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国防科技大学 851 自动控制理论(含现控) 2016 年真题思维导图

985 院校共 7 题合计 150 分

难度:中等 7 道大题:微分方程与结构图求传函、电机二阶系统指标与稳态误差、奈奎斯特判稳与增益裕度、非最小相位根轨迹、由对数渐近线反求对象、状态空间与状态反馈、超前校正与双线性离散化;无选择填空

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1一、由微分方程与结构图求传递函数15 分#

思路
  • 对两个微分方程在零初始条件下取拉氏变换,写出各方框的传递函数,再按结构图的串联与反馈等效求输出与误差传递函数。
本卷考法
  • 由微分方程在零初始条件下写出各方框的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对每个微分方程取拉氏变换并把输出比输入写成传函
  • 中间结果:两个一阶微分方程分别给出一个一阶传递函数
  • 卡点:零初始条件的前提勿漏,否则会多出初值项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过由微分方程在零初始条件下写出各方框的传递函数
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
公式
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 按串联与反馈等效求闭环传递函数及误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先定前向通道与反馈通道,再套闭环公式
  • 中间结果:闭环分母为 1 加两通道传函之积
  • 卡点:反馈通道为负,分母取加号,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按串联与反馈等效求闭环传递函数及误差传递函数
  • 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

2二、电动机二阶系统的峰值与稳态误差15 分#

思路
  • 由电机参数写出开环与闭环传函,化成二阶标准形式读出阻尼比与自然频率,算阶跃响应的最大峰值;再数开环积分环节个数定型别,用静态速度误差系数求斜坡稳态误差。
直流电机等机电系统 建模与机电系统
本卷考法
  • 由电机参数与结构图求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按放大器增益与电机时间常数写出开环传函
  • 中间结果:闭环化成二阶标准形式,二次项与一次项由时间常数决定
  • 卡点:机电时间常数与电气时间常数勿代错位置,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由电枢回路电压方程与转矩平衡方程联立
  • 反电动势与转速成正比,电磁转矩与电枢电流成正比
  • 机电时间常数由电气与机械两方面参数共同决定
步骤
  • 写出电枢回路电压平衡方程
  • 写出转矩平衡方程(含负载与粘性摩擦)
  • 消去电枢电流,得到转速或转角对电压的传递函数
通用考法
  • 本卷考过由电机参数与结构图求闭环传递函数
  • 求直流电机转速或位置对电枢电压的传递函数
  • 分析机电时间常数与电气时间常数的数量级关系
常见易错
  • 漏掉反电动势与电磁转矩的耦合项
  • 把电气时间常数与机电时间常数混淆
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
  • 把闭环传函化成二阶标准形式读出阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把二次项系数归一后对照标准特征式
  • 中间结果:一次项系数对应两倍阻尼比乘自然频率,常值项对应其平方
  • 卡点:阻尼比小于一时才是欠阻尼振荡
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
  • 本卷考过把闭环传函化成二阶标准形式读出阻尼比与自然频率
  • 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
  • 计算单位阶跃响应的最大峰值
本卷实例
  • 关键一步:由超调量与稳态值求峰值
  • 中间结果:峰值出现在峰值时刻,等于稳态值乘 1 加超调量
  • 卡点:最大峰值与峰值时间是两个量,勿混为一谈
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
  • 本卷考过计算单位阶跃响应的最大峰值
  • 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
  • 判断开环系统的型别并求静态速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:数开环传函中积分环节的个数确定型别
  • 中间结果:一型系统的静态速度误差系数等于开环增益
  • 卡点:系统型别由开环积分环节个数定,与闭环阶数无关
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
  • 本卷考过判断开环系统的型别并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
  • 求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用速度误差系数的倒数求斜坡稳态误差
  • 中间结果:斜坡误差与静态速度误差系数成反比
  • 卡点:用终值定理前须先确认闭环稳定
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
  • 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

