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中国海洋大学 842 自动控制理论(含现控) 2015 年真题思维导图

985 院校共 8 题合计 150 分

难度:中等 卷首未印题数;正文为一、简答题8小题 + 二~八共7道计算大题,按并块口径共8个板块;面试型简答覆盖传递函数、频率特性、非线性、校正与最优控制,计算题覆盖零极点与性能、状态空间唯一性证明、电路状态空间、框图参数、离散稳定性、奈氏判据、状态响应

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1简答题(共8小题)48 分#

思路
  • 8个小题分别考传递函数与物理结构无关、频率特性的实验求取、经典理论为何不适用于时变系统、滞环特性、有源与无源校正装置、经典最优控制三种方法、参数根轨迹的意义、观测器与Kalman滤波器的关系。
本卷考法
  • 为什么物理性质不同的系统传递函数可能相同,并举例说明(借位 tf_01)
本卷实例
  • 关键一步:从传递函数只由系统结构与参数决定、不反映物理结构入手
  • 中间结果:RLC电网络与弹簧阻尼机械系统可选参数使其二阶传递函数相同
  • 卡点:误以为传递函数能唯一反映物理结构;只答结论不举例
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过为什么物理性质不同的系统传递函数可能相同,并举例说明(借位 tf_01)
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
公式
本卷考法
  • 说明如何用实验方法求取系统的频率特性函数
本卷实例
  • 关键一步:用信号发生器逐点加正弦激励,示波器采集稳态输入输出
  • 中间结果:改变频率测幅值比与相位差,即得幅频与相频特性
  • 卡点:必须在稳态下测量;漏掉逐点变频这一过程
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
  • 本卷考过说明如何用实验方法求取系统的频率特性函数
  • 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
  • 说明经典控制理论为何不适用于时变系统的分析与设计(借位 tf_01)
本卷实例
  • 关键一步:传递函数以线性定常系统和零初始条件为前提
  • 中间结果:时变系统为变系数微分方程,无法用定常传递函数描述
  • 卡点:把不适用简单归因于非线性,忽略时变即变系数的本质
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过说明经典控制理论为何不适用于时变系统的分析与设计(借位 tf_01)
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
公式
本卷考法
  • 描述典型非线性环节中的滞环(齿隙)特性
本卷实例
  • 关键一步:滞环的正反向特性不重合,输入输出曲线围成一闭合回路
  • 中间结果:该特性增大稳态误差、加剧振荡,甚至导致系统不稳定
  • 卡点:把滞环与死区、饱和特性混为一谈
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
  • 本卷考过描述典型非线性环节中的滞环(齿隙)特性
  • 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
本卷考法
  • 比较有源与无源校正装置的特点,并说明作用是否相同
本卷实例
  • 关键一步:从有无放大器、输入输出阻抗、增益与稳定性三方面对比
  • 中间结果:无源网络只衰减且阻抗不匹配;有源网络增益可调但特性易漂移
  • 卡点:误以为有源与无源校正实现的校正规律不能相同
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
  • 本卷考过比较有源与无源校正装置的特点,并说明作用是否相同
  • 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
本卷考法
  • 列举经典最优控制设计方法之一:古典变分法
本卷实例
  • 关键一步:把最优控制问题化为泛函极值问题
  • 中间结果:用欧拉-拉格朗日方程与横截条件求极值函数
  • 卡点:边界条件多于两个时漏掉导数端点条件
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
  • 本卷考过列举经典最优控制设计方法之一:古典变分法
  • 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
  • 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
  • 列举经典最优控制设计方法之二:极大值原理
本卷实例
  • 关键一步:构造哈密顿函数并写正则方程组
  • 中间结果:在约束下取哈密顿函数极值确定最优控制
  • 卡点:终端自由与固定的横截条件用反
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
  • 本卷考过列举经典最优控制设计方法之二:极大值原理
  • 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
  • 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
  • 列举经典最优控制设计方法之三:动态规划
本卷实例
  • 关键一步:按贝尔曼最优性原理从终端向前倒推
  • 中间结果:逐拍比较代价函数,得各拍最优控制与最优轨线
  • 卡点:倒推时漏掉当前拍的阶段代价或二次项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散最优控制按拍倒推,每一拍都把当前代价与剩余代价一起优化
  • 最优性能指标可写成状态二次型的形式,递推求出系数矩阵
  • 最优控制是状态的线性反馈,反馈系数由递推关系逐拍确定
步骤
  • 写出状态方程与性能指标,确认终端项与阶段代价的形式
  • 从最后一拍开始倒推,求该拍的代价函数与最优控制
  • 把结果代入前一拍继续倒推,直到初始拍
  • 得到各拍的最优控制后,沿状态方程正向递推求出最优轨线
通用考法
  • 本卷考过列举经典最优控制设计方法之三:动态规划
  • 用动态规划法求各拍的最优控制与最优轨线
  • 写出倒推过程中的代价函数与最优控制表达式
  • 由给定初值计算最优控制的数值
常见易错
  • 倒推时漏掉当前拍的阶段代价或被控量二次项
  • 求最优控制时忘记把下一拍的状态用状态方程代入当前拍的表达式
公式
本卷考法
  • 说明研究参数根轨迹的意义
本卷实例
  • 关键一步:参数根轨迹研究除开环增益外其他参数变化时闭环极点的移动
  • 中间结果:常规根轨迹只以增益为变量,参数根轨迹可研究时间常数等
  • 卡点:把参数根轨迹与常规根轨迹的变量混为一谈
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
  • 本卷考过说明研究参数根轨迹的意义
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 简述状态观测器与状态Kalman滤波器的联系与区别
本卷实例
  • 关键一步:两者都由动态方程递推估计,并用测量值加权校正
  • 中间结果:观测器假设无噪声、追求估计误差收敛到零;滤波器在噪声下求误差平方期望最小
  • 卡点:把观测器与滤波器的理论前提说成完全等价
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
  • 本卷考过简述状态观测器与状态Kalman滤波器的联系与区别
  • 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

