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东北电力大学 841 自动控制原理 2019 年真题思维导图

强势双非共 10 题合计 150 分

难度:中等 10题覆盖选择、二阶指标、结构图、劳斯判据、根轨迹、奈氏判据、Bode反求、离散脉冲传函和状态空间,逐题分值完整。

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1选择题:基本概念与性能5 分#

思路
  • 5个小题覆盖稳定性前提、系统分类、一阶响应、闭环零点与低频段作用。
本卷考法
  • 选择题第1小题:稳定性是系统正常工作的先决条件(借位)
本卷实例
  • 关键一步:按自动控制系统正常工作的前提判断稳定性的地位
  • 中间结果:稳定性、准确性、快速性是系统基本要求
  • 卡点:把动态特性或稳态特性误当作正常工作的先决条件
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
  • 本卷考过选择题第1小题:稳定性是系统正常工作的先决条件(借位)
  • 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
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 选择题第2小题:由微分方程含输入平方项判断系统为非线性
本卷实例
  • 关键一步:看方程是否满足叠加性与齐次性
  • 中间结果:含输入平方项时不满足线性叠加
  • 卡点:线性时变系统仍有叠加性,不要与非线性混淆
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 不满足叠加原理,输出与初始条件、输入幅值都有关
  • 可能出现自持振荡即极限环
  • 响应可能对初始条件敏感,出现跳跃谐振
  • 线性系统的稳定性概念需要推广为局部稳定性
步骤
  • 确认系统含明显非线性环节
  • 判断该非线性是本质非线性还是可线性化的弱非线性
  • 按非线性分析方法选择描述函数法或相平面法
通用考法
  • 本卷考过选择题第2小题:由微分方程含输入平方项判断系统为非线性
  • 说明非线性系统与线性系统的本质差别
  • 指出同步振荡、跳跃谐振等特有现象
  • 判断某系统应选用哪种分析方法
常见易错
  • 把非线性环节线性化后直接沿用线性理论的全部结论
  • 认为非线性系统一定不稳定
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 选择题第3小题:由一阶系统阶跃响应0.632对应时刻确定时间常数
本卷实例
  • 关键一步:把0.632与一阶响应在t等于T时的值对应
  • 中间结果:一阶响应在t等于T时达到稳态值的63.2%
  • 卡点:把0.632对应到2T或3T
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过选择题第3小题:由一阶系统阶跃响应0.632对应时刻确定时间常数
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式
本卷考法
  • 选择题第4小题:说明闭环零点由前向通路零点与反馈通路极点组成
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函分子分母因式分解后看零点来源
  • 中间结果:前向通路零点直接成为闭环零点,反馈极点也贡献零点
  • 卡点:不要与闭环极点来源混淆
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
  • 本卷考过选择题第4小题:说明闭环零点由前向通路零点与反馈通路极点组成
  • 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
本卷考法
  • 选择题第5小题:由开环对数幅频低频段判断系统型别与开环增益
本卷实例
  • 关键一步:低频段斜率对应型别,延长线高度对应增益
  • 中间结果:型别与增益共同决定稳态误差
  • 卡点:只看型别不看增益,或把高频段当作低频段
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
  • 本卷考过选择题第5小题:由开环对数幅频低频段判断系统型别与开环增益
  • 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
  • 选择题第5小题:由型别与开环增益判断稳态误差能力
本卷实例
  • 关键一步:先数积分环节个数确定型别,再看开环增益
  • 中间结果:低频段决定稳态误差而非动态性能
  • 卡点:把抗干扰能力误当作低频段唯一决定因素
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
  • 本卷考过选择题第5小题:由型别与开环增益判断稳态误差能力
  • 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

2二阶系统标准形式与指标20 分#

思路
  • 由给定闭环传函化标准二阶形式求参数,再算全部动态性能指标。
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
  • 由闭环传递函数求阻尼比与无阻尼自然频率
本卷实例
  • 关键一步:先把分母写成标准二阶形式再逐项对照系数
  • 中间结果:由常数项开方得自然频率,由一次项系数得阻尼比
  • 卡点:不要忘记把二次项系数归一化
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
  • 本卷考过由闭环传递函数求阻尼比与无阻尼自然频率
  • 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
  • 求上升时间、峰值时间、超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比判断欠阻尼,再逐项代入指标公式
  • 中间结果:各指标都由阻尼比与自然频率组合表示
  • 卡点:题目误差带为加减2%,调节时间系数不要套加减5%
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
  • 本卷考过求上升时间、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

