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华中科技大学 829 自动控制理论(含现控) 2019 年真题思维导图

985 院校共 12 题合计 150 分

难度:中等 12 板块:结构图、机电相似、稳定性与误差、极点位置、z变换、最少拍、根轨迹、校正、奈氏、采样与矩阵指数、描述函数、状态反馈

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一一、结构图求 C(s)/R(s) 与 E(s)/R(s)10 分#

思路
  • 由多回路结构图用梅森公式求两条传递函数
本卷考法
  • 用梅森公式求多回路结构图的两条传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先列全部回路再写各前向通路及其余子式
  • 中间结果:闭环分母为公共特征式,两条分子不同
  • 卡点:结构图以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 信号流图适合处理多回路、比较点复杂系统
  • 特征式 Δ=1-ΣL+ΣLL-ΣLLL+…
  • 每条前向通路的余子式要剔除与它接触的回路
  • 不接触回路才会计入高阶乘积项
步骤
  • 由结构图改画信号流图,标出各节点
  • 找出全部单独回路,求特征式 Δ
  • 找出全部前向通路 P_k
  • 对每条通路求余子式 Δ_k
  • 代入公式求总传输
通用考法
  • 本卷考过用梅森公式求多回路结构图的两条传递函数
  • 由信号流图求 C(s)/R(s)
  • 结构图先用梅森公式化简再作性能分析
  • 判断某条回路是否与给定前向通路接触
常见易错
  • 本卷考过不接触回路找漏或重复计数
  • 不接触回路找漏或重复计数
  • 余子式中未剔除与通路接触的回路
  • 把前向通路的增益写成了回路增益
公式
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 对多环结构图逐层等效化简求传函
本卷实例
  • 关键一步:先并联合并串联再逐环消去反馈
  • 中间结果:每步等效后各信号关系保持不变
  • 卡点:交叉比较点与引出点需先移动再合并
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
  • 本卷考过对多环结构图逐层等效化简求传函
  • 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
  • 本卷考过化简内环时把外环信号当成常数
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

二二、电路与机械相似系统传函及相似判定10 分#

思路
  • 分别求电路与机械系统传函并判断是否为相似系统
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由RLC网络求 Uc(s)/Ur(s) 并判断相似系统
本卷实例
  • 关键一步:对电阻电感电容分别写复阻抗并列方程
  • 中间结果:整理得输出对输入的有理分式
  • 卡点:电路网络以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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RLC网络求 Uc(s)/Ur(s) 并判断相似系统
  • 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
  • 本卷考过复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 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
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由弹簧质量阻尼系统求 Xc(s)/Xr(s)
本卷实例
  • 关键一步:对质量块列受力平衡方程再作拉氏变换
  • 中间结果:消去中间位移得位移对输入之比
  • 卡点:机械系统以图给出,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
  • 本卷考过由弹簧质量阻尼系统求 Xc(s)/Xr(s)
  • 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
  • 本卷考过阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 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

三三、结构图稳定性条件与稳态误差10 分#

思路
  • 由结构图求满足闭环稳定的参数条件,再求稳态误差
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求使闭环系统稳定的参数 K 与 K1 的条件
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列劳斯表并取首列约束交集
  • 中间结果:各约束取交集得参数稳定域
  • 卡点:参数与结构以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过求使闭环系统稳定的参数 K 与 K1 的条件
  • 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
  • 本卷考过只列部分首列元素的不等式而漏约束
  • 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
本卷考法
  • 求输入与扰动同时作用下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:分别求输入与扰动引起的误差再叠加
  • 中间结果:叠加前须确认系统稳定
  • 卡点:求扰动传函时要先把参考输入置零
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
  • 本卷考过求输入与扰动同时作用下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过把扰动误差直接当成总误差而遗漏输入分量
  • 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

四四、三二阶系统阶跃响应与极点位置10 分#

思路
  • 由三条单位阶跃响应曲线比较闭环极点相对位置
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
  • 由阶跃响应曲线比较三系统闭环极点位置
本卷实例
  • 关键一步:由超调量判阻尼比、由峰值时间判自然频率
  • 中间结果:极点位置按实部与虚部的相对大小定位
  • 卡点:响应曲线以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由阶跃响应曲线比较三系统闭环极点位置
  • 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
  • 本卷考过把等阻尼线画成垂直线或把极点位置画反
  • 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

五五、系统输出的 z 变换表达式10 分#

思路
  • 由离散结构图求系统输出的 z 变换表达式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散结构图求输出的 z 变换表达式
本卷实例
  • 关键一步:按结构图写输出与输入的脉冲传函关系
  • 中间结果:输出 z 变换为脉冲传函乘输入 z 变换
  • 卡点:离散结构图以图给出,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
  • 本卷考过由离散结构图求输出的 z 变换表达式
  • 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
  • 本卷考过把无采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 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

