←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) 2024 年真题思维导图

985 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等偏难 全卷十题:结构图求输入与扰动传函、劳斯判据定等幅振荡参数并平移判实部、零度根轨迹与最小稳态误差、由对数幅频曲线反求传函并用对数稳定判据判稳、滞后校正设计、滞环继电非线性自振荡、采样系统脉冲传函与稳定范围、状态转移矩阵与时域解、能观性分解、能控能观判别加状态反馈与全维观测器。试题段为扫描页,题面据同册答案段补全,含结构图、对数曲线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、结构图求输入与扰动传函15 分#

思路
  • 由结构图画信号流图,用梅森公式分别求R到C与D到C的传递函数。
本卷考法
  • 由结构图画信号流图并用梅森公式求C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:标出全部回路与前向通路,判断回路是否互不接触
  • 中间结果:特征式为1减回路增益之和再加不接触回路乘积
  • 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
  • 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信号流图并用梅森公式求C(s)/R(s)
  • 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
本卷考法
  • 求扰动D(s)单独作用下的输出C(s)/D(s)
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,只保留扰动到输出的前向通路
  • 中间结果:扰动传函分母与输入传函共用同一特征式
  • 卡点:求D到C时别把R通道的分量一起算进去
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
  • 本卷考过求扰动D(s)单独作用下的输出C(s)/D(s)
  • 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
  • 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

2二、劳斯判据与等幅振荡参数15 分#

思路
  • 由特征方程列劳斯表,利用等幅振荡条件定K与a;再平移变量检查闭环根实部能否全小于-1。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据由等幅振荡条件确定K与a
本卷实例
  • 关键一步:令劳斯表首列相应元素为零并联立辅助方程
  • 中间结果:系统有纯虚根时辅助方程与首列条件同时成立
  • 卡点:首列出现零元时要改用辅助方程判断
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由等幅振荡条件确定K与a
  • 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
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 判断平移后能否使全部闭环根实部小于-1
本卷实例
  • 关键一步:令s=s'-1把实部条件平移为虚轴稳定问题
  • 中间结果:平移后代数判据要求劳斯表首列全部同号
  • 卡点:首列一旦出现小于零的元素即可否定该要求
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳定条件是一组关于参数的不等式
  • 区间端点通常对应临界稳定,即根落在虚轴上
  • 稳定域是不等式组的交集
步骤
  • 由劳斯表首列各元素大于零列出不等式组
  • 逐个解不等式并取交集
  • 检查端点是否为临界稳定
通用考法
  • 本卷考过判断平移后能否使全部闭环根实部小于-1
  • 求使系统稳定的参数上界或下界
  • 判断某参数取值是否满足稳定要求
  • 比较不同参数对稳定域大小的影响
常见易错
  • 只列出部分首列元素的不等式,漏掉某个约束
  • 取交集时把端点是否包含搞错
公式

3三、零度根轨迹与最小稳态误差15 分#

思路
  • 把开环写为零度根轨迹形式,画渐近线、分离点与虚轴交点定稳定范围,再求最小稳态误差。
本卷考法
  • 含右半平面开环零极点时绘制零度根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按零度根轨迹用2kπ相角条件,不套180°判据
  • 中间结果:根轨迹为以实轴某点为圆心的圆弧段
  • 卡点:先判断开环零极点是否在右半平面再定相角条件
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
  • 本卷考过含右半平面开环零极点时绘制零度根轨迹
  • 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
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求该零度根轨迹的分离点
本卷实例
  • 关键一步:由1/GH对s求导为零列分离点方程
  • 中间结果:落在实轴根轨迹段内的根才是有效分离点
  • 卡点:另一根不在根轨迹段上须舍去
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
  • 本卷考过求该零度根轨迹的分离点
  • 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
本卷考法
  • 由根轨迹与虚轴交点确定稳定K范围
本卷实例
  • 关键一步:令s=jω代入特征方程,实部虚部分别为零
  • 中间结果:由交点频率解出临界增益K
  • 卡点:还要用实轴交点条件补齐K的下界
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交点确定稳定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
  • 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
  • 求单位阶跃输入下稳态误差的最小绝对值
本卷实例
  • 关键一步:先由误差系数写出阶跃误差表达式,再在稳定域内取极值
  • 中间结果:稳态误差绝对值随K单调变化,取稳定边界处的值
  • 卡点:必须在稳定K范围内取值,不能超出稳定域
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下稳态误差的最小绝对值
  • 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

4四、对数幅频曲线反求传函与判稳15 分#

思路
  • 由低频斜率定系统型别、转折频率写各环节,再由截止频率定增益;再画相频曲线判稳。
本卷考法
  • 由对数幅频特性曲线反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按低频段斜率与高度确定型别与开环增益
  • 中间结果:各转折频率对应惯性或一阶微分环节
  • 卡点:幅频曲线无法区分(s+1)与(s-1),须用极点信息定符号
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开环传递函数
  • 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
本卷考法
  • 由题给右半平面极点判断系统非最小相位性质
本卷实例
  • 关键一步:先数右半平面开环零极点个数再确定相频初值
  • 中间结果:相频从右半平面极点贡献的滞后角起步
  • 卡点:题面称有右半平面极点,但宝典答案按左半平面极点求解,需回原卷核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过由题给右半平面极点判断系统非最小相位性质
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
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:由相频曲线对-180°线的穿越次数与右半平面极点数判稳
  • 中间结果:相角裕度大于零且幅值裕度不存在时系统稳定
  • 卡点:右半平面极点数不为零时穿越次数要求相应改变
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

