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杭州电子科技大学 861 自动控制理论(含现控) 2015 年真题思维导图

强势双非共 11 题

难度:中等 11 个板块:判断题 10 小题、单项选择题 10 小题,第三至十一大题共 9 道计算题;覆盖复合控制、超前与滞后校正、有源网络建模、结构图化简、二阶动态性能、稳态误差、参数根轨迹、奈氏判据、描述函数法、状态转移矩阵、可观标准形与极点配置,经典控制与状态空间并重。

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1~10一、判断题十小题(每题1分,共10分)10 分#

思路
  • 十句辨析覆盖复合控制形式、传递函数定义、闭环极点与响应速度、开环频率判稳条件、超前校正作用、PI 控制、离散稳定判据、两种非线性分析法适用范围、状态变量变换、状态方程解的唯一性。
本卷考法
  • 判断按输入前馈与按扰动前馈是否为复合控制的基本形式(第1小题)
本卷实例
  • 关键一步:按复合控制定义区分前馈通道与反馈通道各自的作用
  • 中间结果:复合控制由前馈补偿与反馈控制两部分组合而成
  • 卡点:把前馈复合控制误当成纯反馈控制
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过判断按输入前馈与按扰动前馈是否为复合控制的基本形式(第1小题)
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式
本卷考法
  • 判断传递函数的拉氏反变换是否为单位脉冲响应(第2小题)
本卷实例
  • 关键一步:联系传递函数的零初始条件定义来辨析该说法
  • 中间结果:零初始条件下传递函数等于脉冲响应的拉氏变换
  • 卡点:忽略零初始条件这一前提直接判对
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
  • 本卷考过判断传递函数的拉氏反变换是否为单位脉冲响应(第2小题)
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 判断闭环极点离虚轴越远是否快速性越好(第3小题)
本卷实例
  • 关键一步:由调节时间与极点实部的关系判断快速性
  • 中间结果:极点实部越负则衰减越快、调节时间越短
  • 卡点:只比较虚部而忽略实部对衰减速度的决定作用
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
  • 本卷考过判断闭环极点离虚轴越远是否快速性越好(第3小题)
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 判断仅凭开环幅频特性能否判定稳定性(第4小题)
本卷实例
  • 关键一步:稳定判据需同时用到幅频与相频两条曲线
  • 中间结果:幅值裕度与相角裕度共同刻画相对稳定性
  • 卡点:把幅频特性单独当成判稳的充分条件
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
  • 本卷考过判断仅凭开环幅频特性能否判定稳定性(第4小题)
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 判断超前校正是否使剪切频率减小(第5小题)
本卷实例
  • 关键一步:由超前校正抬高高频段幅值来推断剪切频率走向
  • 中间结果:超前校正提高剪切频率并加大稳定裕度
  • 卡点:把超前与滞后校正对剪切频率的影响用反
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
  • 本卷考过判断超前校正是否使剪切频率减小(第5小题)
  • 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
  • 判断 PI 控制器积分环节能否改善动态性能(第6小题)
本卷实例
  • 关键一步:由 PI 传函中积分项的相位滞后分析其作用
  • 中间结果:积分作用消除稳态误差但降低动态快速性
  • 卡点:把积分作用对稳态与动态的影响混为一谈
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
  • 本卷考过判断 PI 控制器积分环节能否改善动态性能(第6小题)
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 判断离散系统稳定极点是否位于 Z 平面左半平面(第7小题)
本卷实例
  • 关键一步:回忆离散系统稳定的充要条件是极点落在单位圆内
  • 中间结果:稳定域为 Z 平面单位圆内部而非左半平面
  • 卡点:把连续系统的左半平面条件照搬到 Z 平面
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稳定极点是否位于 Z 平面左半平面(第7小题)
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 判断相平面法与描述函数法各自适用的系统阶次(第8小题)
本卷实例
  • 关键一步:按两种方法对系统阶次与非线性类型的要求区分
  • 中间结果:相平面法限于一、二阶,描述函数法适用面更宽
  • 卡点:把两种非线性分析方法的适用范围互换
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过判断相平面法与描述函数法各自适用的系统阶次(第8小题)
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式
本卷考法
  • 判断传递函数矩阵是否与状态变量选择无关(第9小题)
本卷实例
  • 关键一步:看状态变量的非奇异变换是否改变传递函数矩阵
  • 中间结果:传递函数矩阵在相似变换下保持不变
  • 卡点:误以为换一组状态变量就换一个传递函数矩阵
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
  • 本卷考过判断传递函数矩阵是否与状态变量选择无关(第9小题)
  • 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
  • 判断任意初始状态与输入下状态方程解是否唯一(第10小题)
本卷实例
  • 关键一步:由状态方程解的存在唯一性定理逐项核对条件
  • 中间结果:满足解的唯一性定理时解在区间内存在且唯一
  • 卡点:把线性与非线性系统的解的唯一性结论混用
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
  • 本卷考过判断任意初始状态与输入下状态方程解是否唯一(第10小题)
  • 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