3结构图求输出与误差传函15 分#

思路
  • 由图1结构图分别求输出与误差对输入的闭环传递函数。
本卷考法
  • 由图1方框图用梅森增益公式求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:列前向通路、独立回路与不接触回路后套梅森公式
  • 中间结果:余子式只去掉与前向通路接触的回路
  • 卡点:结构图为原卷插图,回路走向需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由图1方框图用梅森增益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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由结构图化简求闭环传递函数与误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:从内环向外逐层化简,再套串联并联反馈公式
  • 中间结果:化简时保持反馈极性,分母为一加减开环传函
  • 卡点:负反馈分母不要写成一减开环传函
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
  • 本卷考过由结构图化简求闭环传递函数与误差传递函数
  • 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
本卷考法
  • 写出误差传递函数E(s)/R(s)并说明误差定义
本卷实例
  • 关键一步:先确定误差取自输入端还是比较端,再按结构图写比值
  • 中间结果:非单位反馈时两种误差定义相差一个反馈传函
  • 卡点:误差定义选错会让结果整体差一个环节
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差有两种定义:输入端 E(s)=R(s)-C(s) 与 E(s)=R(s)-B(s),须看清题意
  • 误差传递函数由结构决定
  • 单位反馈时两种定义等价
步骤
  • 按题意确定误差取在输入端还是反馈端
  • 由结构图写出误差传递函数
  • 乘输入后取 s→0 的极限
通用考法
  • 本卷考过写出误差传递函数E(s)/R(s)并说明误差定义
  • 写出误差传递函数
  • 说明不同误差定义对结果的影响
常见易错
  • 非单位反馈时两种误差定义混用导致结果差一个 H(s)
  • 忘记先判断系统是否稳定
公式

4劳斯判据判断闭环稳定性15 分#

思路
  • 由开环传函得闭环特征方程,列劳斯表判断稳定性。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 对四阶闭环特征方程用劳斯判据判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:按特征方程系数完整列写劳斯表
  • 中间结果:首列元素全部同号则系统稳定,变号则不稳定
  • 卡点:系数缺项时先补零,首列为零时需特殊处理
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
  • 本卷考过对四阶闭环特征方程用劳斯判据判断稳定性
  • 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

5根轨迹与衰减振荡范围15 分#

思路
  • 绘制根轨迹并求指定动态响应下的参数范围。
本卷考法
  • 绘制K从0到无穷的根轨迹并求出各特征点
本卷实例
  • 关键一步:先求开环零极点,再定实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:渐近线交点和夹角由零极点个数差决定
  • 卡点:渐近线夹角公式中的2k+1不要写成2k
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
  • 本卷考过绘制K从0到无穷的根轨迹并求出各特征点
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹分离点及对应参数值
本卷实例
  • 关键一步:由dK/ds等于零求分离点候选,再按实轴段取舍
  • 中间结果:把分离点代入幅值条件求对应参数
  • 卡点:数学解要代回根轨迹检验是否在实轴段上
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
  • 本卷考过求根轨迹分离点及对应参数值
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界参数
本卷实例
  • 关键一步:将s等于jω代入闭环特征方程并分离实部虚部
  • 中间结果:令实部虚部同时为零求交点频率与临界参数
  • 卡点:只列一个方程会漏掉另一组交点
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及临界参数
  • 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
  • 由根轨迹判断使单位脉冲响应衰减振荡的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:衰减振荡对应闭环极点为左半平面共轭复根
  • 中间结果:参数应落在两分离点对应参数之间
  • 卡点:不要只看稳定范围而漏掉振荡条件
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
  • 本卷考过由根轨迹判断使单位脉冲响应衰减振荡的参数范围
  • 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