3三、奈奎斯特判据判稳与增益裕度20 分#

思路
  • 由开环传函写出幅相表达式,按频率从零到无穷画奈奎斯特曲线并补画积分环节的无穷大圆弧,由开环右半平面极点数与包围圈数判稳;再令虚部为零求相位穿越频率并算增益裕度。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 画开环极坐标图并用奈奎斯特判据判别闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再看曲线对负一点的包围圈数
  • 中间结果:曲线与负实轴的交点是数包围圈数的关键位置
  • 卡点:含积分环节时须补画无穷大半径圆弧,勿漏
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
  • 本卷考过画开环极坐标图并用奈奎斯特判据判别闭环稳定性
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 估算相位穿越频率处的增益裕度
本卷实例
  • 关键一步:令开环相角等于负一百八十度求相位穿越频率
  • 中间结果:增益裕度为相位穿越频率处幅值的倒数
  • 卡点:幅值取倒数后勿忘换算成分贝
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
  • 本卷考过估算相位穿越频率处的增益裕度
  • 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

4四、非最小相位开环的根轨迹与稳定范围20 分#

思路
  • 开环含一个右半平面极点,按根轨迹法则求实轴段、渐近线、分离点与虚轴交点,再由劳斯判据求使闭环稳定的增益范围。
本卷考法
  • 由开环极点求实轴根轨迹段、渐近线交点与夹角
本卷实例
  • 关键一步:按实轴段判据与渐近线公式逐项求取
  • 中间结果:三个极点无零点,渐近线夹角由奇数倍半周除以三给出
  • 卡点:含右半平面极点时实轴段判据仍按右侧零极点计数
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
  • 本卷考过由开环极点求实轴根轨迹段、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:二次方程两根中只有落在实轴段上的才有效
  • 卡点:落在根轨迹段内的根才是真实分离点
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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令劳斯表首列元素为零解出临界增益
  • 中间结果:辅助方程给出穿越虚轴的共轭纯虚根
  • 卡点:增益为零时原点也是虚轴交点,勿漏
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的交点及临界增益
  • 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
  • 由根轨迹确定使闭环稳定的开环增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由劳斯判据首列全正的不等式组取交集
  • 中间结果:稳定范围为两个临界增益之间的一段区间
  • 卡点:右半平面极点使增益下限不为零
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
  • 本卷考过由根轨迹确定使闭环稳定的开环增益范围
  • 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
  • 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

5五、由对数渐近线反求对象与比例增益范围20 分#

思路
  • 由渐近幅频的低频段斜率与高度、转折频率确定被控对象的型别、增益与时间常数,再写出闭环二阶标准形式,由超调量上限与欠阻尼条件解出比例增益范围。
本卷考法
  • 由对数渐近幅频曲线反求被控对象传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定型别、由延长线交点定增益
  • 中间结果:转折频率给出各惯性环节的时间常数
  • 卡点:延长线交点须按型别折算而非直接取高度,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 低频段斜率给出积分环节个数即系统型别
  • 低频段高度或延长线与 0 dB 交点给出开环增益
  • 每个转折频率对应一个一阶或二阶环节
  • 斜率变化 -20 对应惯性环节,+20 对应一阶微分,-40 可能是振荡环节
步骤
  • 读低频段斜率确定型别 v
  • 由低频段高度或延长线确定增益 K
  • 逐个读出转折频率并判断对应环节类型
  • 结合相频曲线与谐振峰判定二阶环节参数
  • 写出并验证传递函数
通用考法
  • 本卷考过由对数渐近幅频曲线反求被控对象传递函数
  • 由给定 Bode 图写出传递函数
  • 由实验频率特性辨识系统模型
  • 检验候选传递函数与曲线是否吻合
常见易错
  • 把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 斜率变化为 -40 时直接写成一阶环节
公式
本卷考法
  • 由渐近线斜率变化识别系统所含典型环节
本卷实例
  • 关键一步:按每个转折频率处斜率的变化量判断环节类型
  • 中间结果:斜率减小二十分贝每十倍频程对应一个惯性环节
  • 卡点:斜率变化量对应环节阶数,勿看错
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
  • 本卷考过由渐近线斜率变化识别系统所含典型环节
  • 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
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
  • 写出闭环传函并化成二阶标准形式
本卷实例
  • 关键一步:把前向增益归入开环增益后写闭环特征式
  • 中间结果:阻尼比随比例增益增大而减小
  • 卡点:比例增益只影响阻尼比而不改变自然频率的表达式
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
  • 本卷考过写出闭环传函并化成二阶标准形式
  • 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
  • 由超调量上限与欠阻尼条件解比例增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比下界
  • 中间结果:欠阻尼要求阻尼比在零与一之间
  • 卡点:两个条件须取交集才是可行范围
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
  • 本卷考过由超调量上限与欠阻尼条件解比例增益范围
  • 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

