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哈尔滨工业大学 801 自动控制原理 2019 年真题思维导图

985 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等偏难 10 题每题 15 分:主动悬架建模、按指标定闭环参数、Routh 判根分布、根轨迹绘制、由 Bode 图反求传函、离散化与 z 域根轨迹、饱和描述函数、范德堡相平面、状态反馈与结构图、李雅普诺夫判稳;覆盖经典与现代控制

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1一、主动悬架系统的动力学建模15 分#

思路
  • 把车身与车轮分别隔离,按牛顿第二定律对 ms 和 mu 各列一个垂向动力学方程,用悬架弹簧力与阻尼力把两质量耦合,路面输入与作动器力分别进入两方程。
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 对两质量块经弹簧阻尼连接的系统分别列动力学方程
本卷实例
  • 关键一步:分别取 ms 与 mu 为隔离体画受力图
  • 中间结果:两方程通过悬架弹簧与阻尼力相互耦合
  • 卡点:主动悬架结构简图以插图给出,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过对两质量块经弹簧阻尼连接的系统分别列动力学方程
  • 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
  • 本卷考过多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
  • 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
  • 对含路面输入的模型建立小偏差线性方程
本卷实例
  • 关键一步:在静平衡位置附近取位移增量为变量
  • 中间结果:弹簧力写成刚度乘两质量相对位移
  • 卡点:车轮质量不计的说明要在方程中体现
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
  • 本卷考过对含路面输入的模型建立小偏差线性方程
  • 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
  • 本卷考过未先求平衡点就直接展开
  • 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
  • 由机械系统运动方程整理出位移对力的传递关系
本卷实例
  • 关键一步:把两方程同时作拉氏变换后消去中间位移
  • 中间结果:可整理出车身位移对作动力的传递函数
  • 卡点:路面扰动与作动力是两路输入
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
  • 本卷考过由机械系统运动方程整理出位移对力的传递关系
  • 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
  • 本卷考过阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 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

2二、按动态指标与稳态误差确定闭环参数15 分#

思路
  • 由闭环传递函数写出标准二阶形式,由超调量与过渡时间确定阻尼比与自然频率,再由阶跃与斜坡稳态误差条件求 b0、b1、a1、a2。
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
  • 把闭环传递函数化为标准二阶形式读出阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:将闭环传函分母首项系数整理为一
  • 中间结果:a1 等于二倍阻尼比乘自然频率、a2 等于自然频率平方
  • 卡点:分子一阶项需与闭环零点对应
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
  • 本卷考过把闭环传递函数化为标准二阶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
  • 本卷考过化为标准形式时忘记把 s 平方项系数归一化
  • 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
  • 由超调量要求确定阻尼比、由过渡时间确定自然频率
本卷实例
  • 关键一步:由超调量 5% 查得阻尼比,再由过渡时间公式解出自然频率
  • 中间结果:阻尼比与自然频率确定后 a1、a2 随之确定
  • 卡点:题设误差带 0.02 要代入对应系数
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
  • 本卷考过由超调量要求确定阻尼比、由过渡时间确定自然频率
  • 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
  • 本卷考过两种误差带的调节时间系数搞混
  • 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
  • 由性能指标组合反求系统参数
本卷实例
  • 关键一步:把动态指标与稳态误差条件分别写成参数方程
  • 中间结果:两组条件联立确定 b0、b1
  • 卡点:阶跃无差与斜坡有差要求系统型别匹配
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
  • 本卷考过由性能指标组合反求系统参数
  • 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,未做交叉验证
  • 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
本卷考法
  • 由阶跃与斜坡输入下的稳态误差反求传函系数
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理写出 ess 与误差传函极限的关系
  • 中间结果:阶跃 ess 为零要求系统含积分环节
  • 卡点:斜坡误差上界给出 b1 的约束
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
  • 本卷考过由阶跃与斜坡输入下的稳态误差反求传函系数
  • 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

3三、Routh判据分析根的分布15 分#

思路
  • 对给定四阶特征多项式排劳斯表,检查首列符号变化次数以确定右半平面根的个数;若出现全零行或首列零再用辅助方程与 ε 法处理。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判断根在右半平面的个数
本卷实例
  • 关键一步:按降幂排列系数并逐行算劳斯表
  • 中间结果:首列符号改变次数等于右半平面根个数
  • 卡点:根在虚轴上的情形需用辅助方程判定
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判断根在右半平面的个数
  • 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不补零,直接套用判据
  • 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
赫尔维茨判据 稳定性分析
本卷考法
  • 比较劳斯判据与赫尔维茨判据的适用场合
本卷实例
  • 关键一步:可用赫尔维茨行列式验证劳斯表结论
  • 中间结果:两种判据对同一多项式给出一致结论
  • 卡点:系数全正不代表系统稳定,须看首列
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由特征方程系数构造赫尔维茨行列式
  • 各阶主子式全部大于零 ⇔ 系统稳定
  • 与劳斯判据等价,适合阶数较低时使用
步骤
  • 由特征方程系数写出赫尔维茨行列式
  • 依次计算各阶主子式
  • 令全部主子式大于零得到稳定条件
通用考法
  • 本卷考过比较劳斯判据与赫尔维茨判据的适用场合
  • 用赫尔维茨判据判断稳定性
  • 比较两种代数判据的适用场合
常见易错
  • 本卷考过行列式构造时系数下标写错
  • 行列式构造时系数下标写错
  • 只验证到二阶主子式就下结论
公式

