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天津工业大学 811 自动控制理论(含现控) 2020 年真题思维导图

强势双非共 8 题

难度:中等 全卷八个大题、两源均未逐题标分,覆盖结构图化简、含速度反馈与PI环节的传函与性能、非最小相位根轨迹、概略幅相曲线、串联校正、描述函数法、状态空间标准型与全维观测器。

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1一、结构图化简求 C(s)/R(s)(原卷有图)#

思路
  • 分别写出各回路与前向通路,用梅森公式求闭环传递函数,必要时配合逐步等效化简。
本卷考法
  • 用梅森公式求多回路结构图的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先列全部回路再写前向通路及其余子式
  • 中间结果:特征式由回路增益与不接触组合之差构成
  • 卡点: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
  • 本卷考过用梅森公式求多回路结构图的闭环传函
  • 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
  • 本卷考过不接触回路找漏或重复计数
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 逐层等效化简含交叉耦合的结构图
本卷实例
  • 关键一步:先并联合并串联再消内环
  • 中间结果:每步等效后各信号关系保持不变
  • 卡点:交叉处需先移动比较点再合并
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
  • 本卷考过逐层等效化简含交叉耦合的结构图
  • 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
  • 本卷考过化简内环时把外环信号当常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由串联、并联与反馈等效写出闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:按反馈等效把内环化为单个环节
  • 中间结果:闭环分母为 1 加开环传函
  • 卡点:各环节极性与原卷符号需一致
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
  • 本卷考过由串联、并联与反馈等效写出闭环传函
  • 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
  • 本卷考过负反馈分母误写成 1 减开环传函
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式

2二、含速度反馈与PI环节的结构图求性能(原卷有图)#

思路
  • 由结构图列回路求闭环传函,再按二阶标准形式、劳斯判据与终值定理依次求性能、稳定范围与稳态误差。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 含两个独立回路的结构图求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:分别写两回路增益再求特征式
  • 中间结果:闭环分子为前向通路增益
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过含两个独立回路的结构图求闭环传函
  • 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
  • 本卷考过两回路公共节点的判断出错
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环传函求调节时间
本卷实例
  • 关键一步:先与二阶标准形式对照取阻尼比与自然频率
  • 中间结果:调节时间与阻尼比自然频率之积成反比
  • 卡点:阻尼比要先由闭环分母系数确定
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
  • 本卷考过由闭环传函求调节时间
  • 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
  • 本卷考过两种误差带对应的系数混用
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 列劳斯表求参数τ的稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:写出特征方程再按劳斯表逐行计算
  • 中间结果:稳定条件由首列各元素同号给出
  • 卡点:参数同时出现在二次与一次项系数中
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
  • 本卷考过列劳斯表求参数τ的稳定范围
  • 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
  • 本卷考过首列出现零时未用 ε 法
  • 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
  • 由终值定理求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写误差传函再乘输入拉氏变换取极限
  • 中间结果:误差系数与开环积分环节数相关
  • 卡点:终值定理前需先确认系统稳定
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
  • 本卷考过由终值定理求单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过未先判稳就直接用终值定理
  • 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

3三、非最小相位系统根轨迹与稳定范围#

思路
  • 先画含右半平面零点的根轨迹,再由出射角、分离点与虚轴交点求稳定范围与过阻尼范围。
本卷考法
  • 按法则绘制含右半平面零点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标开环零极点再定实轴段与渐近线
  • 中间结果:根轨迹条数等于开环极点数
  • 卡点:复极点出射角需另按相角条件求
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
  • 本卷考过按法则绘制含右半平面零点的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:按相角条件列出射角方程
  • 中间结果:两共轭极点出射角互为相反数
  • 卡点:象限判断失误会使角度差 180 度
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 出射角是根轨迹离开开环极点的方向
  • 入射角是根轨迹进入开环零点的方向
  • 计算时需代入相角条件并逐项累加各零极点贡献的相角
  • 共轭复数极点的出射角互为相反数
步骤
  • 取待求极点(或零点)为参考点
  • 写出相角条件并代入该点
  • 把其余零极点的相角移到等式右边累加
  • 求反正切得到出射角或入射角
通用考法
  • 本卷考过求复数极点的出射角
  • 求复数极点的出射角
  • 根据出射角画出根轨迹起始方向
  • 由入射角确定根轨迹终止方向
常见易错
  • 本卷考过累加相角时把该极点自身也算进去
  • 累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 忘记判断象限导致角度差 180°
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 s 等于 jω 代入特征方程分离实虚部
  • 中间结果:交点频率与临界根轨迹增益成对出现
  • 卡点:临界增益需与开环增益按比例换算
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
  • 本卷考过只代一个 ω 就下结论
  • 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
  • 由过阻尼条件确定根轨迹增益范围
本卷实例
  • 关键一步:用过阻尼对应的分离点增益定下界
  • 中间结果:过阻尼范围在分离点增益与临界增益之间
  • 卡点:开环增益与根轨迹增益差一个比例系数
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
  • 本卷考过由过阻尼条件确定根轨迹增益范围
  • 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
  • 本卷考过把等阻尼线画成垂直线
  • 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