6六、能控能观判定、传函与状态反馈设计30 分#

思路
  • 由系统矩阵构造能控性与能观性判别阵并求秩,判定能控能观;由输出矩阵乘预解矩阵再乘输入矩阵求传函,再由特征值判断稳定性;最后按期望极点配置状态反馈增益。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 构造能控性与能观性判别阵并判断系统
本卷实例
  • 关键一步:分别按输入阵、乘积阵与输出阵、乘积阵构造判别阵并求秩
  • 中间结果:判别阵满秩时系统完全能控且完全能观
  • 卡点:能控与能观判据的矩阵构造顺序不要弄反
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
  • 本卷考过构造能控性与能观性判别阵并判断系统
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数并判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:按输出阵乘预解矩阵的逆再乘输入阵求传函
  • 中间结果:分母为系统矩阵的特征多项式,特征值即传递函数极点
  • 卡点:判稳前先看是否存在零极点对消
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传递函数并判断稳定性
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统矩阵特征值的实部判断状态稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先解特征方程求特征值,再看实部符号
  • 中间结果:有正实部特征值时系统内部状态不稳定
  • 卡点:输入输出稳定与内部稳定在此题并不等价
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
  • 本卷考过由系统矩阵特征值的实部判断状态稳定性
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 按调节时间与峰值时间要求配置状态反馈极点
本卷实例
  • 关键一步:把两项时域指标折算为期望极点的实部与虚部
  • 中间结果:比较期望与实际的闭环特征多项式系数解出反馈增益
  • 卡点:配置极点前必须先确认系统完全能控
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
  • 本卷考过按调节时间与峰值时间要求配置状态反馈极点
  • 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

7七、串联超前校正设计与双线性离散化30 分#

思路
  • 把调节时间与相角裕度要求折算为频域指标,按超前网络在最大超前角处的幅值条件定零点时间常数并校验裕度,再用双线性变换把连续校正器离散为数字控制器。
本卷考法
  • 把调节时间与相角裕度要求折算为频域设计指标
本卷实例
  • 关键一步:用时域与频域的近似换算把两个指标折成截止频率与裕度
  • 中间结果:折算得到的截止频率与相角裕度作为校正目标
  • 卡点:折算带有近似余量,勿当作精确指标
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
  • 本卷考过把调节时间与相角裕度要求折算为频域设计指标
  • 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
  • 设计串联超前校正装置的零点与增益
本卷实例
  • 关键一步:由最大超前角处的幅值增益条件定超前时间常数
  • 中间结果:所需超前相角为给定裕度与未校正相角之差
  • 卡点:截止频率变化带来的附加相角损失需预留补偿
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
  • 本卷考过设计串联超前校正装置的零点与增益
  • 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
  • 校验校正后系统的相角裕度是否达标
本卷实例
  • 关键一步:按相角裕度定义在截止频率处计算相角
  • 中间结果:校正后裕度与调节时间须同时满足给定要求
  • 卡点:截止频率改变后须重新核对裕度
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
  • 本卷考过校验校正后系统的相角裕度是否达标
  • 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
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 用双线性变换把连续校正器离散为数字控制器(借位,ds_08 本为状态方程离散化)
本卷实例
  • 关键一步:按双线性公式把复变量替换为 z 的分式并整理
  • 中间结果:数字控制器化为两个 z 多项式的比,系数由采样周期决定
  • 卡点:双线性变换的采样周期代入方向不要写反
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
  • 本卷考过用双线性变换把连续校正器离散为数字控制器(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