←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

吉林大学 812 自动控制理论(含现控) 2021 年真题思维导图

985 院校共 9 题

难度:中等 9题;结构图、根轨迹、复合控制、频域、描述函数、离散、状态空间各据一题,现代控制占三题,频域题需由Bode图反求传函再算裕度

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

1一、结构图化简与信号流图#

思路
  • 化简多回路方框图求Y/R与E/R,再由结构图改画信号流图
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 化简多回路方框图求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先按最内层回路化简成等效环节,再逐层向外处理
  • 关键一步:化简时若移动比较点或引出点,移动后要补上相应环节
  • 中间结果:先写出前向通路与各回路增益,再套梅森公式求闭环传函
  • 卡点:把闭环传函误当开环传函;跨回路化简时漏乘某环节
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
  • 本卷考过化简多回路方框图求闭环传递函数
  • 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
本卷考法
  • 由结构图画出系统信号流图
本卷实例
  • 关键一步:结构图的每个信号对应流图一个节点,方框对应有向支路
  • 关键一步:比较点在流图中表现为汇入同一节点的多条支路
  • 中间结果:画完可数回路个数,应与结构图里数出的回路数一致
  • 卡点:把方框画成节点使回路数增加;反馈支路起点接错
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
  • 本卷考过由结构图画出系统信号流图
  • 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、含复极点的根轨迹绘制与重根K值#

思路
  • 按法则完整绘制开环根轨迹,求复极点出射角与虚轴交点,再求重根处K值
本卷考法
  • 绘制开环根轨迹并写出完整步骤
本卷实例
  • 关键一步:先标零极点并数渐近线条数,判断实轴上的根轨迹区间
  • 关键一步:渐近线交角按(2k+1)/(n-m)取,交点实部用零极点坐标之和比
  • 中间结果:系统无零点、四个极点,n-m=4,渐近线与实轴交于-3
  • 卡点:渐近线交角公式漏写2k+1;实轴区间零极点计数出错
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
  • 本卷考过绘制开环根轨迹并写出完整步骤
  • 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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求共轭复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:出射角用相角条件反求,减去其余各零极点提供的相角
  • 关键一步:共轭极点出射角关于实轴对称,求得一个另一个取相反数
  • 中间结果:一对共轭复极点的出射角为一对相反角
  • 卡点:累加相角时把该极点自身的相角也算进去
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
  • 本卷考过求共轭复数极点的出射角
  • 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
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及对应的临界K
本卷实例
  • 关键一步:把s=jω代入闭环特征方程,令实部与虚部分别为零
  • 关键一步:也可由劳斯表首列出现零求临界K,再用辅助方程求交点
  • 中间结果:临界K对应根轨迹穿越虚轴,交点由辅助方程解出
  • 卡点:只代一组ω漏掉另一组交点;算出K后不回题核对增益定义
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交点及对应的临界K
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求系统具有重根时的K值
本卷实例
  • 关键一步:重根即分离点,用dK/ds=0或1/G的导数为零求坐标
  • 关键一步:求出的根要筛选,只保留落在根轨迹上的那个
  • 中间结果:分离点坐标对应的增益即重根K,可由幅值条件回代求得
  • 卡点:求出方程根后不筛选,保留了不在根轨迹上的解
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
  • 本卷考过求系统具有重根时的K值
  • 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
  • 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