1~10二、单项选择题十小题(每题2分,共20分)20 分#

思路
  • 十道选择覆盖由微分方程判系统类型、电机近似环节、由脉冲响应求传函、临界稳定增益、开环增益、一阶微分环节相频、超前校正最大超前角、校正类型判别、香农采样定理、零极点相消与能控能观性。
本卷考法
  • 由微分方程判断系统属于线性定常还是时变(第1小题)
本卷实例
  • 关键一步:检查方程中是否含非线性项与时变系数
  • 中间结果:方程为常系数且不含非线性项时属线性定常系统
  • 卡点:把含积分项的方程误判为非线性
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
  • 本卷考过由微分方程判断系统属于线性定常还是时变(第1小题)
  • 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
直流电机等机电系统 建模与机电系统
本卷考法
  • 判断忽略电枢电感后电动机近似为哪种典型环节(第2小题)
本卷实例
  • 关键一步:由电枢回路方程消去电感得到电压与转速的关系
  • 中间结果:忽略电感后转速与电枢电压近似成比例
  • 卡点:把电磁惯性误当成决定环节类型的因素
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由电枢回路电压方程与转矩平衡方程联立
  • 反电动势与转速成正比,电磁转矩与电枢电流成正比
  • 机电时间常数由电气与机械两方面参数共同决定
步骤
  • 写出电枢回路电压平衡方程
  • 写出转矩平衡方程(含负载与粘性摩擦)
  • 消去电枢电流,得到转速或转角对电压的传递函数
通用考法
  • 本卷考过判断忽略电枢电感后电动机近似为哪种典型环节(第2小题)
  • 求直流电机转速或位置对电枢电压的传递函数
  • 分析机电时间常数与电气时间常数的数量级关系
常见易错
  • 漏掉反电动势与电磁转矩的耦合项
  • 把电气时间常数与机电时间常数混淆
公式
本卷考法
  • 由脉冲响应函数求系统传递函数(第3小题)
本卷实例
  • 关键一步:对余弦与指数相乘的脉冲响应作拉氏变换
  • 中间结果:取变换后按二阶振荡环节的一般形式合并
  • 卡点:变换时漏掉指数项带来的复频移
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由脉冲响应函数求系统传递函数(第3小题)
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
公式
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 求使闭环系统临界稳定的开环增益(第4小题)
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表让首列某元素为零求临界增益
  • 中间结果:临界点由劳斯表出现零元素或零行的条件给出
  • 卡点:劳斯表首列出现零时未作处理直接下结论
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
  • 本卷考过求使闭环系统临界稳定的开环增益(第4小题)
  • 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
本卷考法
  • 由开环传函求开环增益(第5小题)
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函化为尾一标准型再读常数因子
  • 中间结果:尾一标准型中的比例常数即为开环增益
  • 卡点:直接把分子系数当成开环增益
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
  • 本卷考过由开环传函求开环增益(第5小题)
  • 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
本卷考法
  • 求一阶微分环节在转折频率处的相频特性(第6小题)
本卷实例
  • 关键一步:代入转折频率计算反正切得到相位
  • 中间结果:转折频率处相位取零到九十度的中点
  • 卡点:把一阶微分与一阶惯性环节的相位符号用反
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
  • 本卷考过求一阶微分环节在转折频率处的相频特性(第6小题)
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 选在给定频率处提供最大相位超前角的校正装置(第7小题)
本卷实例
  • 关键一步:逐个装置按最大超前角对应的频率反推
  • 中间结果:最大超前角出现在两转折频率的几何中点
  • 卡点:不比较各装置转折频率就凭直觉选
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
  • 本卷考过选在给定频率处提供最大相位超前角的校正装置(第7小题)
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 判断给定串联校正装置属于哪种校正类型(第8小题)
本卷实例
  • 关键一步:比较分子与分母时间常数大小判别超前或滞后
  • 中间结果:分子时间常数小于分母时间常数时为滞后校正
  • 卡点:把滞后校正与滞后超前校正的传函形式混淆
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
  • 本卷考过判断给定串联校正装置属于哪种校正类型(第8小题)
  • 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
  • 由采样定理判断采样频率与最高信号频率的关系(第9小题)
本卷实例
  • 关键一步:回忆不失真还原要求采样频率不低于最高频率的两倍
  • 中间结果:临界采样频率为信号最高频率的两倍
  • 卡点:把采样定理的不等式方向写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 采样把连续信号变成脉冲序列,采样周期 T 是关键参数
  • 采样定理要求采样频率不低于信号最高频率的两倍
  • 采样频率不足会产生频率混叠
  • 零阶保持器把离散信号恢复为连续信号,并引入半个采样周期的延迟
步骤
  • 确定信号最高频率或系统带宽
  • 按采样定理确定采样频率与采样周期上限
  • 必要时加入前置滤波器抑制混叠
通用考法
  • 本卷考过由采样定理判断采样频率与最高信号频率的关系(第9小题)
  • 由信号最高频率确定采样周期
  • 判断给定采样频率是否满足采样定理
  • 说明零阶保持器的频率特性
常见易错
  • 把采样定理写成采样周期不大于信号周期即可
  • 忽略零阶保持器带来的相位滞后
公式
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 求使系统不能控或不能观的参数取值(第10小题)
本卷实例
  • 关键一步:找使传函分子分母产生零极点相消的参数
  • 中间结果:零极点相消会同时破坏能控性或能观性
  • 卡点:只检查可控性而漏掉可观测性
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
  • 本卷考过求使系统不能控或不能观的参数取值(第10小题)
  • 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

