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燕山大学 830 控制原理 2022 年真题思维导图

强势双非共 6 题

难度:中等 6 题 150 分:方框图化简、由特征方程反求传函与性能指标、根轨迹与 Nyquist、状态空间能控能观、Bode 超前校正、状态反馈与观测器

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1方框图求系统传递函数#

思路
  • 已知系统框图,用梅森公式或逐层化简求 C(s)/R(s)
本卷考法
  • 由系统框图用梅森增益公式求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:从框图数出独立回路、两两不接触回路和前向通路
  • 中间结果:按特征式和各前向通路余子式写出总传输
  • 卡点:本题系统框图以图给出,回路与通路需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由系统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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 逐层化简多回路系统框图
本卷实例
  • 关键一步:由最内层回路向外逐级求等效传递函数
  • 中间结果:内环等效后再参与外层串并联化简
  • 卡点:结构图以图给出,化简层级需回原卷核对图
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
  • 本卷考过逐层化简多回路系统框图
  • 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
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

2由特征方程反求传函与性能指标#

思路
  • D(s)=s³+9s²+18s+K₁:求无零点 I 型开环传函与根轨迹;给定实极点求超调量与时间指标;由阻尼比与误差上界定参数
本卷考法
  • 由闭环特征方程反求无零点 I 型系统的开环传函
本卷实例
  • 关键一步:I 型无零点系统的开环分母对应特征式去掉常数项
  • 中间结果:开环传函为常增益除以含三个极点的分母
  • 卡点:开环极点由特征方程因式分解得到,注意零是其中一个
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
  • 本卷考过由闭环特征方程反求无零点 I 型系统的开环传函
  • 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
  • 绘制根轨迹增益由零到正无穷时的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出开环极点并判断实轴上的根轨迹段
  • 中间结果:渐近线交点和夹角由极点个数与位置算出
  • 卡点:实轴段判据要数该段右侧零极点总数为奇数
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
  • 本卷考过绘制根轨迹增益由零到正无穷时的根轨迹
  • 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
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由给定闭环极点求最大超调量与调节时间等指标
本卷实例
  • 关键一步:先判断主导极点,把高阶系统降阶为二阶
  • 中间结果:由降阶后的二阶系统读出阻尼比和自然频率
  • 卡点:调节时间要区分百分之五和百分之二两种误差带
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
  • 本卷考过由给定闭环极点求最大超调量与调节时间等指标
  • 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
本卷考法
  • 由斜坡输入下的稳态误差上界反求参数
本卷实例
  • 关键一步:I 型系统的速度误差系数等于开环增益除以常数
  • 中间结果:由误差不等式得到参数的下界
  • 卡点:斜坡误差不要套成阶跃输入的位置误差公式
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
  • 本卷考过由斜坡输入下的稳态误差上界反求参数
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求参数的稳定上界
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并令首列各元素大于零
  • 中间结果:由不等式组得到参数的稳定区间
  • 卡点:稳定域还要与误差要求取交集
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
  • 本卷考过用劳斯判据求参数的稳定上界
  • 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

3根轨迹反求传函与 Nyquist 判稳#

思路
  • 根轨迹图(原点为二重极点):反求开环传函;增益为一时的奈奎斯特图与稳定裕度;由奈氏图判断稳定增益范围
本卷考法
  • 由给定根轨迹图反求系统开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:从图上读出开环极点与零点,注意原点处是二重极点
  • 中间结果:由零极点分布写出开环传函的零极点形式
  • 卡点:本题根轨迹以图给出,零极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
  • 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
  • 本卷考过由给定根轨迹图反求系统开环传递函数
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 绘制奈奎斯特图并标注两处穿越频率与稳定裕度
本卷实例
  • 关键一步:写出开环幅相表达式,二重积分环节使起点相角为负 180 度
  • 中间结果:随频率增大幅值趋于零而相角继续下降
  • 卡点:含二重积分环节要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
  • 本卷考过绘制奈奎斯特图并标注两处穿越频率与稳定裕度
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求系统稳定时开环增益的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:由幅值裕度大于一或劳斯表首列条件列增益不等式
  • 中间结果:两种方法得到不同上界时应取更严格的那个
  • 卡点:答案段指出奈奎斯特法所得范围更小,两法不一致要取交集
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
  • 本卷考过求系统稳定时开环增益的取值范围
  • 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

