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东北电力大学 841 自动控制原理 2022 年真题思维导图

强势双非共 10 题

难度:中等 10题覆盖网络建模、结构图多输入传函、二阶指标、劳斯判据、根轨迹、奈氏判据、超前校正、离散系统与状态空间;多题以图给出。

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1无源网络求传递函数#

思路
  • 先由复阻抗列网络方程,再整理成 v_o(s)/v_i(s) 的多项式比。
本卷考法
  • 求图示网络的 v_o(s)/v_i(s)
  • 由复阻抗列方程并整理成 s 的有理分式
本卷实例
  • 关键一步:把电阻、电容、电感写成复阻抗,按分压或节点电流列方程
  • 中间结果:先得复阻抗形式的输出比输入,再交叉相乘还原成 s 的多项式比
  • 卡点:网络题为原卷插图,元件串并联关系需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过求图示网络的 v_o(s)/v_i(s)
  • 本卷考过由复阻抗列方程并整理成 s 的有理分式
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式

2结构图多输入传递函数#

思路
  • 两输入分别置零,按梅森公式或逐层化简求 C(s)/R1(s) 与 C(s)/R2(s)。
本卷考法
  • 由含两个输入的结构图分别求 C(s)/R1(s) 与 C(s)/R2(s)
  • 求某一输入传函时把另一输入置零
本卷实例
  • 关键一步:求某一输入传函时把另一输入置零,按线性系统分别处理
  • 中间结果:分别写两条前向通路与所有回路增益,再整理成 s 的有理分式
  • 卡点:结构图为原卷插图,交叉支路走向与比较点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
  • 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
  • 本卷考过由含两个输入的结构图分别求 C(s)/R1(s) 与 C(s)/R2(s)
  • 本卷考过求某一输入传函时把另一输入置零
  • 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
本卷考法
  • 用梅森增益公式求多回路结构图的传递函数
  • 判断回路是否与前向通路接触
本卷实例
  • 关键一步:列前向通路 Pk、回路 L 与两两不接触回路,套梅森公式
  • 中间结果:先写 Δ 与各余子式 Δk,再把 PkΔk/Δ 合并
  • 卡点:不接触回路易漏算或重复计数;图形需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用梅森增益公式求多回路结构图的传递函数
  • 本卷考过判断回路是否与前向通路接触
  • 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

3二阶系统标准形式与指标#

思路
  • 先由图写闭环传函,化成标准二阶式,由 ξ 解出 a,再算各动态指标。
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
  • 由方框图求闭环传函并化为标准二阶形式
  • 由 ξ 与闭环系数反求结构参数 a
本卷实例
  • 关键一步:先把闭环传函分母写成 s²+2ξωn s+ωn²,再逐项对应系数
  • 中间结果:由 ωn² 与一次项系数联立即可解出 a 的表达式
  • 卡点:方框图为原卷插图,内环反馈系数与接法需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由方框图求闭环传函并化为标准二阶形式
  • 本卷考过由 ξ 与闭环系数反求结构参数 a
  • 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
  • 已知 ξ 求 ωn、tp、σ%、ts 与 tr
  • 注意题目指定 ts 的误差带为 ±2%
本卷实例
  • 关键一步:先用 ξ 判断确为欠阻尼,再按对应公式逐项代入 ξ 与 ωn
  • 中间结果:tp、σ%、ts、tr 都与 ωn 或 ξ 直接对应
  • 卡点:ts 的系数随 2% 与 5% 误差带不同,不要混用
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
  • 本卷考过已知 ξ 求 ωn、tp、σ%、ts 与 tr
  • 本卷考过注意题目指定 ts 的误差带为 ±2%
  • 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
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 ξ 要求反求结构参数 a
本卷实例
  • 关键一步:由标准二阶形式的一次项系数 2ξωn 反解 a
  • 中间结果:ωn 与一次项系数联立后消去 ωn,只剩 a 的一次方程
  • 卡点:先判系统是否确为二阶;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
  • 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 ξ 要求反求结构参数 a
  • 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