4四、绘制开环概略幅相特性曲线#

思路
  • 写出幅频与相频表达式,分析起点、终点与中间特征点,据此画出概略幅相曲线并判稳。
本卷考法
  • 由传函写幅频相频并求特殊频率处取值
本卷实例
  • 关键一步:先写频率特性再分离幅频与相频
  • 中间结果:相频随频率单调变化
  • 卡点:三个积分环节使低频相角为负 270 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
  • 本卷考过由传函写幅频相频并求特殊频率处取值
  • 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
  • 本卷考过求幅值时忘记把分母复数取模
  • 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
本卷考法
  • 分析低频段斜率与系统型别的关系
本卷实例
  • 关键一步:由积分环节数确定低频渐近线斜率
  • 中间结果:型别越高低频段幅值越大
  • 卡点:两个一阶微分环节会抬高高频段
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
  • 本卷考过分析低频段斜率与系统型别的关系
  • 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
  • 本卷考过低频段起始高度没乘型别系数
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由幅相曲线与实轴交点判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P
  • 中间结果:包围圈数与 P 共同决定闭环稳定性
  • 卡点:穿越负实轴的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
  • 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
  • 本卷考过由幅相曲线与实轴交点判断稳定性
  • 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
  • 本卷考过含积分环节时未补画无穷大圆弧
  • 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

5五、串联校正装置设计(原卷有图)#

思路
  • 由稳态误差要求定开环增益,再按相角裕度与截止频率要求选滞后或滞后-超前网络并回代校验。
本卷考法
  • 把稳态与相角裕度指标折算成频域要求
本卷实例
  • 关键一步:先由速度误差系数要求确定开环增益
  • 中间结果:未校正系统的相角裕度明显不足
  • 卡点:指标同时含误差系数与截止频率
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过把稳态与相角裕度指标折算成频域要求
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率混用
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联滞后校正装置
本卷实例
  • 关键一步:按欲保留的相角裕度选新的截止频率
  • 中间结果:滞后网络用高频衰减换相角裕度
  • 卡点:校正后需回代校验相角裕度
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
  • 本卷考过设计串联滞后校正装置
  • 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
  • 本卷考过两个转折频率顺序写反
  • 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
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 在截止频率要求下改用滞后超前校正
本卷实例
  • 关键一步:先用超前网络抬高中频段增益
  • 中间结果:再串滞后网络压低高频段增益
  • 卡点:两级转折频率分布容易重叠
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 兼顾稳态精度与动态性能,适合指标要求较高的场合
  • 低频段用滞后部分提高增益,中高频段用超前部分提高裕度
  • 设计时先确定超前部分,再确定滞后部分
步骤
  • 按稳态精度要求确定开环增益
  • 选择新的截止频率并计算超前部分参数
  • 计算为把低频增益抬到要求值所需的滞后部分参数
  • 合并写出校正装置并校验
通用考法
  • 本卷考过在截止频率要求下改用滞后超前校正
  • 设计滞后-超前校正装置
  • 说明为何单一校正无法满足指标
  • 分析校正后系统的低频与高频特性
常见易错
  • 本卷考过先设计滞后导致截止频率反复调整
  • 先设计滞后部分导致截止频率反复调整
  • 两部分的转折频率分布重叠,互相削弱
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正前后相角裕度并比较
本卷实例
  • 关键一步:在幅频穿越零分贝处求相角余量
  • 中间结果:校正后相角裕度须大于指标要求
  • 卡点:截止频率改变会带来附加相角损失
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相角裕度并比较
  • 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
  • 本卷考过幅值裕度取倒数未取
  • 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