三三、由对数幅频特性与电路图求滞后校正电阻17 分#

思路
  • 先由图解法由对数幅频渐近线写出校正装置传函与参数,再由运算放大器虚短虚断列电路方程,联立解出三个电阻。
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 由有源校正装置的对数幅频特性反求其传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由渐近线斜率变化点读出转折频率并复原传函
  • 中间结果:低频段高度与转折频率决定传函的增益与时间常数
  • 卡点:对数幅频图只以图给出,转折频率需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由有源校正装置的对数幅频特性反求其传递函数
  • 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
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 由运算放大器有源网络列方程求元件参数
本卷实例
  • 关键一步:用虚短虚断写出输入输出复阻抗比的关系式
  • 中间结果:传函系数与电阻及电容的乘积一一对应
  • 卡点:电路图只以图给出,元件连接需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由运算放大器有源网络列方程求元件参数
  • 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

四四、结构图化简求闭环传递函数15 分#

思路
  • 按引出点后移、比较点前移把交叉结构化为串联并联与局部反馈,再逐层合并求输出对输入的传函。
比较点与引出点的移动 结构图与方框图
本卷考法
  • 用比较点与引出点的移动规则化简多回路结构图
本卷实例
  • 关键一步:先选一个可移动的引出点把交叉回路拆开
  • 中间结果:移动后各支路按乘除关系补齐等效环节
  • 卡点:结构图以图给出,移动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
  • 移动的判据:移动前后各支路变量关系必须保持不变
  • 比较点前移要除以所跨环节,后移要乘以所跨环节
  • 引出点前移要乘以所跨环节,后移要除以所跨环节
步骤
  • 确定要移动的点和跨越的环节
  • 按“前移用除、后移用乘”的规则补上等效环节
  • 检查移动后与原结构是否等价
通用考法
  • 本卷考过用比较点与引出点的移动规则化简多回路结构图
  • 化简含交叉比较点或引出点的结构图
  • 判断某次移动是否正确
常见易错
  • 移动方向与乘除关系搞反
  • 引出点与比较点的移动规则混用
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 逐层合并局部反馈回路求整体闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先化内环再化外环,避免内外环同时化简
  • 中间结果:每层化简结果代入上一层作为新的等效环节
  • 卡点:化简内环时把外环信号当常数处理
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
  • 本卷考过逐层合并局部反馈回路求整体闭环传函
  • 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