4劳斯判据与等幅振荡#

思路
  • 列含 K 的闭环特征方程,用劳斯表求临界 K 与持续振荡频率,再定稳定范围。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求系统持续等幅振荡的 K 值
  • 求产生持续振荡的频率
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表,出现全零行时用上一行系数写辅助方程
  • 中间结果:辅助方程的根给出持续振荡角频率,临界 K 由全零行条件定
  • 卡点:全零行要用辅助方程求振荡参数,不能直接判不稳
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求系统持续等幅振荡的 K 值
  • 本卷考过求产生持续振荡的频率
  • 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
  • 确定系统稳定时 K 的取值上界
  • 结合劳斯表首列各元素同号列不等式组
本卷实例
  • 关键一步:由劳斯表首列全部大于零列出 K 的不等式组
  • 中间结果:稳定域是各不等式解的交集,注意端点是否包含
  • 卡点:答案段对稳定上界先后印两个不同数值,以劳斯表不等式自洽解为准
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
  • 本卷考过确定系统稳定时 K 的取值上界
  • 本卷考过结合劳斯表首列各元素同号列不等式组
  • 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

5根轨迹绘制与欠阻尼范围#

思路
  • 按开环零极点画根轨迹,再求分离点与欠阻尼 K 范围。
本卷考法
  • 绘制 K 从 0→∞ 的闭环根轨迹
  • 写出开环零极点、实轴段与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:由 G(s) 的分母写出开环极点,分子写出开环零点
  • 中间结果:实轴段按右侧零极点个数为奇数判断;渐近线条数由 n−m 决定
  • 卡点:题目只给 G(s) 表达式,根轨迹草图需逐项按法则绘制
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→∞ 的闭环根轨迹
  • 本卷考过写出开环零极点、实轴段与渐近线
  • 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
  • 求根轨迹分离点坐标
  • 确定分离点对应的 K 值
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程按重根条件列分离点方程
  • 中间结果:解出候选 d 后要筛选落在根轨迹上的实根
  • 卡点:两个候选根中只有位于实轴根轨迹段上的才有效
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坐标
  • 本卷考过确定分离点对应的 K 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
  • 求系统呈欠阻尼状态时 K 的范围
  • 证明复数根轨迹是圆的一部分
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征根写作 σ±jω,用根与系数关系消去 K
  • 中间结果:由 s1+s2 与 s1s2 关系可整理出圆的方程
  • 卡点:欠阻尼对应闭环共轭复根;端点由分离点处 K 值界定
  • 卡点:圆轨迹证明属根轨迹几何性质,借 rl_07 收录
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
  • 本卷考过求系统呈欠阻尼状态时 K 的范围
  • 本卷考过证明复数根轨迹是圆的一部分
  • 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奈氏判据判稳#

思路
  • 先写频率特性画 Nyquist 曲线,再用 Z=P−2N 判稳。
本卷考法
  • 写出开环 G(jω) 的幅频与相频表达式
  • 求曲线与负实轴交点频率处的幅值
本卷实例
  • 关键一步:令 φ(ω)=−180° 求相位穿越频率 ωx
  • 中间结果:把 ωx 代回 |G(jω)| 得曲线与负实轴交点坐标
  • 卡点:G(s) 含一个右半平面极点时 P=1,画曲线前先数清
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 G(jω) 的幅频与相频表达式
  • 本卷考过求曲线与负实轴交点频率处的幅值
  • 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
  • 用 Nyquist 判据确定闭环稳定时 K 的取值
本卷实例
  • 关键一步:数开环右半平面极点数 P,再数曲线包围 (−1,j0) 的净圈数 N
  • 中间结果:按 Z=P−2N 判闭环右半平面极点数,Z=0 即稳定
  • 卡点:包围圈数正负号易记反;含积分环节时还要补画无穷大圆弧
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
  • 本卷考过用 Nyquist 判据确定闭环稳定时 K 的取值
  • 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