6六、描述函数法分析稳定性(原卷有图)#

思路
  • 写出非线性环节的描述函数与负倒描述函数曲线,与线性部分幅相曲线比较,判断是否存在自持振荡。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定非线性环节求描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按一次谐波近似写描述函数表达式
  • 中间结果:描述函数只随输入幅值变化
  • 卡点:非线性环节以文字给出需回原卷核对
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
  • 本卷考过由给定非线性环节求描述函数
  • 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
  • 本卷考过把描述函数当成频率的函数
  • 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
  • 由负倒描述函数与线性部分交点判断自振
本卷实例
  • 关键一步:在同一复平面画两条曲线并求交点
  • 中间结果:交点给出自振频率与振幅
  • 卡点:交点处幅值增大方向的稳定性需判断
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
  • 本卷考过由负倒描述函数与线性部分交点判断自振
  • 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
  • 本卷考过画的是描述函数而不是负倒描述函数
  • 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
本卷考法
  • 分析该非线性特性对系统性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较非线性特性与线性增益的偏离方向
  • 中间结果:等效增益随振荡幅值变化
  • 卡点:需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过分析该非线性特性对系统性能的影响
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 本卷考过认为饱和总是使系统更稳定
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式

7七、由闭环传函写三种标准型#

思路
  • 先由闭环传函判断阶数并做真分式化分,再分别写出能控标准型、能观标准型与约当对角型。
本卷考法
  • 由传递函数写能控标准型与能观标准型
本卷实例
  • 关键一步:按分母系数直接写友矩阵形式
  • 中间结果:能观标准型与能控标准型互为转置
  • 卡点:分子分母同阶时需先做真分式化分
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能控标准型与能观标准型
  • 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
  • 本卷考过友矩阵中系数符号写反
  • 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
本卷考法
  • 由闭环传函判断是否存在零极点对消
本卷实例
  • 关键一步:先分解分子分母再比较零点极点
  • 中间结果:无对消时该实现为最小实现
  • 卡点:公共因子是否约去会影响系统阶数
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
  • 本卷考过由闭环传函判断是否存在零极点对消
  • 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
  • 本卷考过把特征值个数与传函极点数直接等同
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由标准型判断能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性矩阵并判断其秩
  • 中间结果:能控标准型本身即能控
  • 卡点:对角型含重根时会改变能控性
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
  • 本卷考过由标准型判断能控性与能观性
  • 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
  • 本卷考过只算到 A 的 n 减 2 次幂就下结论
  • 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

8八、全维状态观测器设计(原卷有图)#

思路
  • 先判断系统能观性,再由期望观测器极点确定增益阵,写出观测器方程并画出状态变量图。
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 按期望极点设计全维状态观测器
本卷实例
  • 关键一步:写观测器特征多项式并与期望式比较系数
  • 中间结果:观测器增益由系数比较唯一确定
  • 卡点:观测器极点应比系统极点配置得更快
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
  • 本卷考过按期望极点设计全维状态观测器
  • 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
  • 本卷考过把观测器增益阵写成状态反馈增益阵的形式
  • 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
  • 先判断系统能观性再设计观测器
本卷实例
  • 关键一步:构造能观性矩阵并判断其秩
  • 中间结果:能观性矩阵满秩才能任意配置观测器极点
  • 卡点:输出矩阵元素需按原卷取全
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
  • 本卷考过先判断系统能观性再设计观测器
  • 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
  • 本卷考过把能控性判据与能观性判据搞混
  • 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
  • 由状态反馈与观测器组合构成闭环
本卷实例
  • 关键一步:按分离原理分别设计反馈与观测器
  • 中间结果:闭环极点为反馈与观测器极点之并
  • 卡点:状态变量图以插图给出,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
  • 本卷考过由状态反馈与观测器组合构成闭环
  • 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
  • 本卷考过未验证能控性就直接配置极点
  • 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