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湖南大学 823 自动控制理论(含现控) 2015 年真题思维导图

985 院校共 8 题

难度:中等 八道大题覆盖结构图多输入传函、控制器设计与扰动不变性、三阶极点分布与响应、两系统根轨迹比较、含右半平面极点对象的控制器设计、奈氏判据、以 a 为参数的根轨迹、离散系统稳定性与斜坡误差

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一结构图求给定与扰动传函#

思路
  • 由结构图分别令一路输入为零,用梅森公式求两条通道的输出传函
本卷考法
  • 由多回路结构图用梅森公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先数出全部单独回路并判断哪些互不接触
  • 中间结果:两条通道的分子由各自前向通路与余子式组成
  • 卡点:回路与前向通路的接法需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由多回路结构图用梅森公式求闭环传函
  • 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
  • 本卷考过余子式中未剔除与通路接触的回路
  • 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
本卷考法
  • 分别求给定输入与扰动作用下的输出传函
本卷实例
  • 关键一步:每次只保留一路输入,其余输入置零
  • 中间结果:两条通道共用同一个特征式
  • 卡点:扰动注入点的接入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
  • 线性系统可用叠加原理,每次只保留一个输入
  • 求扰动的传递函数时令参考输入为零
  • 扰动误差与输入误差分别计算后再叠加
步骤
  • 令 R(s)=0,求扰动到输出的传递函数
  • 令 N(s)=0,求输入到输出的传递函数
  • 按题目要求叠加或单独分析
通用考法
  • 本卷考过分别求给定输入与扰动作用下的输出传函
  • 求扰动引起的输出或误差
  • 分析满足扰动不变性的补偿条件
常见易错
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 两个输入同时存在时直接叠加却未验证系统的线性性
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式

二斜坡误差与扰动误差的控制器设计#

思路
  • 由结构图写误差传函,用终值定理把斜坡误差与阶跃扰动误差要求化为控制器参数条件
本卷考法
  • 由单位斜坡输入的稳态误差要求反求比例增益
本卷实例
  • 关键一步:先由开环型别写出速度误差系数与增益的关系
  • 中间结果:误差要求化为关于比例增益的一个等式
  • 卡点:控制器与误差信号的接法需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由单位斜坡输入的稳态误差要求反求比例增益
  • 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
本卷考法
  • 设计控制器使阶跃扰动下的稳态误差为零
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,单独写扰动到误差的传函
  • 中间结果:按扰动不变性原理给出控制器应含的环节
  • 卡点:扰动注入点与控制器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
  • 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
  • 本卷考过设计控制器使阶跃扰动下的稳态误差为零
  • 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作总误差,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

三三阶系统极点分布与响应#

思路
  • 由极点分布写闭环传函并分解部分分式,分析主导极点的作用,再给仿真语句
本卷考法
  • 由极点分布写出单位阶跃响应的大致形式
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函按极点做部分分式展开再取拉氏反变换
  • 中间结果:响应由各极点对应指数或衰减振荡项叠加
  • 卡点:极点坐标需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 极点决定响应由哪些模态组成,零点决定各模态的权重
  • 左半平面极点对应衰减,右半平面对应发散,虚轴对应等幅振荡
  • 离虚轴最近的极点为主导极点,主导响应的形状
  • 共轭复极点产生振荡,实极点产生单调分量
步骤
  • 求特征方程得到全部闭环极点
  • 按实数/共轭复数分类,写出对应模态
  • 找出主导极点对,近似为低阶系统
  • 结合零点判断各模态权重大小
通用考法
  • 本卷考过由极点分布写出单位阶跃响应的大致形式
  • 由极点分布写出响应的大致形式
  • 判断系统是单调还是振荡、是否收敛
  • 用主导极点概念把高阶系统近似为二阶系统
常见易错
  • 本卷考过只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
  • 只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
公式
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由极点位置判断主导极点并说明对响应的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较各极点到虚轴的距离判断哪一对起主导作用
  • 中间结果:靠近虚轴的极点对应衰减较慢的模态
  • 卡点:主导极点最终要由留数大小判定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过由极点位置判断主导极点并说明对响应的影响
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 本卷考过只看极点距离而不管该极点的留数大小
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式

