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华中科技大学 829 自动控制理论(含现控) 2023 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等偏难 10 题:信号流图、结构图求闭环传函与稳态误差、零度根轨迹与阻尼比约束、虚轴极点奈氏判据、由闭环幅频反求开环增益、超前与滞后与期望特性法校正、离散系统稳定与稳态误差、离散闭环脉冲传函、相平面与描述函数、能控标准型与状态反馈极点配置,综合性较强

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1一、信号流图求 C(s)/R(s)#

思路
  • 由信号流图用梅森增益公式求闭环传递函数,注意三三互不接触回路
本卷考法
  • 由含多个回路的信号流图求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先把所有回路逐个编号,再找两两与三三互不接触的组合
  • 关键一步:特征式为 1 减单回路加两两积减三三积
  • 中间结果:分子为各前向通道与其余子式乘积之和
  • 卡点:三三互不接触回路极易漏算或重复计数
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
  • 本卷考过由含多个回路的信号流图求系统传递函数
  • 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
  • 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

2二、结构图求闭环传函、稳定 K 范围与稳态误差#

思路
  • 先由阻尼比与自然频率写闭环传函,再用劳斯判据定 K,最后由误差传函求稳态误差
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
  • 由给定阻尼比与自然频率写出闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把结构图化简成含自然频率与阻尼比的标准二阶形式
  • 关键一步:标准分母为 s 平方加两倍阻尼比乘自然频率乘 s 加自然频率平方
  • 中间结果:闭环传函分母定两个二阶参数,分子由前向通道决定
  • 卡点:化为标准形式时未把最高次项系数归一
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
  • 本卷考过由给定阻尼比与自然频率写出闭环传递函数
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求使闭环系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列劳斯表,要求首列全为正
  • 关键一步:由末尾常数项大于零解出增益上界
  • 中间结果:首列出现含增益的项,给出增益的上界
  • 卡点:漏掉末项大于零的约束,只算首列
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
  • 本卷考过用劳斯判据求使闭环系统稳定的增益范围
  • 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
  • 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
  • 求多项组合输入下系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由误差传函乘输入拉氏式,再取 s 趋于零的极限
  • 关键一步:用终值定理前必须先确认系统稳定
  • 中间结果:误差由阶跃、斜坡与加速度三项分量叠加
  • 卡点:未判稳就用终值定理,或漏掉某一输入分量
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
  • 本卷考过求多项组合输入下系统的稳态误差
  • 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、零度根轨迹与阻尼比约束下的参数范围#

思路
  • 开环含正零点须画零度根轨迹,由虚轴交点定稳定范围,再由等阻尼线定参数范围
本卷考法
  • 零点为正时改用零度相角条件绘制根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把题给传函整理成正反馈形式,判定为零度根轨迹
  • 关键一步:实轴段判据改为两侧零极点个数之和为偶数
  • 中间结果:复数分支是以开环零点为圆心的圆弧
  • 卡点:仍按 180 度相角条件画,实轴段与走向全错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 可变参数不是开环增益时称为参数根轨迹
  • 方法是用等效开环传递函数把参数提到标准位置
  • 正反馈系统或零度根轨迹的相角条件是 0°+360°l
步骤
  • 把特征方程整理成 1+αG*(s)=0 的形式
  • 把 α 以外部分视为等效开环传递函数
  • 按常规根轨迹法则绘制
  • 注意相角条件是否变成 0°
通用考法
  • 本卷考过零点为正时改用零度相角条件绘制根轨迹
  • 以时间常数或其他参数为变量绘制根轨迹
  • 绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 比较零度与 180 度根轨迹的差别
常见易错
  • 整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 零度根轨迹仍沿用 180° 相角条件
公式
本卷考法
  • 按法则精确绘制根轨迹并求分离点
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴段、渐近线与分离点,再画复数分支
  • 关键一步:分离点由增益对 s 导数为零的方程解出并筛选
  • 中间结果:两个分离点分别对应无振荡与振荡分界
  • 卡点:分离点方程的解不筛选,保留了不在根轨迹上的根
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
  • 本卷考过按法则精确绘制根轨迹并求分离点
  • 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参数范围
本卷实例
  • 关键一步:令特征方程中 s 换成 jω,实部虚部同时为零
  • 关键一步:求得的临界参数就是稳定范围的边界
  • 中间结果:二阶特征方程的稳定条件由劳斯表首列给出
  • 卡点:只代一个频率就下结论,或未回到题给参数定义核对
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参数范围
  • 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
  • 由等阻尼线求满足阻尼比下界的参数范围
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角度的射线
  • 关键一步:把射线上的点代入特征方程解出对应参数
  • 中间结果:阻尼比下界对应一条射线,两条边界给出参数开区间
  • 卡点:把等阻尼线画成垂直线,或端点开闭取错
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
  • 本卷考过由等阻尼线求满足阻尼比下界的参数范围
  • 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

