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华中科技大学 829 自动控制理论(含现控) 2022 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等偏难 10 题:结构图等效变换、非零初始阶跃响应求传函、四阶根轨迹与主导极点阻尼、非最小相位奈氏判据、由渐近线反求传函、串联滞后校正与动态指标估算、零阶保持器离散系统、死区继电非线性自振、连续状态方程离散化、按临界阻尼设计状态反馈,自控与现控均衡

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1一、用等效变换化简结构图求 C(s)/R(s)#

思路
  • 按引出点后移、比较点前移逐层合并回路,最后化成一个负反馈回路
比较点与引出点的移动 结构图与方框图
本卷考法
  • 用比较点与引出点的移动化简交叉结构图
本卷实例
  • 关键一步:先判断该移出点还是移入点,按等效规则乘除相应环节
  • 关键一步:比较点前移时在移动支路补上流出点与流入点的比值
  • 中间结果:移完后交叉耦合消失,只剩可逐层合并的回路
  • 卡点:移动方向与乘除关系搞反,或把比较点与引出点规则混用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 移动的判据:移动前后各支路变量关系必须保持不变
  • 比较点前移要除以所跨环节,后移要乘以所跨环节
  • 引出点前移要乘以所跨环节,后移要除以所跨环节
步骤
  • 确定要移动的点和跨越的环节
  • 按“前移用除、后移用乘”的规则补上等效环节
  • 检查移动后与原结构是否等价
通用考法
  • 本卷考过用比较点与引出点的移动化简交叉结构图
  • 化简含交叉比较点或引出点的结构图
  • 判断某次移动是否正确
常见易错
  • 移动方向与乘除关系搞反
  • 引出点与比较点的移动规则混用
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路系统逐层化简求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:从最内层回路开始合并,由内向外逐层替换
  • 关键一步:并联环节相加、反馈回路用前向比上一加开环
  • 中间结果:化简到单回路后直接写出闭环传递函数
  • 卡点:化简内环时把外环信号当常数,导致分母丢项
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

2二、非零初始条件下由阶跃响应求传递函数#

思路
  • 题给响应含零输入分量,需先化到零初始条件的阶跃响应再求传函
本卷考法
  • 由非零初始条件下的阶跃响应分离零输入与零状态
本卷实例
  • 关键一步:传递函数要求零初始条件,先把非零初值造成的自由分量扣除
  • 关键一步:补上阶跃对应的稳态分量可还原零初始条件下的响应
  • 中间结果:响应形式决定系统极点,稳态值决定直流增益
  • 卡点:直接把非零初值响应当零状态响应代入,传函算错
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
  • 本卷考过由非零初始条件下的阶跃响应分离零输入与零状态
  • 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
本卷考法
  • 由阶跃响应曲线或表达式反求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由响应中的指数项确定极点,再由稳态值定增益
  • 关键一步:脉冲响应是传函的拉氏反变换,可由传函直接写出
  • 中间结果:传函分母由极点决定,分子由稳态值与零点共同决定
  • 卡点:未判阶数就套二阶公式,或把稳态值当成增益
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由阶跃响应曲线或表达式反求系统传递函数
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
公式

3三、四阶系统根轨迹与主导极点阻尼比#

思路
  • 先画四条渐近线的根轨迹,由虚轴交点定稳定范围,再由等阻尼线定主导极点
本卷考法
  • 绘制四阶系统根轨迹的实轴段与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:开环极点全在负实轴,先定实轴段与渐近线交点
  • 关键一步:渐近线夹角按四条分支的奇数倍 π 均分
  • 中间结果:分离点由增益对 s 导数为零的方程解出并筛选
  • 卡点:渐近线条数或夹角公式中的系数取错
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
  • 本卷考过绘制四阶系统根轨迹的实轴段与渐近线
  • 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
  • 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求系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω 代入特征方程,令实部虚部为零
  • 关键一步:交点对应的增益就是稳定范围的边界
  • 中间结果:四条根轨迹与虚轴交于两对共轭点,取正增益边界
  • 卡点:只求一组交点就下结论,漏掉另一条分支
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求系统稳定的增益范围
  • 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
本卷考法
  • 由主导极点等阻尼线求满足阻尼比要求的参数
本卷实例
  • 关键一步:等阻尼线是从原点出发与负实轴成固定夹角的射线
  • 关键一步:阻尼比固定时闭环极点实部与虚部之比恒定
  • 中间结果:主导极点落在等阻尼线上,对应一个确定的增益
  • 卡点:把等阻尼线画成垂直线,或忽略非主导极点的影响
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
  • 本卷考过由主导极点等阻尼线求满足阻尼比要求的参数
  • 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

