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南开大学 809 控制综合基础 2017 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等偏难 控制综合基础十个大题:现代控制简答、卡尔曼标准分解、传递函数矩阵最小实现、状态观测器设计、最优控制、方框图求传函与稳态误差、根轨迹、奈奎斯特判稳、对数频率特性与稳定裕度、离散系统参数稳定域。含图题为第四、六、八、十题

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一一、现代控制简答题24 分#

思路
  • 四个简答小题:能控性格拉姆矩阵判据与对偶、状态反馈对能控能观与极点的影响、观测器极点任意配置条件、最省燃料目标函数与最优控制解法。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 第1问:写能控性格拉姆矩阵判据并讨论对偶
本卷实例
  • 关键一步:先写能控性格拉姆矩阵再判断其非奇异
  • 中间结果:完全能控不能保证完全能观,需另判能观
  • 卡点:反例可取输出矩阵元素全为零
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
  • 本卷考过第1问:写能控性格拉姆矩阵判据并讨论对偶
  • 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
  • 本卷考过把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
  • 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
  • 第2问:述状态反馈对能控能观和极点的影响
本卷实例
  • 关键一步:状态反馈不改变能控性但会改变闭环极点
  • 中间结果:极点可任意配置的充要条件是完全能控
  • 卡点:系统稳定的充要条件是闭环特征根均具负实部
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
  • 本卷考过第2问:述状态反馈对能控能观和极点的影响
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 第3问:述观测器可任意配置极点的充要条件
本卷实例
  • 关键一步:先判系统完全能观再设计全维观测器
  • 中间结果:观测器与状态反馈极点共同决定闭环极点
  • 卡点:加观测器不改变原输入输出传递函数
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
  • 本卷考过第3问:述观测器可任意配置极点的充要条件
  • 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
  • 本卷考过把观测器增益阵写成状态反馈增益阵的形式
  • 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
本卷考法
  • 第4问:写最省燃料目标函数并说明变分法适用性
本卷实例
  • 关键一步:先写出含控制量绝对值的性能泛函
  • 中间结果:变分法要求控制无约束且泛函可微
  • 卡点:最省燃料含控制约束,要对方法适用性下判断
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 泛函的极值由欧拉-拉格朗日方程给出,它是变分法的基本必要条件
  • 被积函数不显含自变量时可用首次积分降阶
  • 端点固定的横截条件由给定的边界条件直接给出
步骤
  • 写出被积函数(含状态量、状态量的导数、自变量)
  • 代入欧拉-拉格朗日方程并化简
  • 对被积函数不显含自变量的情形改用首次积分降阶
  • 代入两端边界条件定积分常数,得到极值函数
通用考法
  • 本卷考过第4问:写最省燃料目标函数并说明变分法适用性
  • 求给定泛函在给定边界条件下的极值函数
  • 写出欧拉-拉格朗日方程并化简
  • 说明横截条件的作用
常见易错
  • 本卷考过边界条件有多个时只用两个,漏掉导数的端点条件
  • 边界条件有多个时只用两个,漏掉导数的端点条件
  • 含高阶导数的泛函仍套一阶的欧拉方程
公式
本卷考法
  • 第4问追问:列举除变分法外的最优控制解法
本卷实例
  • 关键一步:按控制有无约束区分极小值原理与动态规划
  • 中间结果:线性二次型问题可用黎卡提方程求解
  • 卡点:各方法适用范围要按约束与指标形式说明
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最优控制问题由状态方程、性能指标与控制量约束共同描述
  • 哈密顿函数对控制量取极值是极大值原理的核心条件
  • 协态方程与横截条件由哈密顿函数分别对状态量和终端条件给出
  • 终端自由时横截条件要求终端协态为零
步骤
  • 构造哈密顿函数(性能指标的被积函数加上协态与状态方程的乘积)
  • 由哈密顿函数对控制量取极值解出最优控制与协态的关系
  • 写出协态方程与边界条件,与状态方程联立
  • 求状态与协态的解析解,再回代得最优控制与最优轨线
通用考法
  • 本卷考过第4问追问:列举除变分法外的最优控制解法
  • 用极大值原理求使性能指标极小的最优控制与最优轨线
  • 构造哈密顿函数并写出正则方程组
  • 判断终端约束对应的横截条件
常见易错
  • 本卷考过终端自由时仍把协态终值取零以外的值
  • 终端自由时仍把协态终值取零以外的值,或反之错把终端固定当自由
  • 解出控制量后忘记回代状态方程验证
公式