6奈氏图绘制与判稳20 分#

思路
  • 绘制开环奈氏曲线,并用奈奎斯特判据分析闭环稳定性。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环传递函数绘制奈氏曲线并用奈奎斯特判据判稳
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再看曲线包围负一j零点的方向与圈数
  • 中间结果:按Z等于P减两倍净包围圈数判断闭环稳定性
  • 卡点:开环含积分环节时需补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过由开环传递函数绘制奈氏曲线并用奈奎斯特判据判稳
  • 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表达式并求关键点
本卷实例
  • 关键一步:把各典型环节幅值相乘、相角相加
  • 中间结果:由相角等于负180度求相位穿越频率及其幅值
  • 卡点:幅值分母中的根号项不要漏乘
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表达式并求关键点
  • 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

7Bode图反求传函与截止频率15 分#

思路
  • 由图2对数幅频特性反求开环传函,并求开环截止频率。
本卷考法
  • 由图2最小相位系统对数幅频特性反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先由低频段斜率与高度确定型别和增益,再按转折频率补环节
  • 中间结果:各转折频率处斜率变化量对应零极点时间常数
  • 卡点:曲线为原卷插图,转折频率与高度需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由图2最小相位系统对数幅频特性反求开环传递函数
  • 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
  • 计算开环截止频率
本卷实例
  • 关键一步:在低频段与转折频率之间取幅值等于一的频率求解
  • 中间结果:截止频率是幅频曲线穿过零分贝线的频率
  • 卡点:不要把相位穿越频率误当作截止频率
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
  • 本卷考过计算开环截止频率
  • 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

8离散系统脉冲传函15 分#

思路
  • 由图3离散系统求脉冲传递函数,注意采样开关位置。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含采样开关的离散系统脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先判断采样开关位置,再对连续部分取z变换
  • 中间结果:两环节间有采样开关时可分别取z变换后相乘
  • 卡点:系统图为原卷插图,采样开关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
  • 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
  • 本卷考过求含采样开关的离散系统脉冲传递函数
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用z变换求给定连续环节对应的脉冲序列
本卷实例
  • 关键一步:先部分分式展开,再逐项查z变换表
  • 中间结果:部分分式系数与s域极点一一对应
  • 卡点:指数项中的采样周期T不要漏掉
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过用z变换求给定连续环节对应的脉冲序列
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式

9由传函写状态空间表达式10 分#

思路
  • 把传函化为能控标准型,写出状态方程与输出方程。
本卷考法
  • 由传递函数写出能控标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按分母系数构造友矩阵,按分子系数填输出矩阵
  • 中间结果:分子分母同阶时先做真分式化分得到直接项
  • 卡点:友矩阵系数符号容易写反,直接项别漏
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
  • 本卷考过由传递函数写出能控标准型状态空间表达式
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 根据传递函数确定状态变量并写出状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:选取相变量作为状态变量,使方程与传函系数对应
  • 中间结果:状态变量个数等于系统阶数,输出由状态组合表示
  • 卡点:分子次数等于分母次数时先分离常数项
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
  • 本卷考过根据传递函数确定状态变量并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

10能控性、传函与状态转移矩阵20 分#

思路
  • 由状态空间表达式判断能控性、求传递函数并用两种方法求状态转移矩阵。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由A、B构造能控性矩阵并判断系统能控性
本卷实例
  • 关键一步:按B、AB排列构造能控性矩阵,求其秩
  • 中间结果:矩阵满秩则完全能控,否则系统不能控
  • 卡点:能控性矩阵的构造顺序与能观性不要混淆
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
  • 本卷考过由A、B构造能控性矩阵并判断系统能控性
  • 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
  • 由状态空间表达式求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用输出矩阵、预解矩阵和输入矩阵乘积加直接项计算
  • 中间结果:先求sI减A的逆,再与B、C相乘
  • 卡点:输出方程含直接传递项时不能漏掉
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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 用两种方法求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:可用拉氏反变换或级数定义分别求解状态转移矩阵
  • 中间结果:两种方法结果应一致,可互相校验
  • 卡点:矩阵对角化与级数展开的适用条件不同
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
  • 本卷考过用两种方法求状态转移矩阵
  • 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