4四、非最小相位系统奈奎斯特图与不稳定根数#

思路
  • 开环在虚轴有极点需补画无穷大圆弧,再由奈氏判据数闭环右半平面根
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 含虚轴极点时补画曲线并用奈氏判据判稳
本卷实例
  • 关键一步:开环含虚轴极点,先把幅相曲线补画到无穷大半径
  • 关键一步:数包围临界点圈数与开环右半平面极点数求闭环右根
  • 中间结果:包围圈数与开环右半平面极点数共同决定闭环右根数
  • 卡点:忘记补画无穷大圆弧,或把包围圈数正负号定义搞反
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
  • 本卷考过含虚轴极点时补画曲线并用奈氏判据判稳
  • 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
本卷考法
  • 计算幅频与相频并画出幅相曲线
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω,分开求模与相角随频率的变化
  • 关键一步:由起点、终点和负实轴交点确定曲线大致走向
  • 中间结果:低频段相角由积分环节与惯性环节共同决定
  • 卡点:求模时漏掉复数分母的取模,或相角漏掉积分环节
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 频率特性是传递函数中令 s=jω 得到的复变函数
  • 幅频特性表示各频率正弦输入下的幅值放大倍数
  • 相频特性表示输出相对输入的相位差
  • 频率特性可用幅相曲线、Bode 图或尼柯尔斯图表示
步骤
  • 由传递函数令 s=jω 得到 G(jω)
  • 分别求出幅值 |G(jω)| 与相角 ∠G(jω)
  • 按需要绘制幅相曲线或对数频率特性
通用考法
  • 本卷考过计算幅频与相频并画出幅相曲线
  • 求给定传递函数的幅频与相频表达式
  • 计算某频率处的幅值与相角
  • 说明频率特性的物理含义
常见易错
  • 求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
  • 相角累加时漏掉积分环节的 -90°
公式

5五、由对数幅频渐近线反求传函与相角裕度#

思路
  • 由渐近线转折频率和正弦输出条件定增益,再算两种截止频率与相角裕度
本卷考法
  • 由对数幅频渐近线反求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由转折频率个数与斜率变化次数判断环节类型
  • 关键一步:用某频率处幅值条件定开环增益
  • 中间结果:低频段斜率定型别,转折点定时间常数
  • 卡点:把渐近线延长线交点当增益而未折算型别
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线反求系统传递函数
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求截止频率与相角裕度并比较近似值误差
本卷实例
  • 关键一步:渐近线交点给出的截止频率偏大,精确值需解幅值方程
  • 关键一步:在截止频率处求相角再加 180 度得相角裕度
  • 中间结果:近似法与精确解法结果相差较大,近似法偏保守
  • 卡点:把近似截止频率当精确值直接用,未说明高估原因
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
  • 本卷考过求截止频率与相角裕度并比较近似值误差
  • 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

6六、由校正后对数幅频曲线辨识校正并估动态指标#

思路
  • 由校正后渐近线减原系统渐近线得校正装置,判断类型并估超调与调节时间
本卷考法
  • 由校正后对数幅频渐近线写出串联校正装置表达式
本卷实例
  • 关键一步:同一频率下两条渐近线幅值相减即得校正装置特性
  • 关键一步:由校正装置的转折频率写出其传递函数
  • 中间结果:校正装置为低频增益抬高、高频衰减的形式
  • 卡点:把校正前后渐近线相减的顺序搞反,得到不可实现装置
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
  • 本卷考过由校正后对数幅频渐近线写出串联校正装置表达式
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 判断串联校正为滞后校正并说明其作用
本卷实例
  • 关键一步:装置含积分作用且高频段衰减,属滞后校正
  • 关键一步:滞后校正压低截止频率,靠原系统相角换取裕度
  • 中间结果:校正后相角裕度明显提高,截止频率重新分配
  • 卡点:把含积分的滞后装置误判为超前校正
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
  • 本卷考过判断串联校正为滞后校正并说明其作用
  • 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
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由相角裕度估算超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:用频域与时域的经验公式把相角裕度折算为超调量
  • 关键一步:调节时间由相角裕度与截止频率共同估算
  • 中间结果:校正后超调量下降而响应速度变化不大
  • 卡点:忽略经验公式的适用范围,或把峰值时间与调节时间混用
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
  • 本卷考过由相角裕度估算超调量与调节时间
  • 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