二二、卡尔曼标准分解与传函矩阵#

思路
  • 对给定三阶系统先判能控能观,再按卡尔曼标准分解化为标准结构形式,并求系统的传递函数矩阵。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 按能控性与能观性对系统作卡尔曼标准分解
本卷实例
  • 关键一步:先分别算能控与能观判别矩阵的秩
  • 中间结果:按秩不足的维数取相应变换阵分块
  • 卡点:分解要同时标清能控与能观子块
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
  • 本卷考过按能控性与能观性对系统作卡尔曼标准分解
  • 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
  • 本卷考过只算到判别矩阵的次高阶就下结论
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间表达式求系统的传递函数矩阵
本卷实例
  • 关键一步:用输出矩阵乘预解矩阵再乘输入矩阵
  • 中间结果:特征多项式由状态矩阵的行列式给出
  • 卡点:要注意零极点对消后传函可能降阶
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的传递函数矩阵
  • 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
  • 本卷考过漏掉输出方程中的直接传递项
  • 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

三三、传递函数矩阵的最小实现#

思路
  • 给出二阶传递函数矩阵,先消去各元分式的公因子,再按能控能观判据构造最小实现。
本卷考法
  • 由传递函数矩阵写出能控标准型实现
本卷实例
  • 关键一步:先按各元分母次数拆成严格真分式与直接项
  • 中间结果:各子系统的实现按块对角形式拼接
  • 卡点:直接项决定输出方程中的直传阵
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
  • 本卷考过由传递函数矩阵写出能控标准型实现
  • 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
  • 本卷考过真分式化分时直接项处理错误
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用能控能观判据验证实现是否最小
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控与能观判别矩阵并求秩
  • 中间结果:两者都满秩时该实现才是最小实现
  • 卡点:传函各元能约去的公因子要先约掉
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
  • 本卷考过用能控能观判据验证实现是否最小
  • 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
  • 本卷考过只看能控性就断定实现为最小
  • 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

四四、状态观测器设计#

思路
  • 给二阶状态方程与输出方程,按期望观测器极点写期望特征多项式,比较系数求观测器增益阵。
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 按给定期望极点设计全维状态观测器
本卷实例
  • 关键一步:先写观测器特征多项式再与期望式比较系数
  • 中间结果:反馈增益由两组系数对应相等解出
  • 卡点:观测器极点取值影响收敛速度与噪声
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
  • 本卷考过按给定期望极点设计全维状态观测器
  • 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
  • 本卷考过把观测器增益与状态反馈增益的求法混用
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 先判能观性再确定观测器极点可否任意配置
本卷实例
  • 关键一步:构造能观判别矩阵并求秩
  • 中间结果:能观判别矩阵满秩是任意配置的前提
  • 卡点:期望观测器极点须落在左半平面
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
  • 本卷考过先判能观性再确定观测器极点可否任意配置
  • 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
  • 本卷考过输出矩阵秩不足时仍按可任意配置处理
  • 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

