夫函数证明大范围渐近稳定
  • 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、最优控制20 分#

思路
  • 第一问对二元泛函写欧拉-拉格朗日方程求最优轨线与指标值;第二问构造哈密顿函数,由极值条件与横截条件求最优轨线。
本卷考法
  • 对含两个未知函数的泛函写欧拉方程并求极值轨线
本卷实例
  • 关键一步:对每个未知函数分别写欧拉方程得到常微分方程
  • 关键一步:由四个端点条件定通解中的四个常数
  • 中间结果:两个方程解耦,解为三角函数或多项式形式
  • 卡点:只对一个函数写欧拉方程
  • 卡点:端点条件数与待定常数个数不一致
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
  • 本卷考过对含两个未知函数的泛函写欧拉方程并求极值轨线
  • 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
  • 用极大值原理求使性能指标极小的最优轨线与指标值
本卷实例
  • 关键一步:构造哈密顿函数,由对控制求极值把控制表成协态函数
  • 关键一步:写协态方程与横截条件后回代状态方程
  • 中间结果:协态为常数,控制为常数,状态轨线随时间变化
  • 卡点:终端自由时协态终值条件用错
  • 卡点:解出控制后忘记回代状态方程验证
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
  • 本卷考过用极大值原理求使性能指标极小的最优轨线与指标值
  • 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