4四、根轨迹绘制与特征参数15 分#

思路
  • 把开环传递函数整理为含参数 k 的标准形式,按根轨迹法则确定实轴段、渐近线、分离点与会合点,再由相角条件求复极点出射角、令 s=jω 求与虚轴交点。
本卷考法
  • 按绘制法则画根轨迹草图并标出实轴段与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:先写出开环零极点分布并标在 s 平面上
  • 中间结果:实轴段为右侧零极点总数为奇数的区间
  • 卡点:系统有两个原点极点,需注意渐近线夹角
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根轨迹草图并标出实轴段与渐近线
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹的分离点或会合点
本卷实例
  • 关键一步:由 dK 比 ds 为零或重根条件列方程
  • 中间结果:解出的根要逐一验证落在实轴根轨迹段上
  • 卡点:复数解需舍去
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
  • 本卷考过求根轨迹的分离点或会合点
  • 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
  • 本卷考过求出方程根后不筛选,保留了不在根轨迹上的解
  • 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
  • 求复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:按相角条件列出各零极点指向待求点的相角
  • 中间结果:出射角由180度相角条件反解
  • 卡点:需先判明复数极点位置
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
  • 本卷考过求复数极点的出射角
  • 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
  • 本卷考过累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界参数
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 代入特征方程分离实虚部
  • 中间结果:由实虚部方程组求交点频率与临界 k
  • 卡点:原点处的虚轴交点需结合积分环节判断
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴的交点及临界参数
  • 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ω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

5五、由Bode图反求传递函数与阶跃响应15 分#

思路
  • 由渐近对数幅频特性的低频段斜率与高度确定系统型别与增益,再由各转折频率处的斜率变化写出对应环节拼出 G(s);最后判稳并画闭环阶跃响应曲线标特征数据。
本卷考法
  • 由对数幅频渐近特性反写开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:低频段斜率确定积分环节个数、高度确定增益
  • 中间结果:各转折频率对应一阶或二阶环节的时间常数
  • 卡点:Bode 图以插图给出,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
  • 本卷考过由对数幅频渐近特性反写开环传递函数
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 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
  • 判断单位负反馈系统有无静态误差
本卷实例
  • 关键一步:由开环型别判断阶跃输入的稳态误差
  • 中间结果:含积分环节时阶跃稳态误差为零
  • 卡点:需先由闭环特征方程判断系统稳定
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
  • 本卷考过判断单位负反馈系统有无静态误差
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 给出闭环系统阶跃响应曲线并标特征数据
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比与自然频率估算超调量与峰值时间
  • 中间结果:响应曲线在稳态值附近振荡收敛
  • 卡点:曲线上须标出稳态值、峰值与调节时间
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
  • 本卷考过给出闭环系统阶跃响应曲线并标特征数据
  • 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
  • 本卷考过峰值时间与上升时间混用
  • 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、离散化对象与z平面根轨迹15 分#

思路
  • 先由结构图求连续对象的 z 传递函数 G(z)(含零阶保持器);再令 D(z)=k 写出闭环特征方程,用 z 平面根轨迹法则分析使系统稳定的 k 范围。
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 按给定采样周期求连续对象的离散化模型
本卷实例
  • 关键一步:对连续部分作 z 变换并保留零阶保持器因子
  • 中间结果:G(z) 为 z 的有理分式
  • 卡点:题给 z 变换公式要按采样周期代入使用
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
  • 本卷考过按给定采样周期求连续对象的离散化模型
  • 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
  • 本卷考过积分上限写成采样周期以外的量或忘记乘输入矩阵
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按采样开关位置写开环脉冲传函
  • 中间结果:闭环特征方程由一加开环脉冲传函为零得
  • 卡点:数字控制系统结构图以插图给出,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
  • 本卷考过求离散系统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
  • 本卷考过忘记把零阶保持器计入 G(z)
  • 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
  • 用 z 平面根轨迹法分析系统稳定性与 k 的关系
本卷实例
  • 关键一步:画 z 平面根轨迹并找与单位圆的交点
  • 中间结果:交点对应临界 k,单位圆内为稳定
  • 卡点:离散域绘制根轨迹法则同连续域但判据不同
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
  • 本卷考过用 z 平面根轨迹法分析系统稳定性与 k 的关系
  • 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实部小于零而不是模小于一
  • 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

