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同济大学 825 自动控制理论(含现控) 2018 年真题思维导图

985 院校共 10 题

难度:中等 10题覆盖选择题、过程控制、运放RC电路与二阶响应、根轨迹与过阻尼范围、奈氏判据、串联滞后校正、状态转移矩阵、李雅普诺夫原理、由期望极点反求系统阵、采样系统稳定性

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1一、选择题(10小题)#

思路
  • 覆盖稳定性属性、反馈按偏差、Bode谐振峰、奈氏半穿越、频域法、Z域稳定、采样周期、滞后校正与斜坡误差等基本结论
本卷考法
  • 判断稳定性由系统本身还是外部输入决定
  • 判断反馈控制是按偏差还是按输入调节
本卷实例
  • 关键一步:稳定性是系统自身固有属性
  • 中间结果:与输入输出形式无关
  • 卡点:把输入幅值变化误当成改变稳定性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环系统按给定、比较、放大、执行、对象、检测六个环节串联成环
  • 按有无反馈分为开环、闭环与复合控制;按给定信号分为恒值、随动与程序控制
  • 检测变送元件把被控量转换成可比较的信号,是反馈通道的入口
  • 控制系统的基本要求是稳、准、快三条
步骤
  • 从工艺或物理描述里找出被控量与操纵量
  • 逐个指认给定、比较、控制、执行、对象与检测六个环节对应的实物
  • 按信号流向把环节串成闭环方框图
  • 说明系统靠什么维持被控量等于给定量
通用考法
  • 本卷考过判断稳定性由系统本身还是外部输入决定
  • 本卷考过判断反馈控制是按偏差还是按输入调节
  • 指出系统的被控对象、被控量与操纵量
  • 说明检测变送元件在闭环系统中的作用
  • 画出给定系统的闭环方框图并说明工作过程
常见易错
  • 把被控量与操纵量搞反
  • 只画方框图而不指认环节,或反之,漏答一半
本卷考法
  • 指出 Bode 图上二阶系统误差最大值对应的频率
本卷实例
  • 关键一步:误差峰值对应闭环幅频谐振峰
  • 中间结果:峰值出现在自然频率附近
  • 卡点:把谐振峰位置误判成截止频率
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 谐振峰值 Mr 越大振荡越强,通常要求 Mr 在 1.1 到 1.5 之间
  • 谐振频率 ωr 与峰值时间相关
  • 带宽频率 ωb 越大响应越快但抗噪能力下降
  • 由等 M 圆与等 N 圆可由开环频率特性求闭环特性
步骤
  • 由开环频率特性求闭环频率特性
  • 读出谐振峰值、谐振频率与带宽
  • 按经验公式估计超调量与调节时间
通用考法
  • 本卷考过指出 Bode 图上二阶系统误差最大值对应的频率
  • 由闭环幅频特性求谐振峰值与带宽
  • 由 Mr 估算超调量
  • 分析带宽与响应速度的关系
常见易错
  • 当 ξ>0.707 时仍套用谐振峰值公式
  • 把开环谐振与闭环谐振混为一谈
公式
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用开环右半平面极点数与半穿越数判断闭环稳定
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P
  • 中间结果:按 Z 等于 P 减两倍穿越差判稳
  • 卡点:半穿越的正负方向容易判反
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
  • 本卷考过用开环右半平面极点数与半穿越数判断闭环稳定
  • 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
  • 判断频域分析法主要依据稳态幅频与相频
本卷实例
  • 关键一步:频域法用正弦稳态幅值比与相位差
  • 中间结果:据此同时研究稳态与动态性能
  • 卡点:误以为频域法只反映瞬态特性
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
  • 本卷考过判断频域分析法主要依据稳态幅频与相频
  • 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
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 判断闭环极点不含右半平面与渐近稳定、BIBO 稳定的关系
本卷实例
  • 关键一步:先检查闭环极点是否都在左半平面
  • 中间结果:极点不含右半平面时输出有界
  • 卡点:本项借位 st_01 因知识库无 BIBO 专条
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
  • 本卷考过判断闭环极点不含右半平面与渐近稳定、BIBO 稳定的关系
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 判断 Z 域稳定且单调收敛的极点位置条件
本卷实例
  • 关键一步:极点须落在单位圆内
  • 中间结果:单调收敛还要求极点为正实数
  • 卡点:把单位圆内都当成单调收敛
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 Z 域稳定且单调收敛的极点位置条件
  • 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
本卷考法
  • 判断采样周期变大对离散系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:T 增大使离散极点靠近单位圆边界
  • 中间结果:稳定裕度变小、稳定性变差
  • 卡点:本题第8小题以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过判断采样周期变大对离散系统稳定性的影响
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 指出滞后校正利用高频幅值衰减换取稳定裕度
本卷实例
  • 关键一步:滞后网络在高频段衰减增益
  • 中间结果:低频增益不变而稳定裕度提高
  • 卡点:把滞后与超前的相角作用搞反
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
  • 本卷考过指出滞后校正利用高频幅值衰减换取稳定裕度
  • 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
本卷考法
  • 由斜坡输入下输出误差为零判断系统所需型别
本卷实例
  • 关键一步:斜坡无差要求系统至少为二型
  • 中间结果:开环应含两个积分环节
  • 卡点:把系统型别与开环增益大小混为一谈
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
  • 本卷考过由斜坡输入下输出误差为零判断系统所需型别
  • 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

