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中国海洋大学 842 自动控制理论(含现控) 2024 年真题思维导图

985 院校共 8 题

难度:中等 宝典真题段注明为 24 年考生回忆版,无分值;正文为简答题8小题 + 二~八共7道计算大题,按并块口径共8个板块;简答覆盖反馈与稳定性、最优控制、延迟环节、积分控制、观测器;计算覆盖根轨迹论述、扰动稳态误差、状态空间极点配置、对数幅频渐近线证明、RC 网络状态空间与稳定性、离散系统稳定性与稳态误差、库伦摩擦相平面

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1简答题(共8小题)#

思路
  • 8个小题分别考正负反馈的区分与负反馈的意义、相对稳定性指标、二次型最优控制、延迟环节为何是无穷阶系统、积分控制的作用与局限、状态反馈与观测器能否分开设计、串联超前校正的核心、消除非线性自激振荡。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 如何区分正、负反馈,并说明负反馈为何是自动控制系统的重要环节(借位 bd_01)
本卷实例
  • 关键一步:按反馈信号与输入信号极性是否相反、是否减小偏差区分正负反馈
  • 中间结果:负反馈减小偏差,改善稳定性、精度与抗扰能力;正反馈增大偏差
  • 卡点:只按「加号减号」判断而不看反馈对误差的作用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 串联环节相乘,并联环节相加(同向)或相减(反向)
  • 负反馈等效为 G/(1+GH),正反馈为 G/(1-GH)
  • 反馈等效的前提是单回路、无交叉
步骤
  • 识别环节之间的连接方式
  • 分别套用串联、并联或反馈等效公式
  • 逐层化简直到只剩一个等效环节
通用考法
  • 本卷考过如何区分正、负反馈,并说明负反馈为何是自动控制系统的重要环节(借位 bd_01)
  • 多环节系统求闭环传递函数
  • 判断反馈极性对分母符号的影响
常见易错
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 列出刻画系统相对稳定性的指标并简述含义
本卷实例
  • 关键一步:相对稳定性用相角裕度与幅值裕度两个指标衡量
  • 中间结果:相角裕度是增益交界频率处相位距负实轴的余量
  • 卡点:把相角裕度与幅值裕度的定义与对应频率点用反
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
  • 本卷考过列出刻画系统相对稳定性的指标并简述含义
  • 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
  • 简述基于二次型性能指标的最优控制
本卷实例
  • 关键一步:以状态偏差与控制能量的二次型积分作性能指标
  • 中间结果:解黎卡提方程得最优反馈增益,最优控制律是状态反馈形式
  • 卡点:把黎卡提方程中各项顺序写错,或只提指标不提求解
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 性能指标由状态量的二次型与控制量的二次型加权求和
  • 最优控制是状态的线性反馈,反馈阵由黎卡提方程的解给出
  • 加权阵对状态惩罚越重,闭环响应越快、控制量越大
  • 无限时间问题中黎卡提方程取稳态解
步骤
  • 写出性能指标与状态方程,确定加权阵
  • 写出黎卡提代数方程并列写矩阵元素方程
  • 解出正定的解阵,再由反馈公式得到最优反馈增益
  • 校验闭环稳定性与加权阵的对称正定性
通用考法
  • 本卷考过简述基于二次型性能指标的最优控制
  • 由性能指标求最优控制律与闭环系统
  • 解黎卡提方程求反馈增益阵
  • 分析加权阵变化对响应快慢与控制量的影响
常见易错
  • 黎卡提方程里的项顺序写错,导致解阵不对称
  • 只找到解阵的非正定解而舍去正定解
公式
本卷考法
  • 说明延迟环节的传递函数为何是阶次无穷大的线性正常系统
本卷实例
  • 关键一步:把 e 的负 τs 次幂展开成关于 s 的无穷级数
  • 中间结果:级数含 s 的各阶项,故可视为阶次无穷大的线性环节
  • 卡点:把延迟环节当成有限阶的有理传递函数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 六种典型环节:比例、积分、微分、惯性、振荡、延迟
  • 惯性环节由时间常数 T 描述,T 越小响应越快
  • 振荡环节由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 共同描述
  • 延迟环节只改变相位,不改变幅值
步骤
  • 把传递函数分解为若干典型环节的乘积
  • 逐环节写出幅频与相频表达式
  • 按环节类型判断对系统性能的影响
通用考法
  • 本卷考过说明延迟环节的传递函数为何是阶次无穷大的线性正常系统
  • 指出给定传递函数由哪些典型环节串联组成
  • 由阶跃响应曲线或 Bode 图识别环节类型
  • 比较两个系统的时间常数大小
常见易错
  • 把一阶微分环节 (τs+1) 与纯微分环节 s 混为一谈
  • 把延迟环节的相位滞后误当作幅值衰减
公式
本卷考法
  • 说明引入积分控制的目的以及积分控制能否单独使用
本卷实例
  • 关键一步:积分项对误差累积,稳态时提供恒定输出以消除稳态误差
  • 中间结果:单独积分会带来响应慢、易振荡;工程上常与比例、微分配合
  • 卡点:认为积分可以单独使用且不牺牲动态性能
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过说明引入积分控制的目的以及积分控制能否单独使用
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 说明状态反馈控制器能否与状态观测器分别独立设计
本卷实例
  • 关键一步:由分离原理,状态反馈增益与观测器增益可分别独立配置
  • 中间结果:两者极点相互独立,合起来构成闭环与观测误差的全部极点
  • 卡点:把分离原理的适用前提(能控、能观)漏掉
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
  • 本卷考过说明状态反馈控制器能否与状态观测器分别独立设计
  • 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
  • 由观测器极点配置观测器增益,并说明它与状态反馈的关系
本卷实例
  • 关键一步:观测器增益由 A 减 LC 的期望特征值确定
  • 中间结果:观测器极点一般取得比系统极点快,使估计误差先衰减
  • 卡点:把观测器增益写成了状态反馈增益的形式
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
  • 本卷考过由观测器极点配置观测器增益,并说明它与状态反馈的关系
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 说明串联超前校正的核心问题
本卷实例
  • 关键一步:核心是选定期望截止频率并确定网络的最大超前角
  • 中间结果:同时需保证不引入过大超调、振荡与高频噪声
  • 卡点:只答「提高相角裕度」而漏掉截止频率选取这一核心
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
  • 本卷考过说明串联超前校正的核心问题
  • 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
本卷考法
  • 简述消除非线性系统自激振荡的途径
本卷实例
  • 关键一步:从改变参数、加反馈校正、引入新的非线性特性三方面入手
  • 中间结果:调整增益可改变极限环幅值,必要时破坏自振条件
  • 卡点:只调增益而不检查是否引入新的自振点
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
  • 本卷考过简述消除非线性系统自激振荡的途径
  • 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