4四、含虚轴极点系统的奈奎斯特图与判稳#

思路
  • 开环含一对虚轴极点,补画无穷大圆弧后用奈氏判据判稳定性
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:先确定起止相角,再补画无穷大半径的圆弧
  • 关键一步:由包围临界点圈数求闭环右半平面根数
  • 中间结果:幅值在频率趋于一附近出现先减后增的畸变
  • 卡点:忘记补画虚轴极点对应的无穷大圆弧
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

5五、由闭环幅频曲线求开环增益与放大倍数#

思路
  • 先由闭环幅频特性反求开环传函与增益,再按相角裕度要求求增益放大倍数
本卷考法
  • 由闭环幅频特性曲线反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由闭环幅频曲线读出谐振频率与谐振峰值
  • 关键一步:用闭环与开环的关系式反解开环传函
  • 中间结果:谐振峰值给出阻尼比,谐振频率给出自然频率
  • 卡点:把闭环幅频曲线当成开环曲线读,环节类型判错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 谐振峰值 Mr 越大振荡越强,通常要求 Mr 在 1.1 到 1.5 之间
  • 谐振频率 ωr 与峰值时间相关
  • 带宽频率 ωb 越大响应越快但抗噪能力下降
  • 由等 M 圆与等 N 圆可由开环频率特性求闭环特性
步骤
  • 由开环频率特性求闭环频率特性
  • 读出谐振峰值、谐振频率与带宽
  • 按经验公式估计超调量与调节时间
通用考法
  • 本卷考过由闭环幅频特性曲线反求开环传递函数
  • 由闭环幅频特性求谐振峰值与带宽
  • 由 Mr 估算超调量
  • 分析带宽与响应速度的关系
常见易错
  • 当 ξ>0.707 时仍套用谐振峰值公式
  • 把开环谐振与闭环谐振混为一谈
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度要求求开环增益应放大的倍数
本卷实例
  • 关键一步:先按给定相角裕度求出新的截止频率
  • 关键一步:令该频率处幅值等于一,解出所需开环增益
  • 中间结果:增益放大倍数等于新增益与原增益之比
  • 卡点:相角裕度公式里 180 度基准弄错,解出频率偏差
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
  • 本卷考过由相角裕度要求求开环增益应放大的倍数
  • 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、超前、滞后与期望频率特性法校正设计#

思路
  • 先由性能指标看能否用超前或滞后实现,不行则按中频段型号用期望特性法设计
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 判断能否用串联超前校正达到给定相角裕度与截止频率
本卷实例
  • 关键一步:超前校正同时抬高相角裕度与截止频率
  • 关键一步:由原系统在目标截止频率处的相角判断是否可行
  • 中间结果:若所需超前角超过单级上限则不能实现
  • 卡点:忽略截止频率变化带来的附加相角损失,补偿角算小
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
  • 本卷考过判断能否用串联超前校正达到给定相角裕度与截止频率
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 判断能否用串联滞后校正达到给定相角裕度与截止频率
本卷实例
  • 关键一步:滞后校正压低截止频率并利用原系统自身相角
  • 关键一步:由目标截止频率处的原系统相角判断是否可行
  • 中间结果:目标截止频率处相角裕度过大时滞后法无法收敛
  • 卡点:把滞后网络两个转折频率顺序写反,相角抵消
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
  • 本卷考过判断能否用串联滞后校正达到给定相角裕度与截止频率
  • 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
本卷考法
  • 用期望频率特性法设计最简串联校正装置
本卷实例
  • 关键一步:按静态误差系数定低频段高度,按中频段型号定转折频率
  • 关键一步:由中频段宽度与相角裕度解出两个转折频率
  • 中间结果:期望开环特性与原系统相除得校正装置
  • 卡点:中频段取窄导致裕度不足,或结果不可物理实现
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
  • 本卷考过用期望频率特性法设计最简串联校正装置
  • 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
  • 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

