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山东大学 847 自动控制理论(含现控) 2016 年真题思维导图

985 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等 全卷十题:结构图求传函、由阶跃响应反求G1并算稳态输出与动态指标、根轨迹草图与稳定Kg、对数频率特性与对数稳定判据、串联超前校正、滞环继电非线性描述函数自振、采样系统闭环传函与稳定性、能控与能观子系统分解、零初值状态方程解、状态反馈极点配置与全维观测器。每题头都印「共1题,N分」,合计150。

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1一、结构图求传递函数15 分#

思路
  • 由结构图找前向通路与各回路,用梅森公式求C(s)/R(s)。
本卷考法
  • 由结构图用梅森公式求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:标出各前向通路与其增益
  • 关键一步:找全部独立回路及互不接触回路对
  • 中间结果:特征式为1减各回路增益和再加不接触回路乘积
  • 卡点:回路接触关系判错导致余子式写错
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
  • 本卷考过由结构图用梅森公式求闭环传递函数
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路结构图逐层等效化简
本卷实例
  • 关键一步:先合并内层的串联并联与局部反馈
  • 关键一步:再逐层向外归到单一输入输出
  • 中间结果:化简后分母即闭环特征多项式
  • 卡点:结构图以图给出,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
  • 本卷考过多回路结构图逐层等效化简
  • 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、由阶跃响应反求传函与动态指标15 分#

思路
  • 由G1的单位阶跃响应反求G1(s),再求闭环传函、稳态输出、超调量、调节时间与稳态误差。
本卷考法
  • 由G1的单位阶跃响应反求其传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对阶跃响应取拉氏变换并除以1/s
  • 关键一步:整理成尾一形式读出增益与时间常数
  • 中间结果:零初始条件下传函等于输出与输入变换之比
  • 卡点:响应含系数时漏乘该系数
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G1的单位阶跃响应反求其传递函数
  • 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
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
  • 由闭环传函读出ωn与ξ
本卷实例
  • 关键一步:把闭环分母与标准二阶分母逐项对照
  • 关键一步:由一次项系数除以2ωn求ξ
  • 中间结果:二次项系数须先归一化再对照
  • 卡点:把开环增益误当闭环传函的直流增益
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
  • 本卷考过由闭环传函读出ωn与ξ
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 计算超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由ξ、ωn代入σ%与ts公式
  • 关键一步:注意题目要求的误差带对应系数
  • 中间结果:ξ偏小时超调量显著偏大
  • 卡点:两种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
  • 本卷考过计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
本卷考法
  • 求给定阶跃输入下的稳态输出与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再由终值定理求c(∞)
  • 关键一步:按误差定义写出E(s)再求ess
  • 中间结果:稳态输出与输入幅值及直流增益有关
  • 卡点:未判稳就直接用终值定理
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
  • 本卷考过求给定阶跃输入下的稳态输出与稳态误差
  • 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、根轨迹草图与稳定Kg范围15 分#

思路
  • 按法则画180度根轨迹草图,求渐近线与虚轴交点,定出闭环稳定的Kg范围。
本卷考法
  • 按绘制法则画根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:标出开环极点并判实轴上根轨迹段
  • 关键一步:算渐近线交点与夹角
  • 中间结果:三条根轨迹分支起于三个开环极点
  • 卡点:实轴段判据中零极点个数算错
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
  • 本卷考过按绘制法则画根轨迹草图
  • 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
  • 由虚轴交点确定稳定Kg范围
本卷实例
  • 关键一步:令s=jw代入闭环特征方程
  • 关键一步:实部虚部分别为零联立解w与Kg
  • 中间结果:临界Kg对应根轨迹穿越虚轴
  • 卡点:只取一组解,漏掉原点处的另一组
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
  • 本卷考过由虚轴交点确定稳定Kg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
  • 由根轨迹判断参数取值与系统性能
本卷实例
  • 关键一步:把Kg范围与根在左右半平面联系
  • 关键一步:必要时由闭环极点位置估指标
  • 中间结果:根全在左半平面时闭环稳定
  • 卡点:由极点位置估指标时忽略零点作用
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
  • 本卷考过由根轨迹判断参数取值与系统性能
  • 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、对数频率特性与对数稳定判据15 分#