7七、零阶保持器离散系统稳定性与增益范围#

思路
  • 先求含零阶保持器的开环脉冲传函,再用朱利判据求稳定增益范围
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把零阶保持器与连续环节合并后再做 z 变换
  • 关键一步:按部分分式展开逐项查 z 变换对
  • 中间结果:脉冲传函分子分母的 z 多项式系数由采样周期决定
  • 卡点:忘记把零阶保持器计入,直接对连续传函离散
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
  • 本卷考过求含零阶保持器的开环脉冲传递函数
  • 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
  • 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
  • 用朱利判据求使离散系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征多项式并代入朱利判据的三个条件
  • 关键一步:解出三个不等式后取交集得增益范围
  • 中间结果:特征多项式常数项含增益,是稳定边界的主要来源
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零,漏掉常数项约束
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
  • 本卷考过用朱利判据求使离散系统稳定的增益范围
  • 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

8八、死区继电非线性系统的自振与消振#

思路
  • 先等效非线性环节并求描述函数,再由负倒描述函数与线性部分交点判自振
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求死区继电特性的描述函数并说明其适用范围
本卷实例
  • 关键一步:按非线性特性分段积分求一次谐波系数比
  • 关键一步:死区继电描述函数随振幅先增后减,存在极值
  • 中间结果:描述函数表达式含幅值的反正弦与根号项
  • 卡点:把描述函数当成频率函数,忽略其只依赖振幅
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
  • 本卷考过求死区继电特性的描述函数并说明其适用范围
  • 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
  • 由负倒描述函数曲线与线性部分交点求自振参数
本卷实例
  • 关键一步:把负倒描述函数曲线与线性部分负实轴交点联立
  • 关键一步:交点频率给出振荡频率,交点幅值给出振荡振幅
  • 中间结果:两曲线可能存在两个交点,需按稳定性取舍
  • 卡点:两个交点不判稳定性,把不稳定交点当自振
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函数曲线与线性部分交点求自振参数
  • 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
本卷考法
  • 调整增益使系统消除自激振荡
本卷实例
  • 关键一步:让线性部分负实轴交点落在负倒描述函数曲线之外
  • 关键一步:由临界相切条件解出增益的上界
  • 中间结果:增益小于临界值时两曲线无交点,系统稳定
  • 卡点:只调增益不检查交点是否真的消失
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
  • 本卷考过调整增益使系统消除自激振荡
  • 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
  • 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、连续状态方程的离散化#

思路
  • 用零阶保持器法先求状态转移矩阵,再积分求离散输入矩阵
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 求连续状态方程在给定采样周期下的离散状态方程
本卷实例
  • 关键一步:先由状态矩阵的预解式做拉氏反变换得状态转移矩阵
  • 关键一步:在采样周期上对转移矩阵积分再右乘输入矩阵
  • 中间结果:离散系统矩阵是转移矩阵在采样时刻的取值
  • 卡点:积分上限写错或漏乘输入矩阵;原题矩阵需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求连续状态方程在给定采样周期下的离散状态方程
  • 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

10十、按临界阻尼与调节时间设计状态反馈#

思路
  • 先由调节时间定重极点,再验能控并按系数比较求反馈增益
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断二阶系统能否通过状态反馈任意配置极点
本卷实例
  • 关键一步:构造能控判别阵并求行列式或秩
  • 关键一步:满秩则完全能控,可任意配置极点
  • 中间结果:二阶系统能控判别阵为输入矩阵与它的乘积两列
  • 卡点:未验能控就直接配置,或判别阵构造顺序写反
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
  • 本卷考过判断二阶系统能否通过状态反馈任意配置极点
  • 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
  • 设计状态反馈把闭环极点配置到期望位置
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写出期望特征多项式
  • 关键一步:把反馈代入特征多项式并与期望式比较系数
  • 中间结果:反馈增益由两个同次项系数方程联立求出
  • 卡点:特征多项式展开符号写错,导致增益符号相反
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
  • 本卷考过设计状态反馈把闭环极点配置到期望位置
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由临界阻尼与调节时间要求反求闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:临界阻尼对应两个相等负实根,阻尼比取一
  • 关键一步:由调节时间公式反解出重根的实部位置
  • 中间结果:先由时域指标定极点,再交给极点配置
  • 卡点:把 2% 与 5% 误差带的调节时间系数混用
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
  • 本卷考过由临界阻尼与调节时间要求反求闭环极点
  • 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
  • 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