四两系统根轨迹绘制与稳定性比较#

思路
  • 由两组开环零极点分布分别按法则画概略根轨迹,再比较穿越虚轴时的临界增益
本卷考法
  • 由开环零极点分布绘制概略根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标出零极点再按右侧零极点个数判断实轴根轨迹段
  • 中间结果:渐近线条数与夹角由极点数减零点数确定
  • 卡点:两组零极点的分布需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由开环零极点分布绘制概略根轨迹
  • 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
  • 由根轨迹与虚轴的关系比较两系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:比较两条根轨迹穿越虚轴时对应的临界增益
  • 中间结果:穿越方向决定稳定增益区间是否为空
  • 卡点:根轨迹形状需回原卷核对图
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的关系比较两系统的稳定性
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率值就下结论
  • 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

五导弹角度系统控制器设计#

思路
  • 由含右半平面极点的对象列特征方程,分别用比例控制器、带零点控制器与 PD 控制器设计
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判断比例控制器能否使系统稳定
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程后用劳斯表判断首列是否变号
  • 中间结果:比例控制下首列出现变号说明不能稳定
  • 卡点:控制器接入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
  • 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比例控制器能否使系统稳定
  • 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
本卷考法
  • 分析控制器引入的零点与对象右半平面极点对消的实际稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把控制器零点并入开环后重新判断实轴段与渐近线
  • 中间结果:约分后传函看着稳定,被约掉的右半平面模态仍存在
  • 卡点:要说明对消后是否真正实际稳定而非表面稳定
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过分析控制器引入的零点与对象右半平面极点对消的实际稳定性
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 本卷考过把附加零点的影响与附加极点的影响搞反
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比与调节时间要求反求 PD 控制器参数
本卷实例
  • 关键一步:把调节时间要求化为阻尼比乘自然频率的定值
  • 中间结果:由标准二阶系数关系联立解出两个控制器参数
  • 卡点:阻尼比与阻尼角之间要用余弦关系换算
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
  • 本卷考过由阻尼比与调节时间要求反求 PD 控制器参数
  • 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

六由奈氏判据判断系统稳定性#

思路
  • 由开环传函写幅相表达式,先数右半平面极点数再按包围关系判稳
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据判断含右半平面极点的系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先确定开环右半平面极点个数与幅相曲线包围情况
  • 中间结果:由包围圈数与右半平面极点数关系算出闭环右半平面极点数
  • 卡点:曲线与负实轴交点随增益变化,要按增益分段讨论
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
  • 本卷考过用奈奎斯特判据判断含右半平面极点的系统稳定性
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数
  • 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

七以参数 a 为变量的根轨迹#

思路
  • 把特征方程整理成以 a 为参数的形式,按广义根轨迹法则绘制,再由给定闭环极点反求参数
本卷考法
  • 以时间常数或其他参数为变量绘制参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把含参数项提到分子,写成等效开环传函形式
  • 中间结果:等效开环的极点由不含参数项的特征方程给出
  • 卡点:等效开环的零极点位置要重新数
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
  • 本卷考过以时间常数或其他参数为变量绘制参数根轨迹
  • 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
  • 本卷考过整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 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
  • 由给定闭环极点反求两个参数取值
本卷实例
  • 关键一步:把给定闭环极点代入特征方程并令实部虚部分别为零
  • 中间结果:由实部虚部两个方程联立解出两个参数
  • 卡点:给定的是共轭极点,只需代入其中一个
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
  • 本卷考过由给定闭环极点反求两个参数取值
  • 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画成了垂直线
  • 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

八离散系统稳定性与斜坡稳态误差#

思路
  • 由框图写开环脉冲传函,求闭环特征根判断稳定性,再用终值定理求斜坡输入下的稳态误差
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 判断离散系统稳定性并求使系统稳定的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并令特征根的模小于一
  • 中间结果:稳定范围由特征根落在单位圆内约束
  • 卡点:采样开关与保持器的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
  • 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
  • 本卷考过判断离散系统稳定性并求使系统稳定的参数范围
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
  • 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
  • 求离散系统在斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再由误差脉冲传函与输入的 z 变换用终值定理
  • 中间结果:由速度误差系数在 z 域的定义求斜坡误差
  • 卡点:采样周期要代入脉冲传函
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
  • 本卷考过直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 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