2二、蒸汽温度控制系统过程简述#

思路
  • 由蒸汽温度控制系统示意图指认偏差、控制器、测量器,并简述闭环调节过程
本卷考法
  • 指出蒸汽温度控制系统的被控量、控制器与检测环节
本卷实例
  • 关键一步:按给定温度与实测温度比较得偏差
  • 中间结果:据偏差经控制器调加热量
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环系统按给定、比较、放大、执行、对象、检测六个环节串联成环
  • 按有无反馈分为开环、闭环与复合控制;按给定信号分为恒值、随动与程序控制
  • 检测变送元件把被控量转换成可比较的信号,是反馈通道的入口
  • 控制系统的基本要求是稳、准、快三条
步骤
  • 从工艺或物理描述里找出被控量与操纵量
  • 逐个指认给定、比较、控制、执行、对象与检测六个环节对应的实物
  • 按信号流向把环节串成闭环方框图
  • 说明系统靠什么维持被控量等于给定量
通用考法
  • 本卷考过指出蒸汽温度控制系统的被控量、控制器与检测环节
  • 指出系统的被控对象、被控量与操纵量
  • 说明检测变送元件在闭环系统中的作用
  • 画出给定系统的闭环方框图并说明工作过程
常见易错
  • 把被控量与操纵量搞反
  • 只画方框图而不指认环节,或反之,漏答一半
过程控制系统的组成与设计步骤 过程控制与检测仪表
本卷考法
  • 说明过程控制系统的组成与工作过程
本卷实例
  • 关键一步:按对象、检测变送、控制器、执行器梳理
  • 中间结果:画出闭环方框图并逐一指认环节
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 四大环节:被控对象、检测变送、控制器、执行器
  • 被控量是工艺上要维持的变量,操纵量是控制器输出所控制的变量
  • 扰动是影响被控量但不可控的变量
  • 设计步骤:定方案 → 选仪表 → 定参数 → 投运整定
步骤
  • 从工艺描述中找出被控量、操纵量与主要扰动
  • 判断扰动是否需要专门抑制(决定要不要加副回路)
  • 选择控制方案并画原理图与方框图
  • 说明系统的工作过程
通用考法
  • 本卷考过说明过程控制系统的组成与工作过程
  • 指出系统的被控量、操纵量与扰动量
  • 设计满足工艺要求的控制系统并画出原理图及方框图
  • 说明系统的工作过程
常见易错
  • 把被控量与操纵量搞反
  • 只画方框图不画原理图(或反之),漏答一半