3三、复合控制消除稳态误差#

思路
  • 由前馈补偿G1与对象G构成误差传函,令输入1+t+t²各次幂系数为零反求a、b
本卷考法
  • 判断系统型别与可跟踪的输入阶次
本卷实例
  • 关键一步:数开环积分环节个数定系统型别,判断原系统能否无差跟踪
  • 关键一步:输入含t²分量,要求系统对加速度分量无静差
  • 中间结果:原开环传函含一个积分环节,属Ⅰ型系统
  • 卡点:把开环增益与静态误差系数混为一谈
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 型别 v 由开环传递函数中积分环节的个数决定
  • 0 型有位置误差、Ⅰ型有速度误差、Ⅱ型有加速度误差
  • 静态误差系数只与开环传递函数有关
步骤
  • 把开环传递函数写成分式,数出 s 的幂次即型别
  • 按型别选择对应的静态误差系数公式
  • 代入求值
通用考法
  • 本卷考过判断系统型别与可跟踪的输入阶次
  • 判断系统型别
  • 求静态位置、速度、加速度误差系数
  • 分析增加积分环节对精度的影响
常见易错
  • 把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 数错积分环节个数导致型别判错
公式
本卷考法
  • 求组合输入1+t+t²下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:误差传函按(1+G1)G/(1+G)写,再乘输入拉氏变换后求极限
  • 关键一步:令误差式中各次幂系数为零,解出待定参数
  • 中间结果:把误差式整理成s的幂级数,低次幂系数分别对应各输入分量
  • 卡点:组合输入时漏掉某一分量;未判稳就使用终值定理
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
  • 本卷考过求组合输入1+t+t²下的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 设计前馈补偿G1使系统无静差跟踪给定
本卷实例
  • 关键一步:用前馈通道改变误差传函分子,使其与输入各分量匹配
  • 关键一步:补偿参数由误差分子各次幂系数为零的条件确定
  • 中间结果:前馈补偿不改变闭环特征式,只改变误差传函的分子
  • 卡点:只调整补偿参数而不检查稳定性是否被破坏
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
  • 本卷考过设计前馈补偿G1使系统无静差跟踪给定
  • 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
  • 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

4四、由Bode图求传函、裕度与奈氏判据#

思路
  • 由对数幅频特性低频段与转折频率反求开环传函,算幅值相角裕度,画奈氏曲线判稳
本卷考法
  • 由开环对数幅频特性反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定系统型别,由低频段高度或延长线定开环增益
  • 关键一步:按各转折频率处斜率的变化依次写出典型环节
  • 中间结果:低频段高度20lg(K/ω)可用于反求K,转折频率对应各时间常数
  • 卡点:把延长线交点直接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
  • 本卷考过由开环对数幅频特性反求传递函数
  • 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
  • 求系统的幅值裕度与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:相角裕度在截止频率处用180°加相角求,幅值裕度在相位穿越频率处取幅值倒数
  • 关键一步:先按幅频曲线估截止频率,再算该频率处相角
  • 中间结果:相位穿越频率处相角为-180°,幅值裕度以分贝表示
  • 卡点:把截止频率与相位穿越频率用反;幅值裕度取倒数方向搞错
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
  • 本卷考过求系统的幅值裕度与相角裕度
  • 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
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 画奈氏曲线并用奈氏判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:最小相位系统先数开环右半平面极点P,再看曲线包围(-1,j0)的圈数
  • 关键一步:按z=P-2N判断闭环右半平面极点数
  • 中间结果:曲线未包围(-1,j0)时N=0,P=0时闭环稳定
  • 卡点:开环含积分环节时未补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过画奈氏曲线并用奈氏判据判断闭环稳定性
  • 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
  • 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
  • 绘制开环对数相频特性曲线
本卷实例
  • 关键一步:各典型环节相角相加,积分环节固定贡献-90°
  • 关键一步:按转折频率分段描点,两端取极限相角定形状
  • 中间结果:ω从0到∞时相角由-90°单调变化到-180°
  • 卡点:漏掉积分环节的-90°,或把一阶微分环节相角符号写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 熟记 lg2≈0.3、lg5≈0.7、20lg2≈6dB
  • 从低频段开始逐段按各环节转折频率改变斜率
  • 低频段斜率由系统型别决定,高度由开环增益决定
  • 每经过一个转折频率斜率就叠加该环节的斜率变化
步骤
  • 把开环传递函数写成典型环节的标准乘积
  • 确定系统型别与开环增益,画出最低频段渐近线
  • 按转折频率从小到大逐段改斜率
  • 逐点叠加得到幅频与相频曲线
通用考法
  • 本卷考过绘制开环对数相频特性曲线
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
  • 计算指定频率处的幅值与相角
  • 由低频段斜率与高度判断型别与增益
常见易错
  • 逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 低频段起始高度没有乘上型别的 -20v dB/dec
公式

