←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

山东大学 847 自动控制理论(含现控) 2017 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等偏难 全卷十题:两图结构图求传函、由阶跃响应反求G1并算动态指标、根轨迹与稳定范围及指定极点、对数幅频特性与滞后校正评价、由Bode图反求传函与滞后校正参数、非线性系统振荡条件、离散系统稳态误差、串联与并联组合系统能控能观及传函、由状态响应反求系统矩阵、状态反馈与全维观测器。含结构图、Bode图与非线性结构图等多张插图。

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、由结构图求传递函数15 分#

思路
  • 分别对(a)、(b)两图找前向通路与回路,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:标出各前向通路与独立回路
  • 关键一步:找互不接触回路并写余子式
  • 中间结果:特征式为1减回路增益和再加不接触回路乘积
  • 卡点:不接触回路找漏或重复计数
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
  • 含多个局部反馈结构图的逐层化简
本卷实例
  • 关键一步:先合并并联与局部反馈支路
  • 关键一步:再按信号流向逐层化简到单一回路
  • 中间结果:多回路图化简后分母即特征式
  • 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
  • 本卷考过含多个局部反馈结构图的逐层化简
  • 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单位阶跃响应反求G1(s),再求闭环传函,计算稳态输出、峰值时间、超调量与调节时间。
本卷考法
  • 由单位阶跃响应反求G1(s)
本卷实例
  • 关键一步:对响应取拉氏变换并除以单位阶跃变换
  • 关键一步:整理成尾一形式读增益与时间常数
  • 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
  • 本卷考过由单位阶跃响应反求G1(s)
  • 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:由一次项系数求阻尼比
  • 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
  • 计算峰值时间、超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由ξ、ωn代入各动态指标公式
  • 关键一步:注意题目指定的误差带对应系数
  • 中间结果:ξ为0.5时超调量适中
  • 卡点:峰值时间与上升时间公式混用
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
  • 本卷考过计算峰值时间、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
  • 求阶跃输入下的稳态输出
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再由终值定理求c(∞)
  • 关键一步:由闭环直流增益乘输入幅值校验
  • 中间结果:稳态输出取决于闭环直流增益
  • 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
  • 本卷考过求阶跃输入下的稳态输出
  • 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、根轨迹与稳定范围及指定极点15 分#

思路
  • 画根轨迹求分离点与虚轴交点,定衰减振荡的Kg范围,再由闭环极点负2反求Kg与另一极点。
本卷考法
  • 按法则绘制根轨迹并求分离点
本卷实例
  • 关键一步:标出开环零极点并判实轴段
  • 关键一步:由dK/ds为零列分离点方程并筛选
  • 中间结果:两个极点一个零点时复数支为圆弧
  • 卡点:求出的分离点未回代根轨迹段筛选
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
  • 由虚轴交点确定衰减振荡的Kg范围
本卷实例
  • 关键一步:令s=jw代入特征方程解交点与临界Kg
  • 关键一步:结合实轴分离点划分参数区间
  • 中间结果:根为共轭复根且实部小于零时为衰减振荡
  • 卡点:把稳定范围与衰减振荡范围混为一谈
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衰减振荡的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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 由指定闭环极点反求Kg与另一极点
本卷实例
  • 关键一步:把s等于负2代入幅值条件求Kg
  • 关键一步:再由根之积或特征方程求另一根
  • 中间结果:特征方程两根之和由Kg决定
  • 卡点:只代幅值条件不核对其余根的位置
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
  • 本卷考过由指定闭环极点反求Kg与另一极点
  • 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

4四、对数幅频特性与滞后校正评价15 分#

思路
  • 画G(s)=20/[s(s+1)(s+4)]的对数幅频曲线,求ωc与γ,判断串联滞后校正能否改善相对稳定性。
本卷考法
  • 绘制开环对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:由型别与增益定低频段斜率和高度
  • 关键一步:遇转折频率逐段累加斜率
  • 中间结果:两个转折频率把频段分为三段
  • 卡点:逐段改斜率时忘记累加
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
  • 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
  • 求幅值穿越频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:按频段近似式解幅值等于1的频率
  • 关键一步:在该频率处累加相角求γ
  • 中间结果:γ为负时闭环系统不稳定
  • 卡点:把相位穿越频率误当幅值穿越频率
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
  • 本卷考过求幅值穿越频率与相角裕度
  • 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
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 判断滞后校正能否改善相对稳定性
本卷实例
  • 关键一步:分析滞后网络在穿越频率处引入相位滞后
  • 关键一步:结合原系统相角裕度正负给结论
  • 中间结果:原系统不稳定时单靠滞后校正难以改善
  • 卡点:只看幅值衰减而忽略附加相位滞后
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
  • 本卷考过判断滞后校正能否改善相对稳定性
  • 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

5五、由Bode图反求传函与滞后校正参数18 分#

思路
  • 由对数幅频渐近线反求G(s),用对数判据判稳;再在保持裕度与穿越频率不变下选滞后网络参数把斜坡误差减半。
本卷考法
  • 由对数幅频特性曲线反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定型别与增益
  • 关键一步:按各转折频率写对应一阶环节
  • 中间结果:转折处斜率变化20dB/dec对应一个一阶环节
  • 卡点:把延长线交点误当低频段增益
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
  • 本卷考过由对数幅频特性曲线反求传递函数
  • 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
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:最小相位系统取P为零
  • 关键一步:由相频对负180度线的穿越次数判稳
  • 中间结果:无穿越且P为零时闭环稳定
  • 卡点:穿越次数正负号定义搞反
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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 选串联滞后网络参数使稳态误差减半且裕度不变
本卷实例
  • 关键一步:由误差减半要求确定附加增益Kc
  • 关键一步:在穿越频率处由衰减量定时间常数
  • 中间结果:滞后网络转折频率安排在穿越频率左侧
  • 卡点:转折频率取高会削弱相位裕度
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
  • 本卷考过选串联滞后网络参数使稳态误差减半且裕度不变
  • 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

