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杭州电子科技大学 861 自动控制理论(含现控) 2018 年真题思维导图

强势双非共 12 题合计 150 分

难度:中等 12 道计算题各自成块:结构图与梅森公式、测速反馈稳定域、稳态误差与主导极点、根轨迹、由对数幅频反求传函、奈氏判据、PD 串联校正、离散系统速度误差系数、描述函数法、状态响应、能控性与全维观测器,题量与综合度都较大。

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11、由结构图求C(s)/R(s)与C(s)/D(s)10 分#

思路
  • 两个输入分别置零,用结构图等效化简或梅森增益公式分别求出两路传递函数。
本卷考法
  • 用梅森增益公式求两输入系统的两路传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先求C(s)/R(s),再把扰动输入置零求C(s)/D(s)
  • 中间结果:两路传函共用同一个特征式分母
  • 卡点:回路与不接触回路计数易漏,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两输入系统的两路传递函数
  • 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
本卷考法
  • 多输入作用下分别求各输入的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:求某一路传函时必须把另一路输入清零
  • 中间结果:输出等于参考分量与扰动分量之和
  • 卡点:两路输入同时保留则无法套单入单出公式
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
  • 本卷考过多输入作用下分别求各输入的传递函数
  • 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

22、带测速反馈的伺服系统稳定范围15 分#

思路
  • 由结构图写闭环特征方程,列劳斯表,按首列不变号求K与Kh的稳定域。
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求使系统稳定的增益与测速反馈系数取值范围
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并令首列各元同号
  • 中间结果:稳定域由关于K与Kh的不等式组给出
  • 卡点:需分Kh大于、小于五分之一两种情形讨论
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
  • 本卷考过求使系统稳定的增益与测速反馈系数取值范围
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据分析含两个参数的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程系数逐行排成劳斯表
  • 中间结果:首列不变号对应闭环极点全在左半面
  • 卡点:参数不等式端点是否取等号容易写错
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分析含两个参数的稳定性
  • 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

33、阶跃稳态误差与主导极点法求响应15 分#

思路
  • 由开环传函与已知闭环极点写闭环传函,先求稳态误差,再用主导极点降阶估算响应。
本卷考法
  • 单位反馈系统单位阶跃输入下的稳态误差(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用终值定理求误差
  • 中间结果:误差由误差传递函数在原点附近的行为决定
  • 卡点:未先判稳就直接套终值定理
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
  • 本卷考过单位反馈系统单位阶跃输入下的稳态误差(第1问)
  • 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
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
  • 用主导极点把三阶系统降阶估算阶跃响应(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:保留主导极点对并保持低频增益不变
  • 中间结果:降阶后的响应形式由一对共轭极点确定
  • 卡点:舍去非主导极点时容易丢掉原增益
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把三阶系统降阶估算阶跃响应(第2问)
  • 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

44、绘制根轨迹并求渐近线与虚轴交点15 分#

思路
  • 由开环零极点按绘制法则画根轨迹,再求渐近线、分离点与虚轴交点。
本卷考法
  • 按绘制法则概略画出根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴根轨迹段与渐近线条数
  • 中间结果:根轨迹条数等于开环极点数
  • 卡点:渐近线夹角公式中的2k+1易写成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
  • 本卷考过按绘制法则概略画出根轨迹草图
  • 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
  • 求给定分离点处的根轨迹特征
本卷实例
  • 关键一步:用分离点方程并检验解是否在根轨迹上
  • 中间结果:分离点对应特征方程出现重根的位置
  • 卡点:不在根轨迹上的实根不能当分离点
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
  • 本卷考过求给定分离点处的根轨迹特征
  • 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增益
本卷实例
  • 关键一步:令特征方程中s等于纯虚数jω
  • 中间结果:虚轴交点由实部与虚部同时为零确定
  • 卡点:只解虚部方程会漏掉实部约束
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增益
  • 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

55、由对数幅频渐近线写传函并求相角裕度15 分#

思路
  • 由低频段斜率与各转折频率写出开环传函,再在剪切频率处求相角裕度。
本卷考法
  • 由开环对数幅频特性图反求传递函数(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:由低频斜率定积分环节数、由转折频率定时间常数
  • 中间结果:传函由型别、增益与各一阶环节串乘构成
  • 卡点:渐近线交点高度不是单纯的增益值
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
  • 本卷考过由开环对数幅频特性图反求传递函数(第1问)
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求系统的相角裕度(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:先求剪切频率再代入相频特性
  • 中间结果:相角裕度等于剪切频率处相位加180度
  • 卡点:剪切频率与穿越频率容易混用
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
  • 本卷考过求系统的相角裕度(第2问)
  • 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