五五、由调节时间与峰值时间要求确定闭环极点区域10 分#

思路
  • 由调节时间约束反推极点实部下限,由峰值时间约束反推阻尼频率下限,在 s 平面画出两条件共同限定的区域。
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由调节时间和峰值时间要求画闭环极点允许区域
本卷实例
  • 关键一步:把两项指标分别化为对极点实部与虚部的约束
  • 中间结果:实部与虚部各得一条平行于坐标轴的边界
  • 卡点:把两种误差带下的调节时间系数记混
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
  • 本卷考过由调节时间和峰值时间要求画闭环极点允许区域
  • 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
  • 由给定动态性能指标反求极点参数范围
本卷实例
  • 关键一步:联立实部与虚部约束求交点确定区域边界
  • 中间结果:两约束的交集即为满足两项指标的极点区域
  • 卡点:只满足单项指标就画区域,未取交集
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
  • 本卷考过由给定动态性能指标反求极点参数范围
  • 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

六六、单位加速度输入下的稳态误差#

思路
  • 由已知闭环传函写误差传函,用终值定理把单位加速度输入下的稳态误差表示成传函系数的关系式;两源均未印本题分值故留空。
本卷考法
  • 由闭环传函写误差传递函数并求稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用单位反馈下误差等于参考输入减输出写出误差传函
  • 中间结果:误差传函由一减闭环传函得到,是 s 的有理函数
  • 卡点:非单位反馈时误把两种误差定义混用
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
  • 本卷考过由闭环传函写误差传递函数并求稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 求单位加速度函数输入下的系统稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理代入单位加速度输入的拉氏式求极限
  • 中间结果:稳态误差由误差传函在零点的展开式决定
  • 卡点:未先判稳就使用终值定理
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
  • 本卷考过求单位加速度函数输入下的系统稳态误差
  • 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

七七、以 kr 为可变参数的根轨迹与稳定范围15 分#

思路
  • 把特征方程整理成含 kr 的参数根轨迹形式,按绘制法则求起点终点、实轴段、分离点与虚轴交点,再由根轨迹判稳定范围。
本卷考法
  • 以开环增益以外的参数为变量绘制参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成参数根轨迹的标准乘积形式
  • 中间结果:等效开环传函的极零点即为参数根轨迹的起点与终点
  • 卡点:未把参数提成乘积形式就套常规根轨迹法则
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
  • 本卷考过以开环增益以外的参数为变量绘制参数根轨迹
  • 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
本卷考法
  • 由根轨迹求系统稳定时可变参数的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:找根轨迹与虚轴交点并判断穿越方向
  • 中间结果:稳定范围由根轨迹全部位于左半平面对应的参数区间给出
  • 卡点:只求交点值而漏掉两段参数区间的取舍
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
  • 本卷考过由根轨迹求系统稳定时可变参数的取值范围
  • 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

八八、概略绘制奈奎斯特曲线并确定稳定增益范围15 分#

思路
  • 写开环频率特性,求起点终点与和负实轴交点,用奈氏判据由包围圈数与右半平面极点数确定闭环稳定的增益范围。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 绘制奈氏曲线并用奈奎斯特判据确定稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数再判包围圈数
  • 中间结果:稳定条件由包围圈数与右半平面极点数共同给出
  • 卡点:含积分环节时未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
  • 本卷考过绘制奈氏曲线并用奈奎斯特判据确定稳定增益范围
  • 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
本卷考法
  • 写开环幅频与相频特性并求与负实轴交点
本卷实例
  • 关键一步:令相频等于负一百八十度求交点频率
  • 中间结果:交点频率由各环节相位之和等于负一百八十度确定
  • 卡点:各环节相位相加时漏掉某个环节
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
  • 本卷考过写开环幅频与相频特性并求与负实轴交点
  • 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