2论述闭环零点极点与性能指标的关系15 分#

思路
  • 从稳定性、动态性能、响应形式三方面说明闭环极点决定响应模态与衰减快慢;闭环零点决定各模态权重并影响超调;再用主导极点与偶极子说明高阶系统的近似。
本卷考法
  • 论述闭环极点、零点与系统性能指标之间的关系
本卷实例
  • 关键一步:极点位置决定响应模态与衰减速率,零点改变各模态的权重
  • 中间结果:左半平面极点稳定;极点越靠左衰减越快;零点使峰值提前、超调增大
  • 卡点:只讨论极点而忽略闭环零点对超调量的放大作用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 极点决定响应由哪些模态组成,零点决定各模态的权重
  • 左半平面极点对应衰减,右半平面对应发散,虚轴对应等幅振荡
  • 离虚轴最近的极点为主导极点,主导响应的形状
  • 共轭复极点产生振荡,实极点产生单调分量
步骤
  • 求特征方程得到全部闭环极点
  • 按实数/共轭复数分类,写出对应模态
  • 找出主导极点对,近似为低阶系统
  • 结合零点判断各模态权重大小
通用考法
  • 本卷考过论述闭环极点、零点与系统性能指标之间的关系
  • 由极点分布写出响应的大致形式
  • 判断系统是单调还是振荡、是否收敛
  • 用主导极点概念把高阶系统近似为二阶系统
常见易错
  • 只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
公式
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 用主导极点与偶极子说明高阶系统的降阶近似
本卷实例
  • 关键一步:取最靠近虚轴且附近无零点的极点作主导极点
  • 中间结果:远离原点的偶极子可忽略,靠近原点的偶极子需保留
  • 卡点:只看极点到虚轴距离而不看其留数(零点会削弱该模态)
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过用主导极点与偶极子说明高阶系统的降阶近似
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式

3证明状态空间表达不唯一而传递函数矩阵唯一14 分#

思路
  • 引入非奇异线性变换 x=Px̃,得新实现 (P⁻¹AP, P⁻¹B, CP, D),利用中间矩阵求逆的相似变换相互抵消,证明传递函数矩阵不变。
本卷考法
  • 证明同一系统不同状态空间实现对应的输入输出传递函数矩阵相同
本卷实例
  • 关键一步:作非奇异线性变换 x=Px̃,同步变换 A、B、C
  • 中间结果:利用 (P⁻¹(sI−A)P)⁻¹=P⁻¹(sI−A)⁻¹P 使中间因子相消
  • 卡点:漏掉 (P⁻¹(sI−A)P)⁻¹=P⁻¹(sI−A)⁻¹P 这一中间步骤,结论无据
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
  • 本卷考过证明同一系统不同状态空间实现对应的输入输出传递函数矩阵相同
  • 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