5五、滞后校正网络设计18 分#

思路
  • 由Kv定开环增益,算校正前ωc与相角裕度;再按滞后校正选新ωc定b与T并检验。
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联滞后校正网络使速度误差系数与相角裕度达标
本卷实例
  • 关键一步:先在满足相角裕度的频率上取新截止频率,再由衰减量定b
  • 中间结果:滞后网络的两个转折频率分别取在新截止频率的零点几倍
  • 卡点:转折频率取得过高会抵消相位改善
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
  • 本卷考过设计串联滞后校正网络使速度误差系数与相角裕度达标
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 计算校正前后的相角裕度并检验是否满足要求
本卷实例
  • 关键一步:在截止频率处累加各环节相角求相角裕度
  • 中间结果:校正前相角裕度为负,校正后需留出设计余量
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率别用反
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
  • 本卷考过计算校正前后的相角裕度并检验是否满足要求
  • 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
本卷考法
  • 由转折频率画开环对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:从低频段起逐段按转折频率改变斜率
  • 中间结果:各段斜率依次累加而不是替换
  • 卡点:低频段起始高度要计入型别带来的负斜率
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
  • 本卷考过由转折频率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
  • 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

6六、滞环继电非线性自振荡17 分#

思路
  • 求滞环继电描述函数,画负倒描述函数与线性部分频率特性,由交点求自振并讨论T影响。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出带滞环继电特性的描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义对滞环特性做基波近似
  • 中间结果:描述函数同时含实部与虚部,虚部为常值
  • 卡点:描述函数只保留基波,多次谐波被忽略
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
  • 本卷考过写出带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
  • 由频率特性与负倒描述函数交点确定自振幅值与频率
本卷实例
  • 关键一步:令G(jω)的虚部与负倒描述函数虚部相等解频率
  • 中间结果:实部相等方程给出交点处对应的振幅
  • 卡点:要用负倒描述函数并注明A的增大方向
  • 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
  • 本卷考过由频率特性与负倒描述函数交点确定自振幅值与频率
  • 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
  • 分析线性部分时间常数T对自振荡性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:把T保留在频率特性中,重新解交点条件
  • 中间结果:自振频率随T增大而增大,振幅随T增大而减小
  • 卡点:别把自振频率与截止频率混为一谈
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
  • 本卷考过分析线性部分时间常数T对自振荡性能的影响
  • 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、采样系统脉冲传函与稳定范围15 分#

思路
  • 由结构图求开环脉冲传函与闭环传函,用朱利判据定K范围,再由斜坡稳态误差约束反求K。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样系统结构图求闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先把连续部分与零阶保持器合并取z变换得开环脉冲传函
  • 中间结果:闭环传函分母即特征方程对应的z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
  • 本卷考过由采样系统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
  • 用朱利判据确定系统稳定时的K值范围
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程写成z的二次多项式并列朱利表
  • 中间结果:稳定条件由边界点取值与常数项绝对值给出
  • 卡点:稳定条件写成模小于1而不是实部小于零
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
  • 本卷考过用朱利判据确定系统稳定时的K值范围
  • 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
  • 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
  • 由斜坡输入稳态误差要求反求K值范围
本卷实例
  • 关键一步:写出误差脉冲传函并用终值定理求稳态误差
  • 中间结果:斜坡分量贡献的稳态误差与K和采样周期T有关
  • 卡点:用终值定理前必须确认系统稳定
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
  • 本卷考过由斜坡输入稳态误差要求反求K值范围
  • 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、状态转移矩阵与时域解15 分#

思路
  • 由(sI-A)的逆求状态转移矩阵,再用转移矩阵与卷积积分求给定初值和阶跃输入下的时域解。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵并求给定初值与阶跃输入下的时域解
本卷实例
  • 关键一步:对(sI-A)的逆作拉氏反变换得到状态转移矩阵
  • 中间结果:全响应为零输入响应与零状态卷积积分之和
  • 卡点:矩阵求逆与部分分式展开易丢项,卷积代换别写错
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
  • 本卷考过求状态转移矩阵并求给定初值与阶跃输入下的时域解
  • 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

9九、能观性判别与能观分解10 分#

思路
  • 由A、B、C构造能观性矩阵求秩,不满秩时取非奇异变换阵作能观性分解,写出能观子系统。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断三阶系统是否完全能观并求能观子系统
本卷实例
  • 关键一步:构造Qo=[C;CA;CA²]并求其秩
  • 中间结果:能观性矩阵的秩小于阶数时系统不完全能观
  • 卡点:变换阵取法要保证能观子系统的输出阵为简单形式
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
  • 本卷考过判断三阶系统是否完全能观并求能观子系统
  • 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

10十、能控能观判别与状态反馈观测器15 分#

思路
  • 先判能控能观性,再比较期望与实际闭环特征式求反馈阵,最后求观测器增益阵。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断二阶系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控性矩阵[B AB]与能观性矩阵[C;CA]求秩
  • 中间结果:两个矩阵均满秩时系统既能控又能观
  • 卡点:秩判据要与系统阶数比较,别只看行列式非零
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
  • 本卷考过判断二阶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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈把闭环极点配置为-1±j
本卷实例
  • 关键一步:先验证能控性,再写期望特征多项式(s+1)²+1
  • 中间结果:比较det(sI-A+BK)与期望多项式系数解出反馈阵
  • 卡点:闭环特征式里反馈阵元素的符号易写反
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把闭环极点配置为-1±j
  • 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
  • 设计极点为-5±j5的全维状态观测器
本卷实例
  • 关键一步:比较det(sI-A+GC)与期望特征多项式系数求增益阵
  • 中间结果:观测器增益阵按列向量形式作用于输出误差
  • 卡点:观测器增益阵与状态反馈增益阵的形式别混
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
  • 本卷考过设计极点为-5±j5的全维状态观测器
  • 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
  • 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