3三、运放RC网络与二阶响应辨识#

思路
  • 由运放与RC网络列方程求闭环传函,再由超调量反求阻尼比、自然频率并计算峰值时间与电容值
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由运放与 RC 网络求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:从 RC 阻抗与运放虚短虚断列方程
  • 中间结果:整理成二阶标准形式
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过由运放与 RC 网络求闭环传递函数
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
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
  • 由超调量反求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式解出阻尼比
  • 中间结果:由一次项系数读出自然频率
  • 卡点:把标准形式的系数对应关系写错
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
  • 本卷考过由超调量反求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 由阻尼比与自然频率计算峰值时间
本卷实例
  • 关键一步:峰值时间只由阻尼比与自然频率决定
  • 中间结果:按欠阻尼公式代入计算
  • 卡点:把峰值时间与上升时间的公式搞混
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
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率计算峰值时间
  • 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

4四、根轨迹绘制与过阻尼R范围#

思路
  • 由开环传函画根轨迹,求分离点与过阻尼对应的参数范围
本卷考法
  • 按法则绘制含一个零点的三阶系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标开环零极点并定分支数
  • 中间结果:再算实轴段、渐近线与分离点
  • 卡点:渐近线夹角公式容易写错
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
  • 本卷考过按法则绘制含一个零点的三阶系统根轨迹
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 由分离点条件求根轨迹分离点
本卷实例
  • 关键一步:对幅值条件求导得分离点方程
  • 中间结果:代入求得的分离点算临界增益
  • 卡点:求得的根要筛选是否在根轨迹上
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
  • 本卷考过由分离点条件求根轨迹分离点
  • 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
  • 由根轨迹分离点判断过阻尼对应的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:过阻尼对应闭环极点全为实数
  • 中间结果:由分离点处增益取参数上下界
  • 卡点:把过阻尼与欠阻尼的参数区间取反
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
  • 本卷考过由根轨迹分离点判断过阻尼对应的参数范围
  • 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

5五、奈氏判据判断非最小相位系统#

思路
  • 由开环传函写幅频相频、画奈氏曲线并用奈氏判据判断闭环稳定性
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环传函画奈氏曲线并判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P
  • 中间结果:按穿越次数与方向计算 Z
  • 卡点:半穿越方向的正负号易判反
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
  • 本卷考过由开环传函画奈氏曲线并判断闭环稳定性
  • 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
  • 写出开环幅频与相频特性表达式
本卷实例
  • 关键一步:分别计算起点、终点与坐标轴交点
  • 中间结果:据此勾勒奈氏曲线形状
  • 卡点:相位累计时漏掉积分环节的负九十度
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
  • 本卷考过写出开环幅频与相频特性表达式
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 分析右半平面极点对奈氏曲线与稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:存在右半平面极点时 P 不为零
  • 中间结果:曲线从负实轴方向起始
  • 卡点:非最小相位的判据与最小相位不同
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
  • 本卷考过分析右半平面极点对奈氏曲线与稳定性的影响
  • 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

6六、串联滞后校正设计#

思路
  • 由给定截止频率与相角裕度要求设计串联滞后校正网络,并校验指标
本卷考法
  • 把截止频率与相角裕度指标折算到校正设计
本卷实例
  • 关键一步:先由原系统求截止频率与相角裕度
  • 中间结果:据此判断所需校正形式
  • 卡点:把截止频率与相位穿越频率混用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过把截止频率与相角裕度指标折算到校正设计
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联滞后校正网络满足给定截止频率与裕度
本卷实例
  • 关键一步:由相位条件选取新的截止频率
  • 中间结果:由幅值条件确定滞后网络衰减与转折频率
  • 卡点:两个转折频率的顺序容易写反
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满足给定截止频率与裕度
  • 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与幅值裕度并校验
本卷实例
  • 关键一步:校正后重新计算穿越频率与相角裕度
  • 中间结果:核验结果是否满足题目要求
  • 卡点:幅值裕度忘记取倒数
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与幅值裕度并校验
  • 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