4RLC网络状态空间表达式14 分#

思路
  • 选电感电流 i_L 与电容电压 u_C 为状态,对含 L、C 的回路列 KVL、节点列 KCL,消去非状态变量后整理成 ẋ=Ax+Bu、y=Cx。
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由 RLC 电路电压电流关系建立状态方程,求状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:对含 L 与 C 的回路列 KVL、节点列 KCL,把两个状态导数解出来
  • 中间结果:电感电流导数由电感方程整理,电容电压导数由电容电流方程整理
  • 卡点:电路图为原卷插图,元件连接与状态变量取法需回原卷核对图
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 RLC 电路电压电流关系建立状态方程,求状态空间表达式
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 选 i_L、u_C 为状态变量写出 A、B、C 矩阵
本卷实例
  • 关键一步:把两个一阶微分方程整理为 ẋ=Ax+Bu 的标准矩阵形式
  • 中间结果:输出 y=u_C 对应 C=[0 1],无直接传递项 D=0
  • 卡点:状态变量个数与二阶系统不匹配(应为两个状态)
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
  • 本卷考过选 i_L、u_C 为状态变量写出 A、B、C 矩阵
  • 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

5框图化简易求二阶系统参数15 分#

思路
  • 由框图逐层化简求闭环传递函数,与典型二阶系统标准式对照,代入 ω_n=6、ζ=1,比较常数项与一次项系数解出 K_1、K_2。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由多回路系统框图逐层化简求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先化简内环,再与串联环节合并成整体闭环传函
  • 中间结果:闭环传函化为 ω_n²/(s²+2ζω_n s+ω_n²) 的标准形式
  • 卡点:框图含原卷插图,内环反馈支路与增益位置需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由多回路系统框图逐层化简求闭环传递函数
  • 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
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由给定 ω_n 与 ζ 反求框图参数 K_1、K_2
本卷实例
  • 关键一步:对照标准式令常数项=ω_n²、一次项系数=2ζω_n
  • 中间结果:ω_n²=25K_1、0.8+25K_1K_2=2ζω_n,联立可解 K_1、K_2
  • 卡点:把开环增益误当闭环传函系数;方程联立时符号出错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由给定 ω_n 与 ζ 反求框图参数 K_1、K_2
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式

6离散系统脉冲传递函数与稳定K范围15 分#

思路
  • 把零阶保持器与被控对象作为一个整体求开环脉冲传函 G(z),由 1+G(z)=0 写闭环特征方程,列朱莉判据不等式组求稳定 K 范围。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散系统结构图求开环脉冲传递函数 G(z)
本卷实例
  • 关键一步:按采样开关位置确定哪些环节整体做 z 变换
  • 中间结果:G(z) 化简后分子含 K,分母为 z 的多项式
  • 卡点:采样开关位置不同 G(z) 不同,结构图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由离散系统结构图求开环脉冲传递函数 G(z)
  • 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
  • 用朱莉判据求使离散系统稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列出朱莉判据不等式组
  • 中间结果:需同时满足 D(1)>0、D(−1) 的符号条件与常数项绝对值小于 1
  • 卡点:漏掉某个朱莉条件;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
  • 本卷考过用朱莉判据求使离散系统稳定的 K 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

7开环幅相曲线与奈氏判据求稳定K范围15 分#

思路
  • 令 s=jω 代开环传函,求曲线起点、终点与负实轴交点;由开环无右半平面极点得 P=0,按 Z=P−2N 数包围圈数得稳定 K 范围。
本卷考法
  • 求开环频率特性,确定幅相曲线起点、终点与负实轴交点
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 代入 G(s),分别求 ω→0、ω→∞ 与相角 −180° 处
  • 中间结果:负实轴交点横坐标为 −K/11,对应 ω_g=√10
  • 卡点:漏掉积分环节的 −90° 起始相角;曲线需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求开环频率特性,确定幅相曲线起点、终点与负实轴交点
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由幅相曲线用奈奎斯特判据求使闭环稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:由开环无右半平面极点得 P=0,数曲线包围 (−1,j0) 的圈数 N
  • 中间结果:交点位于 (−1,j0) 右侧时 Z=0,系统稳定
  • 卡点:包围圈数正负号与绕过方向搞反;漏判临界穿越点
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
  • 本卷考过由幅相曲线用奈奎斯特判据求使闭环稳定的 K 范围
  • 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

8状态转移矩阵与状态响应14 分#

思路
  • 先求状态转移矩阵 e^{At}=L⁻¹[(sI−A)⁻¹],再用 x(t)=e^{At}x(0)+∫₀ᵗ e^{A(t−τ)}Bu(τ)dτ 计算斜坡输入下的状态响应。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵,并计算给定初值与输入下的状态响应
本卷实例
  • 关键一步:对角阵 A 的矩阵指数为对角元 e^{−at}、e^{−bt},卷积项逐分量积分
  • 中间结果:第二项积分出现 t/a 与 (1−e^{−at})/a² 形式
  • 卡点:卷积积分变量代换出错;输入是斜坡 u=t 而非阶跃
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,并计算给定初值与输入下的状态响应
  • 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