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国防科技大学 851 自动控制理论(含现控) 2015 年真题思维导图

985 院校共 8 题

难度:中等 8 道大题:倒立摆建模与线性化、扰动稳态误差与前馈补偿、内环反馈校正、控制器零极点匹配离散化、根轨迹与主导极点、频域参数设计、状态空间求传函、离散系统阶跃响应;无选择填空

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1一、倒立摆动力学建模、线性化与全响应20 分#

思路
  • 对绕铰点转动的圆球列转动定律建立入射角的动力学方程,在小角度下用正弦约等于角本身线性化,再由含初值的拉氏变换解出全响应。
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 对绕铰点转动的圆球列转动定律,建立入射角 θ 的动力学方程
本卷实例
  • 关键一步:对铰点取矩,忽略杆质量与转动惯量写转动方程
  • 中间结果:转动惯量按圆球绕铰点计,恢复力矩由重力分力给出
  • 卡点:勿把小球当质点平动处理,须按绕铰点转动建模
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
  • 本卷考过对绕铰点转动的圆球列转动定律,建立入射角 θ 的动力学方程
  • 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
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 在小角度条件下对倒立摆非线性方程做线性化
本卷实例
  • 关键一步:令正弦约等于角本身代入,只保留一次项
  • 中间结果:线性化后为角位移的二阶常系数齐次方程
  • 卡点:平衡点与正方向约定不同会使重力项符号相反
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
  • 本卷考过在小角度条件下对倒立摆非线性方程做线性化
  • 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
本卷考法
  • 由线性化方程与两个初值求系统的全响应 θ(t)
本卷实例
  • 关键一步:把初值代入拉氏变换的微分性质再解出像函数
  • 中间结果:像函数由初值决定的自由响应项构成,含两个待定系数
  • 卡点:初值含一阶导,做二阶导变换时勿漏该项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 全响应由零输入响应与零状态响应两部分叠加而成
  • 零输入响应的形式由特征根决定,系数由初始条件定
  • 零状态响应用卷积或拉氏变换法求,也可查典型输入的响应表
  • 初值条件要区分零时刻前后的跳变,含输入导数项的方程会在零时刻产生跳变
步骤
  • 写出微分方程并取拉氏变换,把初始条件作为等效输入移到等号右端
  • 分别求零输入解与零状态解,再相加得全响应
  • 用初始条件定常数,必要时用终值核对稳态值
  • 检查求得的解在零时刻是否等于给定初值
通用考法
  • 本卷考过由线性化方程与两个初值求系统的全响应 θ(t)
  • 由微分方程与初始条件求系统的全响应
  • 分别求零输入响应与零状态响应
  • 判断给定初值下响应是否单调或是否有极值
常见易错
  • 只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 分子含输入导数时忽略零时刻的跳变,导致初值对不上
公式