7七、饱和非线性的描述函数法分析15 分#

思路
  • 由饱和特性写出描述函数 N(A) 与负倒描述函数,与线性部分的 G(jω) 同画一复平面;由交点判断平衡点存在性、稳定性和大范围稳定性。
本卷考法
  • 用描述函数法分析系统平衡点的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:画 G(jω) 与负倒描述函数曲线并标 A 增大方向
  • 中间结果:交点对应自振频率与振幅
  • 卡点:大范围稳定性要结合曲线的包围关系判断
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分析系统平衡点的稳定性
  • 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
  • 本卷考过未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 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
  • 分析饱和非线性对系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:由斜率 k 为一写出饱和特性的描述函数
  • 中间结果:负倒描述函数从负实轴某点向左延伸
  • 卡点:描述函数曲线与饱和关系图以插图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过分析饱和非线性对系统稳定性的影响
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 本卷考过认为饱和总是使系统更稳定
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 说明描述函数法的适用条件与一次谐波近似
本卷实例
  • 关键一步:确认非线性环节可近似用基波描述
  • 中间结果:描述函数仅与振幅 A 有关
  • 卡点:需指出该方法为近似分析,结论要留有余地
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
  • 本卷考过说明描述函数法的适用条件与一次谐波近似
  • 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

8八、范德堡方程的相平面分析15 分#

思路
  • 把范德堡方程化为一阶方程组求奇点;在奇点处作小偏差线性化,由特征根判定奇点类型;再结合非线性阻尼项的性质绘制坐标范围内的相平面图。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 绘制非线性系统的相平面图并判断奇点类型
本卷实例
  • 关键一步:在奇点处线性化得特征方程判断类型
  • 中间结果:由特征根实部符号判定收敛或发散
  • 卡点:相图坐标范围由题设限定
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
  • 本卷考过绘制非线性系统的相平面图并判断奇点类型
  • 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
  • 本卷考过相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 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
  • 在奇点附近对小偏差方程线性化
本卷实例
  • 关键一步:对方程在奇点处求偏导得线性化系数
  • 中间结果:线性化方程决定奇点邻域轨迹形态
  • 卡点:范德堡项在原点附近的符号需分区间讨论
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
  • 本卷考过在奇点附近对小偏差方程线性化
  • 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
  • 本卷考过未先求平衡点就直接展开
  • 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
  • 由极限环判断系统的振荡特性与大范围行为
本卷实例
  • 关键一步:综合奇点性质与阻尼项符号画出相轨迹走向
  • 中间结果:存在孤立闭轨即极限环
  • 卡点:极限环内外轨迹的收敛方向要标明
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
  • 本卷考过由极限环判断系统的振荡特性与大范围行为
  • 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
  • 本卷考过把不稳定极限环误判为可观测的自振
  • 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

9九、电机调速系统的状态反馈与结构图15 分#

思路
  • 对一阶电机对象引入误差积分状态扩展为二阶系统;按期望自然频率与阻尼比配置状态反馈律,再画出含积分反馈的完整结构图并标信号正负号。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望极点求状态反馈律
本卷实例
  • 关键一步:以误差积分扩展状态方程得二阶系统
  • 中间结果:由二阶标准特征多项式比较系数求反馈增益
  • 卡点:反馈律要按 u 等于负 Kx 的形式写出
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
  • 本卷考过按期望极点求状态反馈律
  • 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
本卷考法
  • 用误差积分反馈消除阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把误差积分作为附加状态引入反馈
  • 中间结果:积分作用使阶跃稳态误差为零
  • 卡点:积分反馈会改变系统阶数与稳定性
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
  • 本卷考过用误差积分反馈消除阶跃输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 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
本卷考法
  • 画出加反馈后系统的完整结构图并标信号正负号
本卷实例
  • 关键一步:按状态反馈律把各状态与积分器接入比较点
  • 中间结果:结构图含对象、积分器与反馈增益
  • 卡点:信号正负号需与题设一致,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过画出加反馈后系统的完整结构图并标信号正负号
  • 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
  • 本卷考过只画方框图而不指认环节或反之
  • 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

10十、李雅普诺夫第二法判稳15 分#

思路
  • 对给定的二阶非线性状态方程构造正定李雅普诺夫函数 V,由 V 的导数沿轨线的符号判断平衡状态的渐近稳定性,再结合 V 的径向无界性说明大范围稳定性。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫第二法判断平衡状态的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取二次型正定函数作为李雅普诺夫函数
  • 中间结果:V 沿轨线的导数为负定,故渐近稳定
  • 卡点:需说明 V 正定且径向无界
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
  • 本卷考过用李雅普诺夫第二法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
  • 本卷考过只判断 V 正定就下结论而未检查导数
  • 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
本卷考法
  • 分析非线性系统的大范围稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由 V 导数在整个平面负定推出大范围渐近稳定
  • 中间结果:平衡点为唯一且全局吸引
  • 卡点:V 径向无界是全局结论的必要条件
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
  • 本卷考过分析非线性系统的大范围稳定性
  • 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
  • 本卷考过把局部稳定结论直接推广到大范围
  • 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