66、绘制奈氏图并用判据判稳15 分#

思路
  • 写开环频率特性求起点终点与负实轴交点,用奈氏判据判断闭环稳定性与右半平面极点数。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半面极点数再数包围圈数
  • 中间结果:包围圈数与P的关系决定闭环右半面极点数
  • 卡点:开环含积分环节时勿忘补画无穷大圆弧
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
  • 本卷考过用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
  • 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
  • 求频率特性曲线与负实轴的交点
本卷实例
  • 关键一步:令相频等于负180度解交点频率
  • 中间结果:交点幅值决定曲线包围原点的关系
  • 卡点:相位累加时容易漏掉积分环节的负90度
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
  • 本卷考过求频率特性曲线与负实轴的交点
  • 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

77、PD串联校正前后的Bode图与裕度10 分#

思路
  • 分别画校正前G(s)与校正后Gc(s)G(s)的伯德图,由截止频率定义求截止频率与相角裕度。
本卷考法
  • 绘制校正前后的开环对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:逐段叠加各环节斜率画渐近线
  • 中间结果:PD校正使高频段斜率抬高
  • 卡点:转折频率处斜率的变化量容易记错
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
  • 本卷考过绘制校正前后的开环对数幅频特性
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正前后的截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由幅值等于1的条件解出截止频率
  • 中间结果:相角裕度由截止频率处的相位决定
  • 卡点:校正后截止频率改变需重算裕度
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
  • 本卷考过求校正前后的截止频率与相角裕度
  • 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
  • 说明PD串联校正对动态性能的作用
本卷实例
  • 关键一步:比较校正前后的频域指标变化
  • 中间结果:微分校正提高相角裕度并加快响应
  • 卡点:微分校正放大高频噪声的代价不能漏
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PD串联校正对动态性能的作用
  • 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

88、数字控制系统的静态速度误差系数10 分#

思路
  • 写z域开环脉冲传函,按离散系统静态速度误差系数定义在z趋于1时求值。
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静态速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:先写z域开环脉冲传函再取z趋于1的极限
  • 中间结果:速度误差系数由z等于1处的极点阶数决定
  • 卡点:未判闭环稳定就取极限会出错
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静态速度误差系数
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续对象与数字控制器写开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:按采样开关位置把连续部分作z变换
  • 中间结果:开环脉冲传函为G(z)与D(z)之积
  • 卡点:被采样开关隔开的环节不能直接相乘
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
  • 本卷考过由连续对象与数字控制器写开环脉冲传函
  • 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

99、描述函数法求极限环振幅与频率15 分#

思路
  • 写负倒描述函数,与线性部分奈氏曲线联立,由相角条件求频率、由幅值条件求振幅。
本卷考法
  • 用描述函数法求极限环的振幅与频率
本卷实例
  • 关键一步:令G(jω)等于负倒描述函数并分离实虚部
  • 中间结果:交点频率由线性部分相频等于负180度确定
  • 卡点:交点稳定与否要看振幅扰动后的走向
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求极限环的振幅与频率
  • 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
  • 由继电特性写描述函数与负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按非线性特性分段写出描述函数
  • 中间结果:负倒描述函数为沿负实轴变化的直线
  • 卡点:描述函数不是频率的函数
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
  • 本卷考过由继电特性写描述函数与负倒描述函数
  • 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

1010、由状态方程求单位斜坡响应10 分#

思路
  • 先求状态转移矩阵,再用状态响应公式叠加初始响应与输入卷积项。
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下的斜坡响应
本卷实例
  • 关键一步:由(sI-A)求逆后作拉氏反变换得转移矩阵
  • 中间结果:状态响应由零输入项与零状态卷积叠加
  • 卡点:卷积积分换元时变量对应关系易错
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下的斜坡响应
  • 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

1111、判断两系统的可控性10 分#

思路
  • 分别构造状态能控性矩阵,由矩阵是否满秩判断状态可控性。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用能控性矩阵的秩判断系统状态可控性(两小问)
本卷实例
  • 关键一步:写全B、AB、A²B等列向量再求秩
  • 中间结果:矩阵满秩则系统状态完全能控
  • 卡点:只算到A的n减2次方就下结论是常见错
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
  • 本卷考过用能控性矩阵的秩判断系统状态可控性(两小问)
  • 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

1212、全维状态观测器设计10 分#

思路
  • 先判能观性,再设观测器增益阵,由期望特征多项式比较系数求增益。
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计全维状态观测器并把观测器极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:令A-GC的特征多项式等于期望多项式
  • 中间结果:观测器增益由多项式系数比对唯一确定
  • 卡点:观测器增益阵与状态反馈增益阵勿混
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
  • 本卷考过设计全维状态观测器并把观测器极点配置到指定位置
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 配置观测器极点前先判断系统能观性
本卷实例
  • 关键一步:写能观性矩阵并验证其满秩
  • 中间结果:能观性满秩是观测器极点可任意配置的前提
  • 卡点:配置极点前必须先验证能观性
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
  • 本卷考过配置观测器极点前先判断系统能观性
  • 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