4组合系统的状态空间与能控能观#

思路
  • 两个 SISO 子系统反馈连接(图给出):列组合状态空间表达式、判能控能观、求传递函数
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由两个子系统的反馈连接列写组合状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按反馈关系把中间输入代入各自状态方程消元
  • 中间结果:组合系统的矩阵呈按子系统分块的形式
  • 卡点:本题反馈连接以图给出,连接极性需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由两个子系统的反馈连接列写组合状态空间表达式
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断组合系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控与能观判别矩阵并求秩
  • 中间结果:两个判别矩阵都满秩说明既完全能控又完全能观
  • 卡点:能控和能观判别矩阵的构造方式不同
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
  • 本卷考过判断组合系统的能控性与能观性
  • 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
  • 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系统的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用输出矩阵左乘状态矩阵的逆再右乘输入矩阵
  • 中间结果:先算状态矩阵的逆再按顺序相乘
  • 卡点:矩阵相乘顺序不能颠倒,直接项别漏
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系统的传递函数
  • 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

5Bode 图与串联超前校正#

思路
  • G0=K/[s(2s+1)(0.125s+1)]:增益为四时画 Bode;设计串联校正使其在指定频率提供 45 度相角;判断校正后性能变化
本卷考法
  • 绘制未校正系统的对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:低频段斜率为负 20,两个转折频率处各再降 20
  • 中间结果:由渐近线在零分贝处的交点估出剪切频率
  • 卡点:低频段高度由增益决定,不要漏乘型别带来的斜率
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
  • 本卷考过绘制未校正系统的对数幅频特性
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按给定相角要求设计串联超前校正装置
本卷实例
  • 关键一步:由两个转折频率处的相角差等于给定超前角列方程
  • 中间结果:解出分度系数后再由最小转折频率定时间常数
  • 卡点:超前校正的分度系数大于一,不要写成滞后网络形式
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
  • 本卷考过按给定相角要求设计串联超前校正装置
  • 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
  • 说明串联校正后系统动、稳态特性的变化
本卷实例
  • 关键一步:从校正前后剪切频率与相角裕度的变化作对比
  • 中间结果:超前校正提高剪切频率和相角裕度,加快响应
  • 卡点:超前校正对稳态精度的改善有限,不要夸大
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
  • 本卷考过说明串联校正后系统动、稳态特性的变化
  • 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
  • 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

6状态反馈与全维观测器#

思路
  • 状态空间表达式以图给出:设计状态反馈使闭环极点为负二与负一;设计二重极点观测器;画带观测器的状态变量图
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈使闭环极点为给定值
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写出目标特征多项式并与闭环特征多项式比系数
  • 中间结果:比较同次幂系数解出反馈增益阵
  • 卡点:先验证能控性;本题状态方程以图给出,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
  • 本卷考过设计状态反馈使闭环极点为给定值
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计具有二重极点的全维状态观测器
本卷实例
  • 关键一步:由期望二重极点写出观测器误差特征多项式并比系数
  • 中间结果:由误差动态矩阵的特征方程解出观测器增益阵
  • 卡点:观测器误差动态的符号与状态反馈不同,别混用
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
  • 本卷考过设计具有二重极点的全维状态观测器
  • 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
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 绘制带观测器的状态反馈系统状态变量图
本卷实例
  • 关键一步:按对象方程与观测器方程把积分器和比较点连成图
  • 中间结果:图中同时含对象状态和观测状态两套积分器
  • 卡点:状态变量图以题图为准,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
  • 本卷考过绘制带观测器的状态反馈系统状态变量图
  • 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