2二、扰动下的稳态误差与前馈、顺馈补偿20 分#

思路
  • 按叠加原理分别求参考输入与扰动单独作用下的误差传函,判稳后用终值定理算稳态误差;再按不变性原理设计前馈与顺馈补偿器,最后调前置增益使阶跃误差为零。
本卷考法
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用叠加原理令参考输入为零,单独看扰动通道
  • 中间结果:扰动误差传函由扰动通道传函与开环传函共同决定
  • 卡点:求扰动通道时勿把参考输入分量混进来,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 线性系统可用叠加原理,每次只保留一个输入
  • 求扰动的传递函数时令参考输入为零
  • 扰动误差与输入误差分别计算后再叠加
步骤
  • 令 R(s)=0,求扰动到输出的传递函数
  • 令 N(s)=0,求输入到输出的传递函数
  • 按题目要求叠加或单独分析
通用考法
  • 本卷考过令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 求扰动引起的输出或误差
  • 分析满足扰动不变性的补偿条件
常见易错
  • 两个输入同时存在时直接叠加却未验证系统的线性性
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式
本卷考法
  • 计算扰动单独作用下的稳态误差并核查稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先用劳斯判据确认闭环稳定再对误差像函数用终值定理
  • 中间结果:稳态误差取拉氏变量趋于零时的极限
  • 卡点:未判稳就套终值定理会得到错误的稳态值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过计算扰动单独作用下的稳态误差并核查稳定性
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式
本卷考法
  • 分别算阶跃参考输入与阶跃扰动下的稳态误差并求总量
本卷实例
  • 关键一步:两种输入分别独立求误差后按线性叠加
  • 中间结果:总稳态跟踪误差为两项的代数和
  • 卡点:扰动误差的符号取决于作用点,勿只取绝对值
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
  • 本卷考过分别算阶跃参考输入与阶跃扰动下的稳态误差并求总量
  • 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
本卷考法
  • 按扰动不变性原理设计前馈与顺馈补偿器
本卷实例
  • 关键一步:令扰动到误差的传函恒为零,反解补偿器传函
  • 中间结果:补偿器由扰动通道与被控通道的传函之比给出
  • 卡点:补偿器含微分项时要检查物理可实现性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过按扰动不变性原理设计前馈与顺馈补偿器
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式
本卷考法
  • 设计前置比例放大器使系统对阶跃指令成为无差系统
本卷实例
  • 关键一步:写出阶跃误差表达式并令其分子中的常值项为零
  • 中间结果:前置增益由闭环分数中常数项的匹配条件定出
  • 卡点:提高增益前须核对该增益下系统仍稳定
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
  • 本卷考过设计前置比例放大器使系统对阶跃指令成为无差系统
  • 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
  • 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

3三、内环反馈校正的等效与性能分析30 分#

思路
  • 把内环反馈化成等效输出反馈校正器并识别其为比例积分型,写出闭环特征式与标准二阶形式,逐项分析增益对阻尼比、自然频率与各项指标的影响,再由阻尼比要求定增益并算校正前后指标。
本卷考法
  • 把内环反馈等效为输出反馈校正器并说明其类型
本卷实例
  • 关键一步:用框图等效把内环反馈折算到误差通道上
  • 中间结果:等效校正器分子含一阶微分、分母含积分,属比例积分形式
  • 卡点:内环反馈与串联校正的等效方向相反,勿写反,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过把内环反馈等效为输出反馈校正器并说明其类型
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路系统的逐层化简求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先化简内环再化简外环,写成单一闭环形式
  • 中间结果:闭环分母为二阶多项式,增益只进入一次项系数
  • 卡点:化简内环时勿把外环信号当常数
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
  • 本卷考过多回路系统的逐层化简求闭环传递函数
  • 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
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
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
  • 把闭环特征式对照二阶标准形式读阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把特征式二次项系数归一后逐项对照标准形式
  • 中间结果:自然频率与增益无关,阻尼比随增益增大而增大
  • 卡点:归一化时勿漏除二次项的系数
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
  • 本卷考过把闭环特征式对照二阶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
  • 分析阻尼比与自然频率变化对超调量和调节时间的影响
本卷实例
  • 关键一步:由调节时间与超调量公式判断其随增益的变化趋势
  • 中间结果:自然频率不变而阻尼比增大时,超调与调节时间均下降
  • 卡点:调节时间的误差带取 2% 准则,系数与 5% 不同
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
  • 本卷考过分析阻尼比与自然频率变化对超调量和调节时间的影响
  • 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
  • 求斜坡输入下的稳态误差并分析其随增益的变化
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再写出误差传函对斜坡输入用终值定理
  • 中间结果:斜坡误差与阻尼比同向变化,增益增大误差变大
  • 卡点:斜坡误差要用速度误差系数对应的表达形式
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
  • 本卷考过求斜坡输入下的稳态误差并分析其随增益的变化
  • 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