思路
  • 把开环化为尾一形式,画K=200时的Bode图,用对数频率稳定判据判稳,再由相角条件反求K。
本卷考法
  • 把开环化为尾一形式并画Bode图
本卷实例
  • 关键一步:先化尾一形式读出开环增益与两个转折频率
  • 关键一步:按型别与增益定低频段
  • 中间结果:两个惯性环节在转折频率后各降20dB/dec
  • 卡点:化尾一形式时漏除环节常数
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
  • 本卷考过把开环化为尾一形式并画Bode图
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用对数频率稳定判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先判断开环右半平面极点数P
  • 关键一步:由相频曲线对负180度线的穿越次数算Z
  • 中间结果:最小相位系统P为零
  • 卡点:穿越次数与P的关系式写反
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
  • 本卷考过用对数频率稳定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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度要求反求开环增益K
本卷实例
  • 关键一步:由γ等于60度写出相角方程
  • 关键一步:解出对应频率再由幅值条件反求K
  • 中间结果:相角裕度要求越高对应穿越频率越低
  • 卡点:相角裕度基准180度写成90度
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反求开环增益K
  • 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

5五、串联超前校正设计18 分#

思路
  • 已知G(s)=40/[s(0.1s+1)],保持稳态误差不变、相角裕度不低于48度,画Bode求ωc与γ,设计超前网络并说明影响。
本卷考法
  • 画原系统Bode图并读ωc与γ
本卷实例
  • 关键一步:由积分环节与惯性环节定转折频率
  • 关键一步:按频段近似式解幅值等于1的频率
  • 中间结果:原系统在转折频率附近穿越0dB线
  • 卡点:近似式取错频段解出无效频率
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
  • 本卷考过画原系统Bode图并读ωc与γ
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求原系统相角裕度并判断设计裕度
本卷实例
  • 关键一步:在穿越频率处累加各环节相角
  • 关键一步:由γ等于180度加相角求原裕度
  • 中间结果:原相角裕度小于要求值需超前校正
  • 卡点:把相位穿越频率当幅值穿越频率
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
  • 本卷考过求原系统相角裕度并判断设计裕度
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联超前校正网络使相角裕度达标
本卷实例
  • 关键一步:由所需补偿相角定网络参数
  • 关键一步:把两个转折频率安排在穿越频率两侧
  • 中间结果:超前网络零点在低频极点在高频
  • 卡点:计算补偿角时漏掉穿越频率变化的附加损失
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
  • 本卷考过设计串联超前校正网络使相角裕度达标
  • 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

6六、滞环继电非线性自振分析17 分#

思路
  • 由滞环继电描述函数画负倒描述函数曲线,与线性部分频率特性求交点,判周期运动稳定性并定振幅频率。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出滞环继电特性的描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义取输出基波分量
  • 关键一步:把滞环造成的相位滞后写成虚部
  • 中间结果:描述函数实部与虚部都随振幅变化
  • 卡点:把滞环特性当成理想继电特性处理
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
  • 本卷考过写出滞环继电特性的描述函数
  • 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
  • 由交点判断周期运动的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:画负倒描述函数随A增大的走向
  • 关键一步:看交点处曲线是穿入还是穿出稳定区
  • 中间结果:穿入稳定区对应稳定自振
  • 卡点:未标A增大方向就判定稳定
  • 卡点:非线性结构以图给出,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由交点判断周期运动的稳定性
  • 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
本卷考法
  • 求自振的振幅与频率
本卷实例
  • 关键一步:由虚部相等方程解出自振频率
  • 关键一步:再由实部条件解出对应振幅
  • 中间结果:线性部分与负倒曲线交点唯一时自振唯一
  • 卡点:把交点频率误当成截止频率
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过求自振的振幅与频率
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式