5五、描述函数法判断自振#

思路
  • 求线性部分与负倒描述函数轨迹的交点,判断能否产生稳定自振并求振幅与频率
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定描述函数写出负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:把非线性环节描述函数N(A)取负倒数,得到随A变化的-1/N(A)轨迹
  • 关键一步:先求出-1/N(A)随A的走向再与线性部分比较
  • 中间结果:给定N=(A+4)/(A+2),其负倒描述函数可整理成含A的表达式
  • 卡点:把描述函数当成频率的函数;错画成N(A)而非-1/N(A)
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
  • 本卷考过由给定描述函数写出负倒描述函数
  • 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
  • 判断能否产生稳定自振并求自振振幅与频率
  • 分析交点处自振是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:线性部分与负倒描述函数的交点即自振点,交点频率为自振频率
  • 关键一步:按A增大方向判断-1/N(A)走向,确定该自振点是否稳定
  • 中间结果:令G(jω)相角为-180°求出穿越频率,其幅值与-1/N(A)相等时相交
  • 卡点:未标A增大方向就判断稳定性;把交点频率当成截止频率
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
  • 本卷考过判断能否产生稳定自振并求自振振幅与频率
  • 本卷考过分析交点处自振是否稳定
  • 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

6六、零阶保持器采样系统的脉冲传函与误差#

思路
  • 由含零阶保持器的连续部分求开环与闭环脉冲传函,再求阶跃稳态误差与超调量
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、闭环与误差脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先用部分分式把连续传函拆开,再查z变换表求G(z)
  • 关键一步:零阶保持器要并入G(z)后再求闭环与误差脉冲传函
  • 中间结果:开环、闭环与误差三个脉冲传函的分母同为1+G(z)的特征式
  • 卡点:漏乘零阶保持器;把两个无采样开关隔开的环节直接相乘
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、闭环与误差脉冲传递函数
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求单位阶跃输入下离散系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理求e(∞),使用前先判断闭环稳定性
  • 关键一步:Ⅰ型离散系统对阶跃输入的稳态误差为零
  • 中间结果:误差脉冲传函乘R(z)=z/(z-1)后取z趋于1的极限
  • 卡点:未判稳就用终值定理;直接用s域静态误差系数公式
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下离散系统的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 由闭环极点分布估算系统的超调量
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征根位置判断响应是否振荡,再据极点分布估算超调
  • 关键一步:把z平面极点换算到连续域阻尼比后再套用二阶公式
  • 中间结果:闭环极点成共轭对且位于单位圆内侧时,响应呈衰减振荡
  • 卡点:把z平面极点当s平面极点直接读阻尼比
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环极点在 z 平面上的位置决定响应形式
  • 极点越靠近原点衰减越快,越靠近单位圆振荡越强
  • 极点的幅角决定振荡频率,幅值决定衰减速度
  • 采样周期增大会使动态性能变差甚至不稳定
步骤
  • 求闭环脉冲传递函数的极点
  • 按极点在单位圆内的位置判断响应形式
  • 由极点的模与幅角估算衰减与振荡频率
  • 与连续系统指标对应关系相互校验
通用考法
  • 本卷考过由闭环极点分布估算系统的超调量
  • 由闭环极点分布判断动态性能
  • 与连续域指标互相换算
  • 说明采样周期对动态性能的影响
常见易错
  • 把 z 平面极点当作 s 平面极点直接读阻尼比
  • 忽略单位圆上极点对应等幅振荡
公式