五五、有约束与无约束最优控制#

思路
  • 一阶状态方程两问:控制有约束时用极小值原理求最优控制,控制无约束且终端自由时用二次型最优控制求控制律。
本卷考法
  • 控制有约束时用极小值原理求最优控制
本卷实例
  • 关键一步:先构造哈密顿函数再按极值条件定控制
  • 中间结果:协态方程与状态方程联立成正则方程组
  • 卡点:约束边界上的控制取值要单独讨论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最优控制问题由状态方程、性能指标与控制量约束共同描述
  • 哈密顿函数对控制量取极值是极大值原理的核心条件
  • 协态方程与横截条件由哈密顿函数分别对状态量和终端条件给出
  • 终端自由时横截条件要求终端协态为零
步骤
  • 构造哈密顿函数(性能指标的被积函数加上协态与状态方程的乘积)
  • 由哈密顿函数对控制量取极值解出最优控制与协态的关系
  • 写出协态方程与边界条件,与状态方程联立
  • 求状态与协态的解析解,再回代得最优控制与最优轨线
通用考法
  • 本卷考过控制有约束时用极小值原理求最优控制
  • 用极大值原理求使性能指标极小的最优控制与最优轨线
  • 构造哈密顿函数并写出正则方程组
  • 判断终端约束对应的横截条件
常见易错
  • 本卷考过解出控制量后忘记回代状态方程验证
  • 终端自由时仍把协态终值取零以外的值,或反之错把终端固定当自由
  • 解出控制量后忘记回代状态方程验证
公式
本卷考法
  • 用二次型指标求无限时间最优控制律
本卷实例
  • 关键一步:对照标准二次型写出权阵与状态矩阵
  • 中间结果:代数黎卡提方程的正定解给出反馈增益
  • 卡点:要取正定解,舍去非正定解
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 性能指标由状态量的二次型与控制量的二次型加权求和
  • 最优控制是状态的线性反馈,反馈阵由黎卡提方程的解给出
  • 加权阵对状态惩罚越重,闭环响应越快、控制量越大
  • 无限时间问题中黎卡提方程取稳态解
步骤
  • 写出性能指标与状态方程,确定加权阵
  • 写出黎卡提代数方程并列写矩阵元素方程
  • 解出正定的解阵,再由反馈公式得到最优反馈增益
  • 校验闭环稳定性与加权阵的对称正定性
通用考法
  • 本卷考过用二次型指标求无限时间最优控制律
  • 由性能指标求最优控制律与闭环系统
  • 解黎卡提方程求反馈增益阵
  • 分析加权阵变化对响应快慢与控制量的影响
常见易错
  • 本卷考过黎卡提方程里的项顺序写错,导致解阵不对称
  • 黎卡提方程里的项顺序写错,导致解阵不对称
  • 只找到解阵的非正定解而舍去正定解
公式

六六、方框图求传函与稳态误差#

思路
  • 由方框图先求开环与闭环传函,再用劳斯判据求稳定 K 范围,最后求阶跃与斜坡组合输入下的稳态误差。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由方框图求开环与闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先写开环传函再按反馈公式求闭环
  • 中间结果:前向通道与反馈通道相乘得开环传函
  • 卡点:具体方框连接需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由方框图求开环与闭环传递函数
  • 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
  • 本卷考过化简内环时把外环的信号当成常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求使系统稳定的放大倍数范围
本卷实例
  • 关键一步:先由闭环特征式列劳斯表
  • 中间结果:第一列元素不变号是稳定的条件
  • 卡点:参数上下界要取交集
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求使系统稳定的放大倍数范围
  • 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
  • 求阶跃与斜坡叠加输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再按终值定理分别求各分量
  • 中间结果:误差为阶跃项与斜坡项之和
  • 卡点:误差系数由开环传函在原点处的极限决定
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
  • 本卷考过求阶跃与斜坡叠加输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过输入为组合信号时漏掉某一分量
  • 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