7七、采样系统闭环传函与稳定性15 分#

思路
  • 由采样系统结构图求开环与闭环脉冲传函,写出特征方程并判断稳定性。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样结构图求闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:连续部分与零阶保持器合并取z变换
  • 关键一步:按结构图写开环与闭环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函分母即特征多项式
  • 卡点:采样结构以图给出,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由采样结构图求闭环脉冲传递函数
  • 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
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
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程解出闭环特征根
  • 关键一步:检查两特征根是否都在单位圆内
  • 中间结果:特征根模都小于1时系统稳定
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零
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
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由脉冲传函写出闭环特征方程
本卷实例
  • 关键一步:把开环脉冲传函代入闭环公式
  • 关键一步:通分整理成z的多项式方程
  • 中间结果:整理时注意分子分母同时乘的因子
  • 卡点:把开环传函当成闭环传函
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过由脉冲传函写出闭环特征方程
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式

8八、能控子系统与能观子系统分解10 分#

思路
  • 由A、B、C构造判据阵求秩,取非奇异变换阵作能控分解与能观分解,写出对应子系统。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断能控性能观性并作结构分解
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控判据阵M与能观判据阵N求秩
  • 关键一步:秩小于阶数时取变换阵作结构分解
  • 中间结果:能控子系统的状态维数等于能控判据阵的秩
  • 卡点:能控与能观判据阵的构造顺序写反
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
  • 本卷考过判断能控性能观性并作结构分解
  • 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
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由变换后状态空间写出子系统
本卷实例
  • 关键一步:用变换阵把A、B、C化为分解形式
  • 关键一步:按可控/可观模态切出对应子块
  • 中间结果:非奇异变换不改变系统的传递特性
  • 卡点:切子块时行列对应关系搞错
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
  • 本卷考过由变换后状态空间写出子系统
  • 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、零初值状态方程的解15 分#

思路
  • x(0)为零,分别求单位阶跃与单位斜坡输入下的状态方程解。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由(sI-A)逆求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:对(sI-A)求逆并作部分分式展开
  • 关键一步:逐项拉氏反变换得转移矩阵
  • 中间结果:转移矩阵各元素都是e的指数组合
  • 卡点:矩阵求逆时漏项或符号写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过由(sI-A)逆求状态转移矩阵
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 用卷积积分求零初值下的状态解
本卷实例
  • 关键一步:写出零初值下x(t)的卷积积分式
  • 关键一步:把输入与转移矩阵代入积分
  • 中间结果:零初值解只含零状态响应分量
  • 卡点:卷积积分换元时上下限写错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过用卷积积分求零初值下的状态解
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式

10十、状态反馈极点配置与全维观测器15 分#

思路
  • 把传函写成能控标准型,按期望极点配置状态反馈K,再设计全维观测器求增益阵,最后写闭环传函。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望闭环极点设计状态反馈矩阵K
本卷实例
  • 关键一步:由传函写能控标准型并验能控
  • 关键一步:比较实际与期望闭环特征式系数解K
  • 中间结果:闭环特征式由A加BK的行列式给出
  • 卡点: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
  • 本卷考过按期望闭环极点设计状态反馈矩阵K
  • 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
  • 设计特征值均为负5的全维观测器
本卷实例
  • 关键一步:由对偶关系构造观测器特征式
  • 关键一步:比较期望特征多项式求增益阵G
  • 中间结果:观测器极点远离虚轴可加快收敛
  • 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
  • 本卷考过设计特征值均为负5的全维观测器
  • 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
  • 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
  • 写出带观测器的状态反馈闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由含观测器的增广状态空间求传递函数
  • 关键一步:说明观测器极点与闭环传函极点的关系
  • 中间结果:观测器误差动态不出现在传递函数中
  • 卡点:漏掉输入变换或把观测器极点当闭环极点
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
  • 本卷考过写出带观测器的状态反馈闭环传递函数
  • 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
  • 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