六六、最少拍数字控制器设计10 分#

思路
  • 针对单位阶跃输入设计最少拍控制器
本卷考法
  • 针对单位阶跃输入设计最少拍数字控制器
本卷实例
  • 关键一步:由典型输入取闭环误差传函的简单形式
  • 中间结果:由 G(z) 与误差传函反解 D(z)
  • 卡点:零阶保持器与对象传函需回原卷核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最少拍系统指在典型输入下经过有限拍达到无稳态误差
  • 设计需要满足可实现性与稳定性约束
  • 最少拍系统的闭环脉冲传递函数由输入类型确定
  • 最少拍设计通常导致很大的控制量,需加限制
步骤
  • 确定输入类型及对应的误差传函形式
  • 按无稳态误差要求构造闭环脉冲传递函数
  • 由 D(z)=Φ(z)/[G(z)(1-Φ(z))] 求数字控制器
  • 检验可实现性、稳定性与控制量大小
通用考法
  • 本卷考过针对单位阶跃输入设计最少拍数字控制器
  • 设计最少拍数字控制器
  • 比较不同输入类型下的最少拍数
  • 分析最少拍系统存在的问题
常见易错
  • 本卷考过忽略 D(z) 必须物理可实现这一约束
  • 忽略 D(z) 必须是物理可实现的因果系统
  • 闭环传函构造时未满足稳定性约束条件
公式

七七、根轨迹绘制与欠阻尼范围及最小阻尼比极点15 分#

思路
  • 绘制根轨迹并求欠阻尼 k 范围与最小阻尼比对应极点
本卷考法
  • 按法则绘制含两个开环零点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴段再算渐近线与分离点
  • 中间结果:复平面分支为一段圆弧
  • 卡点:根轨迹走向需结合分离点与出射方向判断
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含两个开环零点的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴根轨迹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
本卷考法
  • 由根轨迹求欠阻尼 k 范围与最小阻尼比极点
本卷实例
  • 关键一步:由分离点处的 k 值界定欠阻尼区间
  • 中间结果:由阻尼比对 k 求极值定最小阻尼比极点
  • 卡点:极点的实虚部需按标准二阶形式整理
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
  • 本卷考过由根轨迹求欠阻尼 k 范围与最小阻尼比极点
  • 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
  • 本卷考过把等阻尼线与等实部线混淆
  • 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

八八、串联校正装置设计与相角裕度15 分#

思路
  • 由校正前后对数幅频曲线设计校正装置并算相角裕度
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正前后幅频曲线反推串联校正装置传函
本卷实例
  • 关键一步:由校正后低频段斜率与截止频率定装置参数
  • 中间结果:校正装置传函由校正后比校正前得到
  • 卡点:幅频曲线以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 滞后校正利用高频段幅值衰减提高相角裕度
  • 会使截止频率降低,响应变慢
  • 转折频率要远低于新的截止频率以免引入过多相位滞后
  • 可同时提高低频增益改善稳态精度
步骤
  • 确定满足相角裕度要求的新截止频率
  • 由未校正系统在该频率处的幅值确定衰减量
  • 由衰减量求滞后网络的参数 β
  • 取转折频率低于新截止频率一个数量级,写出传递函数
通用考法
  • 本卷考过由校正前后幅频曲线反推串联校正装置传函
  • 设计串联滞后校正装置
  • 比较超前与滞后校正的效果差异
  • 分析滞后校正对响应速度的影响
常见易错
  • 本卷考过把滞后网络两个转折频率顺序写反
  • 把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 转折频率取得过高导致相位滞后抵消了增益改善
公式
本卷考法
  • 用期望特性法由校正后曲线反写校正环节
本卷实例
  • 关键一步:先由期望曲线定转折频率与开环增益
  • 中间结果:相减得到校正环节的零极点
  • 卡点:相减结果需检查物理可实现性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 期望特性法直接按指标画出希望的开环对数幅频特性
  • 用期望特性减去未校正特性得到校正装置特性
  • 关键是确定低频段高度、中频段宽度与高频段斜率
  • 中频段斜率一般取 -20 dB/dec 并保持足够宽度
步骤
  • 按稳态要求确定低频段斜率与高度
  • 按相角裕度要求确定中频段宽度与截止频率
  • 按抗噪要求确定高频段斜率
  • 相减求得校正装置并检验可实现性
通用考法
  • 本卷考过用期望特性法由校正后曲线反写校正环节
  • 用期望特性法设计校正装置
  • 说明中频段宽度与相角裕度的关系
  • 由校正装置特性反写传递函数
常见易错
  • 本卷考过期望特性中频段取窄导致相角裕度不足
  • 期望特性的中频段取窄导致裕度不足
  • 相减后得到的特性不可物理实现却未检查
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 计算校正前后系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由幅值等于1求校正前后的截止频率
  • 中间结果:再代入相频特性算相角裕度
  • 卡点:各环节相角贡献需逐项累加
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
  • 本卷考过计算校正前后系统的相角裕度
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率用反
  • 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