2根轨迹角度分析开环零点与极点对系统品质的影响#

思路
  • 论述开环零极点决定闭环极点运动轨迹,从而影响稳定性、快速性、超调与阻尼;结合根轨迹法则说明零点左移、极点右移的不同效果。
本卷考法
  • 从根轨迹角度分析开环零点、极点对系统品质的影响
本卷实例
  • 关键一步:零点使根轨迹左移并吸引极点,极点使根轨迹右移并排斥
  • 中间结果:合适配置零点可改善稳定性与快速性,附加极点一般降低裕度
  • 卡点:只看渐近线是否移动,忽略分离点与出射角的改变
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过从根轨迹角度分析开环零点、极点对系统品质的影响
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反
本卷考法
  • 结合根轨迹说明开环零极点变化对动态性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:由闭环极点在 s 平面上的位置估算超调与调节时间
  • 中间结果:极点离虚轴越远响应越快;阻尼角决定超调大小
  • 卡点:由极点位置估指标时忽略零点对超调的放大作用
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
  • 本卷考过结合根轨迹说明开环零极点变化对动态性能的影响
  • 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

3干扰力矩作用下的稳态误差与参数范围#

思路
  • 由结构框图写干扰到误差的传函,用终值定理求稳态误差,再代入误差上限并结合稳定条件求 K1 范围。
本卷考法
  • 求干扰力矩作用下的稳态误差并确定参数范围
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,写干扰到误差的传函,再用终值定理
  • 中间结果:稳态误差与扰动作用点之前的增益和积分环节个数有关
  • 卡点:求扰动误差时未把参考输入置零;把误差与输出混为一谈
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过求干扰力矩作用下的稳态误差并确定参数范围
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式
本卷考法
  • 由稳态误差上限反求参数满足的范围
本卷实例
  • 关键一步:把稳态误差表达式代入不等式,再与稳定性条件取交集
  • 中间结果:参数范围由误差约束与稳定约束共同决定
  • 卡点:只代误差不等式而漏掉稳定性对参数的约束
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过由稳态误差上限反求参数满足的范围
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式

4状态空间能控性、极点配置与反馈增益求解#

思路
  • 由对角阵状态空间判断可控性;不可控则不能任意配置极点;再由期望极点写期望特征多项式,与原特征多项式比较系数求 K。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断给定状态空间系统的能控性并说明能否任意配置极点
本卷实例
  • 关键一步:写出能控性判别矩阵并求秩,秩小于阶数则不能任意配置
  • 中间结果:能控性矩阵出现线性相关列,说明存在不可控模态
  • 卡点:只算到 A 的低次幂就下结论
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
  • 本卷考过判断给定状态空间系统的能控性并说明能否任意配置极点
  • 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
  • 由期望极点求状态反馈增益阵 K
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写期望特征多项式,再与 A 减 BK 的特征多项式比较系数
  • 中间结果:不可控模态对应的增益不影响该极点,可任取
  • 卡点:特征多项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
  • 本卷考过由期望极点求状态反馈增益阵 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