4四、连续控制器的零极点匹配离散化10 分#

思路
  • 按零极点匹配法把连续控制器的极零点映射到 z 平面,再用低频增益相等条件定出 D(z) 的系数。
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 用零极点匹配法把连续控制器离散为等效 D(z)(借位,ds_08 本为状态方程离散化)
本卷实例
  • 关键一步:把连续控制器的极零点按 z 等于 e 的 sT 次幂逐对映射
  • 中间结果:D(z) 的极零点由连续极零点映射值确定,另留一个待定系数
  • 卡点:系数还需用低频增益相等条件单独定出,勿直接照搬
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散化状态方程由状态转移矩阵在采样周期处的取值构成
  • 输入矩阵是状态转移矩阵与输入矩阵乘积在采样周期上的积分
  • 带零阶保持器时即按上述积分式离散化,输出矩阵不变
步骤
  • 求连续系统的状态转移矩阵
  • 把采样周期代入得到离散状态矩阵
  • 对输入矩阵做积分得到离散输入矩阵
  • 写出差分形式的离散状态方程并按递推求采样点上的响应
通用考法
  • 本卷考过用零极点匹配法把连续控制器离散为等效 D(z)(借位,ds_08 本为状态方程离散化)
  • 求连续系统在给定采样周期下的离散化状态方程
  • 由给出的状态响应反求系统矩阵再离散化
  • 计算采样点上的状态与输出序列
常见易错
  • 把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
  • 积分上限写成采样周期以外的量,或忘记乘输入矩阵
公式

5五、根轨迹绘制、稳定范围与主导极点近似30 分#

思路
  • 由开环极零点按根轨迹法则求实轴段、渐近线、分离点与复极点出射角,再用劳斯判据求虚轴交点与稳定增益范围,最后按给定阻尼比的等阻尼线求闭环极点并核主导极点条件。
本卷考法
  • 由开环极零点求实轴上根轨迹段、渐近线交点与夹角
本卷实例
  • 关键一步:先标出开环极点位置,再按实轴段判据与渐近线公式求取
  • 中间结果:渐近线条数由极点数减零点数确定
  • 卡点:实轴段判据要数右侧零极点总数
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
  • 本卷考过由开环极零点求实轴上根轨迹段、渐近线交点与夹角
  • 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
  • 由分离点方程求实轴上的分离点坐标
本卷实例
  • 关键一步:列出各开环极点倒数之和为零的方程
  • 中间结果:三次方程只有落在实轴根轨迹段上的根才有效
  • 卡点:复数根应按舍去处理,勿当作分离点
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求实轴上的分离点坐标
  • 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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求共轭复数开环极点处的根轨迹出射角
本卷实例
  • 关键一步:用相角条件列出该极点出射角与其余零极点相角之和的方程
  • 中间结果:另一共轭极点的出射角与之关于实轴对称
  • 卡点:累加相角时勿把该极点自身算进去
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 出射角是根轨迹离开开环极点的方向
  • 入射角是根轨迹进入开环零点的方向
  • 计算时需代入相角条件并逐项累加各零极点贡献的相角
  • 共轭复数极点的出射角互为相反数
步骤
  • 取待求极点(或零点)为参考点
  • 写出相角条件并代入该点
  • 把其余零极点的相角移到等式右边累加
  • 求反正切得到出射角或入射角
通用考法
  • 本卷考过求共轭复数开环极点处的根轨迹出射角
  • 求复数极点的出射角
  • 根据出射角画出根轨迹起始方向
  • 由入射角确定根轨迹终止方向
常见易错
  • 累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 忘记判断象限导致角度差 180°
公式
本卷考法
  • 用劳斯判据求根轨迹与虚轴的交点和临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令劳斯表首列为零求临界增益,再由辅助方程解虚轴交点
  • 中间结果:辅助方程的根给出穿越虚轴的频率
  • 卡点:首列出现零时须用辅助方程继续判断
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
  • 本卷考过用劳斯判据求根轨迹与虚轴的交点和临界增益
  • 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
  • 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
  • 按给定阻尼比的等阻尼线在根轨迹上定闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:把等阻尼线与闭环特征方程联立求交点
  • 中间结果:阻尼角由反余弦给出,等阻尼线过原点与负实轴成该角
  • 卡点:需取实部为负的那组根
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
  • 本卷考过按给定阻尼比的等阻尼线在根轨迹上定闭环极点
  • 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
  • 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
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 判断该高阶系统能否用二阶主导极点近似
本卷实例
  • 关键一步:比较非主导极点实部与主导极点实部的倍数关系
  • 中间结果:按十倍准则判断该极点能否略去
  • 卡点:零点也会影响近似是否成立,勿只看极点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过判断该高阶系统能否用二阶主导极点近似
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式