7七、离散系统稳定 K 范围与稳态误差#

思路
  • 先求含零阶保持器的脉冲传函,用朱利判据定 K,再由误差传函求稳态误差
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用朱利判据求离散系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征多项式列出朱利判据的三组不等式
  • 关键一步:解三组不等式后取交集得稳定增益范围
  • 中间结果:特征多项式常数项与一次项系数都含增益
  • 卡点:把判据里的常数项边界取反,得到错误的增益范围
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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统在阶跃加斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由误差脉冲传函乘输入 z 变换后取 z 趋于一的极限
  • 关键一步:用终值定理前先由上一问确认系统稳定
  • 中间结果:误差由阶跃分量与斜坡分量两部分组成
  • 卡点:直接用连续域的静态误差系数公式处理离散系统
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过求离散系统在阶跃加斜坡输入下的稳态误差
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
公式

8八、离散系统闭环脉冲传递函数#

思路
  • 按采样开关位置标注中间变量,联立方程组消去中间量求闭环脉冲传函
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求多环离散系统的闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:在采样开关处标注星号变量并列写各节点关系
  • 关键一步:对含开关的支路单独做 z 变换,其余保持连续关系
  • 中间结果:闭环传函分母含两个单环脉冲传函的乘积项
  • 卡点:把无开关隔开的连续环节合并离散,结果错位
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
  • 本卷考过求多环离散系统的闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 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

9九、非线性系统的相平面与描述函数分析#

思路
  • 第一部分按继电特性分段画相轨迹,第二部分用描述函数法判系统稳定性
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 按分段线性方程绘制误差相轨迹并求振荡参数
本卷实例
  • 关键一步:把方程化为相轨迹斜率形式,再分区域积分
  • 关键一步:由各区边界点续接轨迹,闭合成极限环
  • 中间结果:相轨迹围绕原点闭合,周期与幅值由轨迹读出
  • 卡点:斜率公式分子分母写反,或区段衔接点取值弄错
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
  • 本卷考过按分段线性方程绘制误差相轨迹并求振荡参数
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 用描述函数法判断等效线性化后系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把非线性与线性部分串成等效开环,求其幅相曲线
  • 关键一步:判断负倒描述函数曲线与幅相曲线有无交点
  • 中间结果:理想继电特性的负倒描述函数落在负实轴上
  • 卡点:两曲线无交点即稳定,勿误判为自振
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
  • 本卷考过用描述函数法判断等效线性化后系统的稳定性
  • 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
  • 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

10十、能控标准型、状态反馈极点配置与状态变量图#

思路
  • 由微分方程写传函与能控标准型,比较系数定反馈增益,再画状态变量图
本卷考法
  • 由微分方程求传递函数并写能控标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:先由微分方程写传函,再把分子除以分母分出直通项
  • 关键一步:按分母系数从低到高排在友矩阵末行
  • 中间结果:输出方程同时含状态项与直通项
  • 卡点:真分式化分时直通项处理错,或友矩阵符号写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 同一传递函数可对应无穷多个状态空间实现
  • 常用能控标准型、能观标准型与对角标准型
  • 能控标准型的 A 阵为友矩阵形式
  • 最小实现要求系统既能控又能观
步骤
  • 把传递函数化为真分式,分离直接项 D
  • 按标准型规则写出 A、B、C、D
  • 必要时用线性变换换成其他标准型
通用考法
  • 本卷考过由微分方程求传递函数并写能控标准型状态空间表达式
  • 由传递函数写出能控标准型
  • 由传递函数写出能观标准型
  • 判断给定的实现是否为最小实现
常见易错
  • 真分式化分时直接项 D 处理错误
  • 友矩阵中系数符号写反
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈把三个闭环极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:期望特征多项式由三个给定极点相乘展开
  • 关键一步:反馈代入后比较同次项系数求三个增益
  • 中间结果:能控标准型下反馈增益与末行系数一一对应
  • 卡点:能控标准型已保证能控,勿再误判为不能控
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
  • 本卷考过设计状态反馈把三个闭环极点配置到指定位置
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态空间表达式绘制状态变量图
本卷实例
  • 关键一步:每个积分器输出取作一个状态变量,输入为其导数
  • 关键一步:按状态方程与输出方程连接比例支路与求和点
  • 中间结果:反馈增益接在积分器前,位置与矩阵系数对应
  • 卡点:漏画某条前向支路或直通项,变量维数对不上
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过由状态空间表达式绘制状态变量图
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式