七七、根轨迹与稳定K范围#

思路
  • 开环含一个零点与三个极点,按法则画根轨迹,求分离点、与虚轴交点及使闭环稳定的 K 范围。
本卷考法
  • 按法则画出该系统根轨迹并定渐近线
本卷实例
  • 关键一步:先标零极点,再定实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:渐近线交点与夹角由零极点位置算出
  • 卡点:含一个开环零点时复数分支形状要判断
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
  • 本卷考过按法则画出该系统根轨迹并定渐近线
  • 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
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹的分离点坐标并筛选合理解
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程解出增益表达式再对其求导
  • 中间结果:导数为零的根中只有落在根轨迹上的才有效
  • 卡点:重根处要检验是否真为分离点
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
  • 本卷考过求根轨迹的分离点坐标并筛选合理解
  • 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
  • 本卷考过求出方程根后不筛选,保留了不在根轨迹上的解
  • 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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及使系统稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:把纯虚变量代入特征方程分离实部与虚部
  • 中间结果:联立两式解出交点频率与临界增益
  • 卡点:临界增益两侧的稳定性要分别判断
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使系统稳定的 K 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论,漏掉另一组交点
  • 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

八八、含虚轴极点系统奈奎斯特判稳#

思路
  • 开环含一个积分环节与一个振荡环节,画奈氏曲线,注意虚轴极点处的相角突变与补画绕行圆弧,再判闭环稳定性。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由补画绕行圆弧后的奈氏曲线判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数再按穿越次数定圈数
  • 中间结果:由包围圈数判断闭环右半平面极点个数
  • 卡点:虚轴极点附近相角有突变要单独分析
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
  • 本卷考过由补画绕行圆弧后的奈氏曲线判断闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过开环含有积分环节时未补画无穷大半径圆弧
  • 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
  • 写开环频率特性并分析幅值相角随频率变化
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函写成各典型环节相乘再取模与相角
  • 中间结果:振荡环节在自然频率处幅值趋于无穷
  • 卡点:相角在经过自然频率时发生突变
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
  • 本卷考过写开环频率特性并分析幅值相角随频率变化
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉积分环节的负九十度
  • 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

九九、对数频率特性与稳定裕度#

思路
  • 先由单位斜坡稳态误差要求反求开环增益,再画开环对数渐近幅频特性,并由渐近线求截止频率与相角裕度。
本卷考法
  • 由单位斜坡稳态误差要求反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:先按型别写出速度误差系数与开环增益的关系
  • 中间结果:由误差要求反解速度误差系数
  • 卡点:求出增益后还要验证稳定性
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稳态误差要求反求开环增益
  • 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
  • 本卷考过未判稳就直接使用终值定理
  • 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
  • 按转折频率逐段画开环对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:先按积分环节定低频段斜率,再逐点改斜率
  • 中间结果:低频段高度由开环增益决定
  • 卡点:二阶环节要用负四十斜率而非两条负二十
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
  • 本卷考过按转折频率逐段画开环对数渐近幅频特性
  • 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
  • 本卷考过逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由渐近线求截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由幅值渐近线交点求截止频率
  • 中间结果:再由相频表达式算该频率处的相角
  • 卡点:相角裕度按截止频率处的相角算
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
  • 本卷考过由渐近线求截止频率与相角裕度
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率两个量用反
  • 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

十十、离散系统参数稳定域#

思路
  • 由离散系统结构图求开环脉冲传函与闭环特征方程,作双线性变换后用劳斯判据求参数稳定域,并求指定采样周期下的临界放大倍数。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求采样系统的开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先对连续部分作 z 变换再代入零阶保持器
  • 中间结果:开环脉冲传函的极点由指数项给出
  • 卡点:采样周期取值影响极点位置
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
  • 本卷考过求采样系统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
  • 本卷考过把两个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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 作双线性变换后用劳斯判据求参数稳定域
本卷实例
  • 关键一步:把 z 平面映射到 w 平面后再用劳斯判据
  • 中间结果:稳定边界曲线由第一列不等式给出
  • 卡点:增大采样周期与增大增益都降低稳定裕度
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
  • 本卷考过作双线性变换后用劳斯判据求参数稳定域
  • 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一
  • 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