7七、状态空间拓扑的可控性与可测性条件#

思路
  • 把系统对角化,按模态的可控、可测判据列写b、c各分量满足的条件
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 求使指定状态可控可测时参数满足的条件
  • 用模态判据判断各状态的可控性与可测性
本卷实例
  • 关键一步:先求A的特征值并将系统化为对角规范型,得到变换矩阵P
  • 关键一步:对角型下某模态可控看对应B元是否为零,可测看对应C元是否为零
  • 中间结果:A的特征值为-1与-2,对角化后B、C各分量是b1、b2、c1、c2的线性组合
  • 卡点:把可控性判据与可测性判据的矩阵构造搞混;漏掉其中一组情形
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
  • 本卷考过求使指定状态可控可测时参数满足的条件
  • 本卷考过用模态判据判断各状态的可控性与可测性
  • 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

8八、状态反馈与降维观测器综合设计#

思路
  • 由结构图写状态空间并设计状态反馈配置极点,再设计降维观测器并画结构图
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈使闭环极点位于-3±j2
本卷实例
  • 关键一步:由结构图先写出状态空间表达式并验证能控性
  • 关键一步:设u=v-Kx,令sI-A+BK的系数等于期望特征多项式的系数
  • 中间结果:期望特征式为(s+3)²+4=s²+6s+13,比较系数得K各元素
  • 卡点:未验证能控性就配极点;特征式比较系数时符号写反
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使闭环极点位于-3±j2
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计降维观测器把观测器极点配置于-10
本卷实例
  • 关键一步:由输出与被观测量关系构造降维观测器方程,设观测器反馈增益
  • 关键一步:令sI-(A-GC)的极点等于期望观测器极点,解出反馈增益H
  • 中间结果:降维观测器阶数等于系统阶数减输出维数
  • 卡点:把观测器增益阵写成状态反馈增益阵的形式
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态观测器用输出与输入重构状态,前提是系统能观
  • 极点配置法与龙伯格观测器是两种常用形式
  • 观测器误差动态由 A-LC 的特征值决定
  • 观测器极点通常取得比系统极点快若干倍
步骤
  • 验证系统能观性
  • 写出观测器方程并求误差动态矩阵
  • 按期望特征多项式比较系数求出 L
  • 校验观测器收敛速度是否合适
通用考法
  • 本卷考过设计降维观测器把观测器极点配置于-10
  • 设计全维状态观测器
  • 由期望观测器极点求反馈增益阵 L
  • 分析观测器与状态反馈组合后的系统极点
常见易错
  • 把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 忽略观测器极点过快会放大噪声
公式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由给定结构图列写状态空间表达式
  • 绘制带降维观测器的状态反馈闭环结构图
本卷实例
  • 关键一步:按每个积分器输出设状态变量,写出一阶微分方程组与输出方程
  • 关键一步:结构图先画受控对象与状态反馈,再把观测器输出接入反馈
  • 中间结果:状态变量个数与结构图中积分器个数一致
  • 卡点:输出方程漏掉直接传递项D;结构图反馈极性画反
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
  • 本卷考过由给定结构图列写状态空间表达式
  • 本卷考过绘制带降维观测器的状态反馈闭环结构图
  • 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

9九、李雅普诺夫第二法判断稳定性#

思路
  • 求平衡状态,构造李雅普诺夫函数用第二法判断渐进稳定并求参数范围
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渐进稳定性
  • 写出一个李雅普诺夫函数
本卷实例
  • 关键一步:令各状态导数为零求平衡状态,本题平衡点为原点
  • 关键一步:选正定二次型作V(x),求V的导数并使之负定,反推参数范围
  • 中间结果:取V=(x1²+x2²)/2时,V的导数只剩与x2平方有关的项
  • 卡点:只判断V正定就下结论而未检查它的导数;P、Q角色混用
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渐进稳定性
  • 本卷考过写出一个李雅普诺夫函数
  • 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
  • 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