九九、含右半平面极点的奈氏判据与稳定K范围15 分#

思路
  • 用奈氏判据判断含右半平面开环极点的闭环稳定 K 范围
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈氏判据求使闭环稳定的参数 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P 并补画无穷大圆弧
  • 中间结果:按 K 的取值分类讨论曲线包围情况
  • 卡点:临界 K 由幅相曲线与负实轴交点确定
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
  • 本卷考过用奈氏判据求使闭环稳定的参数 K 范围
  • 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
  • 本卷考过含右半平面开环极点时漏计 P
  • 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

十十、香农定理、z反变换与状态转移矩阵15 分#

思路
  • 综合考查采样定理、z反变换两种方法与矩阵指数
本卷考法
  • 简述香农采样定理
本卷实例
  • 关键一步:写出采样频率不低于最高频率两倍的关系
  • 中间结果:说明满足条件才可无失真恢复信号
  • 卡点:采样定理表述需含最高频率这一前提
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 采样把连续信号变成脉冲序列,采样周期 T 是关键参数
  • 采样定理要求采样频率不低于信号最高频率的两倍
  • 采样频率不足会产生频率混叠
  • 零阶保持器把离散信号恢复为连续信号,并引入半个采样周期的延迟
步骤
  • 确定信号最高频率或系统带宽
  • 按采样定理确定采样频率与采样周期上限
  • 必要时加入前置滤波器抑制混叠
通用考法
  • 本卷考过简述香农采样定理
  • 由信号最高频率确定采样周期
  • 判断给定采样频率是否满足采样定理
  • 说明零阶保持器的频率特性
常见易错
  • 本卷考过把采样定理写成采样周期不大于信号周期
  • 把采样定理写成采样周期不大于信号周期即可
  • 忽略零阶保持器带来的相位滞后
公式
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用部分分式展开法与留数法求 z 反变换
本卷实例
  • 关键一步:先按 z 的正幂形式分解再逐项反变换
  • 中间结果:留数法按极点逐个求对应留数
  • 卡点:两种方法结果应一致可互相校验
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
  • 本卷考过用部分分式展开法与留数法求 z 反变换
  • 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
  • 本卷考过部分分式分解时漏项导致反变换出错
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求给定状态矩阵的矩阵指数及其逆
本卷实例
  • 关键一步:先求(sI-A)的逆再作拉氏反变换
  • 中间结果:利用矩阵指数性质求其逆
  • 卡点:结果可用矩阵指数定义式验算
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
  • 本卷考过求给定状态矩阵的矩阵指数及其逆
  • 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
  • 本卷考过矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 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

十一十一、非线性系统描述函数法判自振15 分#

思路
  • 用描述函数法分析是否存在稳定自激振荡
本卷考法
  • 用描述函数法判断是否产生自激振荡
本卷实例
  • 关键一步:把闭环结构变换为单位负反馈形式
  • 中间结果:由线性部分与负倒描述函数曲线交点定自振
  • 卡点:交点处振幅增大方向决定稳定性,需回原卷核对图
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判断是否产生自激振荡
  • 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
  • 本卷考过画的是描述函数而不是负倒描述函数
  • 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

十二十二、状态空间求传函与状态反馈极点配置15 分#

思路
  • 由状态空间表达式求传函并设计状态反馈配置极点
本卷考法
  • 由状态空间表达式求系统传递函数 G0(s)
本卷实例
  • 关键一步:按输出矩阵乘(sI-A)的逆再乘输入矩阵求传函
  • 中间结果:结果需约简为最简有理分式
  • 卡点:状态矩阵与输出矩阵需回原卷核对
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系统传递函数 G0(s)
  • 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
  • 本卷考过计算传函时漏掉直接传递项 D
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断极点可否任意配置并求状态反馈矩阵 K
本卷实例
  • 关键一步:先由能控判别矩阵的秩判断能否任意配置
  • 中间结果:由期望特征多项式比较系数求反馈阵 K
  • 卡点:期望极点取值需回原卷核对
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
  • 本卷考过判断极点可否任意配置并求状态反馈矩阵 K
  • 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