7串联超前校正#

思路
  • 由校正装置表达式画 Bode 并说明超前校正原理。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 说明基于频率法的串联超前校正原理
  • 分析超前校正对中频段与相角裕度的影响
本卷实例
  • 关键一步:把 Gc=(aTs+1)/(Ts+1) 的最大超前角与转折频率对应起来
  • 中间结果:最大超前角发生在两个转折频率的几何中点
  • 卡点:最大超前角只在一段频率内有效,不是全频段相角提升
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
  • 本卷考过说明基于频率法的串联超前校正原理
  • 本卷考过分析超前校正对中频段与相角裕度的影响
  • 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
  • 绘制超前校正装置的 Bode 图
  • 标出两个转折频率与高频段斜率
本卷实例
  • 关键一步:写出 Gc(jω) 的幅频与相频,找转折频率 1/(aT) 与 1/T
  • 中间结果:幅频在低频为 1,高频趋近 1/a;相频先升后降
  • 卡点:分子转折频率更低,幅频先升后平;不要把超前网络判成滞后
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过绘制超前校正装置的 Bode 图
  • 本卷考过标出两个转折频率与高频段斜率
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式

8离散系统闭环脉冲传函与稳定性#

思路
  • 先求开环脉冲传函,再写闭环 Φ(z),由闭环极点判稳。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由结构图与连续部分求开环脉冲传函 G(z)
  • 由 G(z) 写闭环脉冲传函 Φ(z)
本卷实例
  • 关键一步:按结构图判断采样开关位置,再对连续部分作 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函写成 z 的有理分式后,Φ=G/(1+G)
  • 卡点:题面结构图与采样周期在 OCR 中缺失,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
  • 本卷考过由结构图与连续部分求开环脉冲传函 G(z)
  • 本卷考过由 G(z) 写闭环脉冲传函 Φ(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
  • 判断离散系统闭环稳定性
  • 用闭环极点模小于 1 或朱莉判据判稳
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程 D(z)=0,解出闭环极点
  • 中间结果:所有闭环极点模小于 1 时系统稳定
  • 卡点:离散稳定判据是模小于 1,不是实部小于零;图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过判断离散系统闭环稳定性
  • 本卷考过用闭环极点模小于 1 或朱莉判据判稳
  • 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

9状态转移矩阵与状态响应#

思路
  • 由 A 求 (sI−A)⁻¹ 得 Φ(t),再乘初值求 u=0 状态响应,并由 C 求 G(s)。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵 Φ(t)=e^{At}
  • 求 u=0 时由初值引起的状态响应 x(t)
本卷实例
  • 关键一步:先算 (sI−A)⁻¹,再逐项取拉氏反变换
  • 中间结果:x(t)=Φ(t)x(0),把初值列向量代入即可
  • 卡点:题面矩阵有 OCR 乱码;A、B、C 需回原卷核对题面
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 Φ(t)=e^{At}
  • 本卷考过求 u=0 时由初值引起的状态响应 x(t)
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数 G(s)
本卷实例
  • 关键一步:按 G(s)=C(sI−A)⁻¹B 计算,若含直通项再加 D
  • 中间结果:先求逆矩阵,再左乘 C、右乘 B,最后合并
  • 卡点:漏掉直接传递项 D 是常见错误;矩阵以原卷为准
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 G(s)
  • 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

10能控性与能观性#

思路
  • 分别构造能控、能观判别矩阵,比较秩与状态维数。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断系统的能控性
  • 判断系统的能观性
本卷实例
  • 关键一步:能控矩阵取 [B AB A²B],能观矩阵取 [C; CA; CA²]
  • 中间结果:分别求两个判别矩阵的秩,与状态维数 3 比较
  • 卡点:题面 OCR 只印第1问,答案段另有能观性;A、B、C 需回原卷核对图中矩阵
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
  • 本卷考过判断系统的能控性
  • 本卷考过判断系统的能观性
  • 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