6六、按截止频率与相角裕度设计 K 与 τ15 分#

思路
  • 由给定校正装置的零极点结构写出开环传函,先令相角在指定截止频率处满足裕度要求解出零点时间常数,再由幅值条件解出增益。
本卷考法
  • 把截止频率与相角裕度要求折算为校正装置的零极点参数
本卷实例
  • 关键一步:把两个频域指标分别写成相角与幅值两个方程
  • 中间结果:相角方程只含零点时间常数,幅值方程在它已知后只含增益
  • 卡点:两参数耦合,须先解相角方程再解幅值方程
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过把截止频率与相角裕度要求折算为校正装置的零极点参数
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由相角裕度要求设计串联超前校正装置的零点位置
本卷实例
  • 关键一步:由裕度要求反推所需超前相角并定出零点时间常数
  • 中间结果:要产生超前相角,零点须比给定极点更靠近原点
  • 卡点:零点位置取反会变成滞后而相位不够,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由相角裕度要求设计串联超前校正装置的零点位置
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 用相角裕度与截止频率定义校验设计结果
本卷实例
  • 关键一步:按一百八十度加截止频率处相角校核裕度
  • 中间结果:相角裕度与截止频率需同时满足给定要求
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率勿混用
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
  • 本卷考过用相角裕度与截止频率定义校验设计结果
  • 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

7七、由状态空间求输入输出传递函数15 分#

思路
  • 写出 sI 减 A 的行列式与逆矩阵,按输出矩阵乘逆矩阵再乘输入矩阵求出传递函数,并检查是否存在零极点对消。
本卷考法
  • 由状态空间表达式求输入输出传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先求 sI 减 A 的行列式,再按伴随矩阵法求其逆
  • 中间结果:传函为输出矩阵乘逆矩阵再乘输入矩阵,分母即特征多项式
  • 卡点:三阶矩阵求逆易出错,需逐步核对伴随矩阵各项
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表达式求输入输出传递函数
  • 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

8八、离散闭环系统的单位阶跃响应#

思路
  • 由给定闭环脉冲传函写出特征方程并求闭环极点,再乘阶跃输入的 z 变换用长除法逐拍求输出序列。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由给定闭环脉冲传递函数分析离散闭环系统
本卷实例
  • 关键一步:由闭环脉冲传函写出特征方程并解出闭环极点
  • 中间结果:共轭复极点对应衰减振荡,输出为振荡序列
  • 卡点:离散极点按模与相角判断衰减与振荡快慢
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
  • 本卷考过由给定闭环脉冲传递函数分析离散闭环系统
  • 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
本卷考法
  • 由闭环极点分布判断离散系统响应形式
本卷实例
  • 关键一步:按极点在 z 平面单位圆内的位置判断是否衰减
  • 中间结果:共轭极点对应振荡,极点的模决定衰减速度
  • 卡点:勿把 z 平面极点当 s 平面极点直接读阻尼比
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
  • 本卷考过由闭环极点分布判断离散系统响应形式
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用长除法求阶跃输入下输出序列的前几项
本卷实例
  • 关键一步:把 z 的负幂按升幂做长除,逐项得到输出序列
  • 中间结果:输出序列的前几拍由长除法每一步的商给出
  • 卡点:长除前须先把分母按 z 的降幂排列
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阶跃输入下输出序列的前几项
  • 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