5开环对数幅频渐近线关系的证明#

思路
  • 把开环频率特性写成增益、积分环节与其余环节的乘积,取对数后说明低频渐近线只由增益与积分环节决定,从而证明结论。
本卷考法
  • 证明开环对数幅频渐近线最左端延长线满足给定关系
本卷实例
  • 关键一步:把开环频率特性写成增益、积分环节与其余环节三部分相乘
  • 中间结果:低频段由增益与积分环节主导,渐近线斜率为负 20v dB/dec
  • 卡点:漏掉型别 v 对应的斜率项;把延长线与实际曲线混同
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
  • 本卷考过证明开环对数幅频渐近线最左端延长线满足给定关系
  • 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
本卷考法
  • 写出系统的对数幅频特性表达式并说明各环节的作用
本卷实例
  • 关键一步:对开环传函取模再取对数,把各环节幅值的对数相加
  • 中间结果:总对数幅频特性等于各部分幅值对数之和
  • 卡点:求模时把分式直接相除而未先对分子分母分别取模
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
  • 本卷考过写出系统的对数幅频特性表达式并说明各环节的作用
  • 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

6RC 无源网络的状态空间与稳定性分析#

思路
  • 选两电容电压为状态列写状态空间表达式;再由 C(sI−A) 逆 B 加 D 求传函;最后用 A 的特征值与传函极点分析内部稳定与输出稳定。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由 RC 无源网络写出状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:选两电容电压为状态,按节点电流关系列写两电容的充电方程
  • 中间结果:输出方程由 u 与状态变量的关系整理,含直接传递项
  • 卡点:电路图为原卷插图,节点与参考方向需回原卷核对图
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 RC 无源网络写出状态空间表达式
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间表达式求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用 C 乘 sI 减 A 的逆再乘 B 加 D 计算传递函数
  • 中间结果:传递函数分母就是 A 阵的特征多项式
  • 卡点:漏掉直接传递项 D;矩阵求逆时元素符号写错
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
  • 本卷考过由状态空间表达式求系统传递函数
  • 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
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 分析系统的内部稳定性与输出稳定性
本卷实例
  • 关键一步:内部稳定性看 A 的特征值是否全在左半平面
  • 中间结果:特征根均在左半平面则内部稳定;无零极点对消时输出也稳定
  • 卡点:把内部稳定与输出稳定当成一回事,忽略零极点对消的影响
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
  • 本卷考过分析系统的内部稳定性与输出稳定性
  • 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

7离散系统脉冲传递函数、稳定性与稳态误差#

思路
  • 由差分方程得数字控制器,与连续对象 z 变换相乘得开环脉冲传函;列闭环特征多项式用朱莉判据求稳定范围;再求斜坡输入下的稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由差分方程与连续对象求开环、闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先由差分方程得数字控制器 D(z),再对连续部分做 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函为 D(z) 与对象 z 变换之积,闭环由梅森公式得
  • 卡点:把无采样开关隔开的连续环节直接相乘
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
  • 本卷考过由差分方程与连续对象求开环、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
  • 用朱莉判据求系统稳定时的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征多项式,列朱莉表并逐行判符号
  • 中间结果:稳定条件为 D(1) 大于零、D(−1) 符号与首末项约束同时成立
  • 卡点:漏掉朱莉表的某一行约束
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系统稳定时的参数范围
  • 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
  • 求离散系统在斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再用 z 域静态速度误差系数求稳态误差
  • 中间结果:速度误差系数由开环脉冲传函在 z 趋于 1 处求得
  • 卡点:未判稳就用终值定理;直接用 s 域误差系数公式
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
  • 本卷考过求离散系统在斜坡输入下的稳态误差
  • 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含库伦摩擦系统的相平面与稳态误差#

思路
  • 由摩擦力方向把运动方程分两段,在误差相平面上分别积分画相轨迹;再由死区内运动停止的条件求稳态误差。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 在误差相平面上绘制含库伦摩擦系统的相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按摩擦力的正负把运动方程分成两段,分别积分得相轨迹
  • 中间结果:两段相轨迹在横轴上的两个平衡点附近终止
  • 卡点:摩擦力方向与运动方向的关系;相轨迹图需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过在误差相平面上绘制含库伦摩擦系统的相轨迹
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式
本卷考法
  • 求库伦摩擦系统在阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:死区内输出不变,稳态由摩擦力与输入的关系确定
  • 中间结果:死区内误差取决于初始偏差是否落在死区范围内
  • 卡点:忽略死区使小偏差时系统不再运动这一非线性特征
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
  • 本卷考过求库伦摩擦系统在阶跃输入下的稳态误差
  • 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