7七、状态转移矩阵与零输入响应#

思路
  • 由二阶状态方程与初值求状态转移矩阵,再求输入为零时的状态响应
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵并计算零输入响应
本卷实例
  • 关键一步:先写状态矩阵 A 并求特征多项式
  • 中间结果:由预解矩阵取拉氏反变换得转移矩阵
  • 卡点:矩阵求逆时忽略行列式为零的可能
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计算零输入响应
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由给定状态方程写出 A、B 矩阵与初始条件
本卷实例
  • 关键一步:按题给二阶方程整理成矩阵形式
  • 中间结果:明确输入为零时的初值条件
  • 卡点:状态变量顺序与输出方程不对应
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
  • 本卷考过由给定状态方程写出 A、B 矩阵与初始条件
  • 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

8八、李雅普诺夫判稳原理阐述#

思路
  • 阐述李雅普诺夫意义下稳定、渐近稳定与不稳定的判据及 V 函数的构造思路
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 阐述李雅普诺夫第二法的判稳原理与适用条件
本卷实例
  • 关键一步:构造正定的标量函数 V
  • 中间结果:由 V 导数负定或半负定判定稳定性
  • 卡点:只判 V 正定而未检查其导数
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
  • 本卷考过阐述李雅普诺夫第二法的判稳原理与适用条件
  • 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
本卷考法
  • 说明李雅普诺夫方法在非线性系统稳定性分析中的作用
本卷实例
  • 关键一步:在平衡点附近构造 V 函数
  • 中间结果:按 V 与 V 导数的定号判稳定域
  • 卡点:把线性结论直接套到非线性系统
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过说明李雅普诺夫方法在非线性系统稳定性分析中的作用
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振

9九、由期望极点反求原系统A与B阵#

思路
  • 由状态反馈增益与期望闭环极点反求能控标准型下的原系统矩阵
本卷考法
  • 由期望特征多项式与反馈增益反求能控标准型
本卷实例
  • 关键一步:写出含待定系数的能控标准型
  • 中间结果:用反馈后特征多项式与期望式比较系数
  • 卡点:友矩阵系数符号容易写反
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
  • 本卷考过由期望特征多项式与反馈增益反求能控标准型
  • 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
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 用极点配置的系数对应关系反求原系统参数
本卷实例
  • 关键一步:先把期望极点乘成期望特征多项式
  • 中间结果:再与反馈后特征多项式逐项比较
  • 卡点:比较系数时符号写错导致阵元素错
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
  • 本卷考过用极点配置的系数对应关系反求原系统参数
  • 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

10十、采样系统稳态误差与响应类型#

思路
  • 由采样系统结构求脉冲传函,按稳态误差要求选增益,并分析单调衰减、衰减振荡与发散的增益范围
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样系统结构求开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先对连续部分加零阶保持器求 Z 变换
  • 中间结果:整理成含采样周期的脉冲传函
  • 卡点:忘记把零阶保持器计入脉冲传函
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求开环脉冲传递函数
  • 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
  • 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
  • 由稳态误差要求反求采样系统增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再对给定输入求稳态误差
  • 中间结果:令误差小于给定值解出增益范围
  • 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
  • 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
  • 本卷考过由稳态误差要求反求采样系统增益范围
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散特征方程与根轨迹分析响应类型
本卷实例
  • 关键一步:闭环特征方程在 z 域上判稳
  • 中间结果:按根轨迹在单位圆内外的分布分类响应
  • 卡点:把分离点对应的增益判错
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
  • 本卷考过由离散特征方程与根轨迹分析响应类型
  • 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