九九、描述函数法分析自持振荡振幅与频率10 分#

思路
  • 写线性部分频率特性与非线性描述函数的负倒特性,求两曲线交点,由交点判稳定与否并求自振振幅与频率。
本卷考法
  • 用描述函数法分析系统是否存在自持振荡并求自振参数
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分与负倒描述函数曲线的交点
  • 中间结果:交点处对应自持振荡的振幅与频率
  • 卡点:系统结构图只以图给出,线性部分连接需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 自振条件为 G(jω)N(A)=-1,即线性部分特性与负倒描述函数曲线相交
  • 交点给出自振频率 ω 与自振幅值 A
  • 负倒描述函数曲线上幅值增大的方向决定自振是否稳定
  • 交点处两条曲线的走向关系决定极限环稳定性
步骤
  • 求线性部分的频率特性 G(jω)
  • 求非线性环节的负倒描述函数 -1/N(A) 并确定 A 的增大方向
  • 在同一复平面上画两条曲线并求交点
  • 由交点处的走向判断自振是否存在且稳定,读出 ω 与 A
通用考法
  • 本卷考过用描述函数法分析系统是否存在自持振荡并求自振参数
  • 判断系统是否产生自持振荡
  • 求自振频率与自振幅值
  • 分析参数变化对自振的影响
常见易错
  • 画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
  • 未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 把交点频率当成截止频率
公式
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写理想继电器型非线性环节的描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按给定描述函数表达式与参数化简非线性特性
  • 中间结果:描述函数随振幅增大按反比规律衰减
  • 卡点:把饱和特性与理想继电器特性的描述函数用混
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过写理想继电器型非线性环节的描述函数
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式

十十、由状态响应求状态转移矩阵与系统矩阵10 分#

思路
  • 把两组初始状态与对应解写成矩阵等式,左乘初始状态矩阵的逆得到状态转移矩阵,再对其在零时刻求导得到系统矩阵。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由两组零输入状态响应反求状态转移矩阵与系统矩阵
本卷实例
  • 关键一步:把两组解与初值写成矩阵方程并按初值矩阵求逆
  • 中间结果:状态转移矩阵由响应矩阵与初值矩阵之积给出
  • 卡点:只列出一组初值导致矩阵方程不可解
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
  • 本卷考过由两组零输入状态响应反求状态转移矩阵与系统矩阵
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵在零时刻的导数确定系统矩阵
本卷实例
  • 关键一步:利用转移矩阵零时刻导数等于系统矩阵的关系
  • 中间结果:系统矩阵由转移矩阵在零点的变化率确定
  • 卡点:对含时间因子的元素求导时漏掉乘积法则
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
  • 本卷考过由状态转移矩阵在零时刻的导数确定系统矩阵
  • 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

十一十一、可观测标准形实现与状态反馈极点配置18 分#

思路
  • 由传递函数分别写出可控与可观标准形实现,验证能控性后设状态反馈矩阵,用期望闭环特征多项式比较系数解出反馈增益。
本卷考法
  • 由传递函数写状态空间的可观测标准形实现
本卷实例
  • 关键一步:先写可控标准形再按对偶关系转成可观标准形
  • 中间结果:可观标准形的系统矩阵为可控标准形系统矩阵的转置
  • 卡点:转置时把输入矩阵与输出矩阵的对应关系用反
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
  • 本卷考过由传递函数写状态空间的可观测标准形实现
  • 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
  • 用状态反馈把闭环极点配置到给定位置
本卷实例
  • 关键一步:由能控性矩阵判可控后设反馈增益矩阵
  • 中间结果:闭环特征多项式等于期望极点的多项式
  • 卡点:比较系数时把反馈增益的符号取反
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
  • 本卷考过用状态反馈把闭环极点配置到给定位置
  • 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