6六、非线性系统振荡条件17 分#

思路
  • 由非线性环节负倒描述函数与线性部分频率特性求交点,导出系统产生自振时各参数的约束条件。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出含常数项的非线性环节描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义对非线性特性取基波
  • 关键一步:整理成随振幅单调变化的实函数
  • 中间结果:描述函数随振幅单调变化时负倒曲线在负实轴
  • 卡点:把描述函数与频率特性混为一谈
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
  • 本卷考过写出含常数项的非线性环节描述函数
  • 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
  • 由负倒描述函数与G(jw)实轴交点判断自振
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分与负实轴的交点
  • 关键一步:比较交点幅值与负倒曲线范围
  • 中间结果:交点落在负倒曲线范围内时存在自振
  • 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
  • 本卷考过由负倒描述函数与G(jw)实轴交点判断自振
  • 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
  • 写出产生振荡时各参数的约束关系
本卷实例
  • 关键一步:把交点大小关系写成参数不等式
  • 关键一步:整理成增益与时间常数的组合条件
  • 中间结果:约束同时含增益乘积与时间常数之和
  • 卡点:只比较幅值而漏掉相位穿越条件
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
  • 本卷考过写出产生振荡时各参数的约束关系
  • 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、离散系统稳态误差#

思路
  • 由采样系统结构图求开环与误差脉冲传函,判稳后用终值定理求r(t)=1+t+t²/2下的稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样结构图求脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:判断哪些环节可一起取z变换
  • 关键一步:按结构图写开环与误差脉冲传函
  • 中间结果:误差脉冲传函分母对应闭环特征式
  • 卡点:把无采样开关隔开的连续环节直接相乘离散
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
  • 先用朱利判据判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程
  • 关键一步:检查端点取值与常数项条件
  • 中间结果:终端必需求值前先确认特征根在单位圆内
  • 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
  • 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
  • 本卷考过先用朱利判据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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求加速度组合输入下的离散稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:分别写出阶跃斜坡抛物线分量的z变换
  • 关键一步:由误差传函代入终值定理逐项求误差
  • 中间结果:各分量误差由相应误差系数决定
  • 卡点:直接用连续域静态误差系数处理离散系统
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
  • 本卷考过求加速度组合输入下的离散稳态误差
  • 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、串联与并联组合系统的能控能观及传函15 分#

思路
  • 把两个子系统按串联与并联方式组合,分别写组合状态空间,判能控能观并求传递函数。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断组合系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:按组合方式写出A、B、C矩阵
  • 关键一步:分别构造能控与能观判据阵求秩
  • 中间结果:秩等于状态维数时既可控又可观
  • 卡点:能控与能观判据阵构造顺序写反
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
  • 本卷考过判断组合系统的能控性与能观性
  • 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
本卷考法
  • 求组合系统的传递函数并检查零极点对消
本卷实例
  • 关键一步:由传递函数矩阵公式求输出对输入之比
  • 关键一步:整理时检查是否存在零极点对消
  • 中间结果:存在零极点对消时组合系统不一定完全能控能观
  • 卡点:漏掉直接传递项或把特征值直接当传函极点
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
  • 本卷考过求组合系统的传递函数并检查零极点对消
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由子系统写组合系统的状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:串联时把前一子系统输出作为后一子系统输入
  • 关键一步:并联时输出相加、输入共用
  • 中间结果:串联状态维数是两子系统维数之和
  • 卡点:串联顺序搞反导致A阵写错
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
  • 本卷考过由子系统写组合系统的状态空间表达式
  • 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、由状态响应反求系统矩阵A10 分#

思路
  • 由两组初态与状态响应构造状态转移矩阵,利用转移矩阵在零时刻的导数求A。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由两组状态响应构造状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:把两组解按列拼成响应矩阵
  • 关键一步:右乘初态矩阵的逆得转移矩阵
  • 中间结果:转移矩阵由两个指数模态组合而成
  • 卡点:初值矩阵求逆时行列式为零导致失效
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
  • 本卷考过由两组状态响应构造状态转移矩阵
  • 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
  • 由转移矩阵在零时刻的导数求A
本卷实例
  • 关键一步:对转移矩阵逐元素求导
  • 关键一步:取t等于零得系统矩阵A
  • 中间结果:A等于转移矩阵在零时刻的导数
  • 卡点:求导后未取t为零直接读数
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
  • 本卷考过由转移矩阵在零时刻的导数求A
  • 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、状态反馈与全维观测器及闭环传函15 分#

思路
  • 由传函写能控标准型,按期望极点设计K,再设计极点均为负10的全维观测器,写带观测器的闭环传函。
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
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: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
  • 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
  • 设计极点均为负10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:与期望特征多项式比较求增益阵
  • 中间结果:重极点要求期望特征式为完全平方
  • 卡点:把观测器增益阵写成状态反馈阵的形式
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
  • 本卷考过设计极点均为负10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函
本卷实例
  • 关键一步:由含观测器的增广状态空间求传函
  • 关键一步:说明传函极点只含状态反馈配置的极点
  • 中间结果:观测器误差动态不出现在输入输出传函中
  • 卡点:把观测器极点当成闭环传函极点
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函
  • 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