燕山大学自动控制原理考试大纲
考试内容包括经典控制理论（不包括采样控制系统和非线性部分）和现代控制理论（仅包含三章）两部分。经典控制理论内容占70%，现代控制理论内容占30%。 经典控制理论部分 第一章简介 1。掌握自动控制系统的工作原理、其组成和几种不同的分类。 2。重点掌握反馈的概念、基本控制方法以及控制系统的基本要求。 第2章线性系统的数学模型 控制理论的两大任务是系统分析和系统设计。在系统分析和设计中，首先必须建立所研究系统的数学模型。本章主要给出经典控制理论中使用的系统数学模型传递函数的建立。 本章要求： 1。需要掌握的概念：传递函数；极点和零点；开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数；典型链接的传递函数。 2．掌握建立电气系统和机械系统微分方程和传递函数模型的方法。 3。重点掌握框图简化或信号流图梅森增益公式的建模方法，以获得系统传递函数。 第3章控制系统时域分析 根据研究系统所使用的数学模型的不同，分析方法也不同。本章给出了系统时域分析方法，利用系统传递函数的数学模型来获得时间响应。主要分析系统的三个基本性能，即系统的稳定性（stability）、准确度（accuracy）和速度（rapidness）。稳定性是系统工作的必要条件；快速性和相对稳定性（振荡幅度）是评价系统动态响应的性能指标；精度是指系统稳态响应的稳态精度，用稳态误差来衡量。请注意：这里讨论的稳态误差是指由输入信号和系统结构引起的系统稳态误差。 本章要求： 1。掌握的概念：稳定性；动态（或瞬态）性能指标（最大超调、上升时间、峰值时间、调整时间）；稳态（静态）性能指标（稳态误差）；一阶和二阶系统的主要特征参数；欠阻尼、临界阻尼和过阻尼系统的特性；主导极点。 2．重点掌握系统稳定性判断（劳斯准则）；稳态误差最终值的计算（包括三个稳态误差系数的计算）；以及二阶系统动态性能指标的计算。 3。掌握使用主极点的高阶系统模型的简化和性能分析。 第四章根轨迹法 闭环系统特征方程根（系统闭环极点）在S平面上的分布完全决定了系统的稳定性，主要决定了系统的动态性能。因此，根轨迹（闭环系统特征方程的根随系统参数变化而在S平面上形成的轨迹）可以分析系统性能。根轨迹法是经典控制理论中系统分析与设计的两种主要方法之一。它使用开环传递函数来分析闭环系统的性能。根轨迹绘制是以根轨迹方程为基础的（由根轨迹方程演变为绘制根轨迹的基本条件和基本规则）。根轨迹方程的差异导致180度（负反馈）根轨迹和零度（正反馈）根轨迹的分类，系统变分参数的差异导致常规根轨迹和参数根轨迹的分类轨迹。 本章要求： 1．需要掌握的概念：根轨迹；常规根轨迹；相位角条件、幅度条件；根轨迹增益。 2．重点掌握常规根轨迹的绘制（参数根轨迹和零度根轨迹不需要）。 3．掌握添加开环零点和极点对根轨迹的影响；利用根轨迹来分析系统的稳定性和某些动态响应特性（如衰减振荡、无超调等）。 第五章控制系统频域分析 频域分析是经典控制理论中系统分析和设计的另一个主要方法。所采用的系统数学模型是频率特性。频率特性描述了正弦输入作用下系统稳态响应的幅值和相位与输入信号幅值和相位之间的关系。其表达式为将传递函数G(s)中的s替换为jω得到的G()。 jω）。频域分析方法包括利用开环频率特性分析闭环系统性能和直接利用闭环频率特性分析系统性能，但主要指利用开环频率特性的分析方法。频域分析是利用开环频率特性的幅相频率特性图（奈奎斯特图）和对数频率特性图（伯德图）来分析系统性能（稳定性、动态性能、稳态性能）的图形分析方法。表现）;系统的动态性能指标是频域指标（幅度交叉频率、相角交叉频率、相位角裕度、幅度裕度等），与时域指标（超调、调整时间）密切相关。 本章要求： 1．掌握的概念：频率特性；开环频率特性、闭环频率特性；最小相位系统；幅度交叉频率（剪切频率）、相角交叉频率、相角裕度、幅度裕度；谐振频率、谐振峰值；截止频率、频带宽度；三个频段。 2．重点掌握开环频率特性的奈奎斯特图和伯德图的绘制；从伯德图确定系统传递函数。 3．重点掌握奈奎斯特稳定性判据；使用伯德图计算幅度和相位角交叉频率以及幅度和相位角裕度。 第六章控制系统的标定 当系统的性能指标达不到要求时，必须在系统中增加一些附加设备，使系统性能满足规定指标的要求。引入的装置称为校正装置，设计校正装置的相应过程称为校正。按校正装置的功能分为相位滞后校正、相位超前校正和相位滞后超前校正装置；根据校正装置在系统中的位置，校正方法分为串联校正、并联校正和反馈校正。校正设计方法包括频率法校正和根轨迹法校正。本章仅需要频率法校正。 本章要求： 1。需要掌握的概念：矫正的本质；修正方法；矫正装置的类型、特点和功能。 2．掌握频率特性法确定串联校正装置，并注意第5章伯德图分析系统方法的综合应用。 现代控制理论部分 （对离散系统建模和分析无要求，对多变量系统无要求，即以线性稳态连续单变量系统为主） 第一章控制系统状态空间表达 现代控制理论采用的系统数学模型是状态空间表达式。本章是线性稳态系统状态空间表达式的建立。 本章要求： 1。掌握的概念：状态变量、状态方程、输出方程；状态变量和状态模型的非唯一性；非奇异线性坐标变换对系统基本性能（特征值、传递函数）的影响。 2．掌握建立电气系统和机械系统状态空间表达式的方法。 3。重点掌握从系统框图和传递函数建立状态空间表达式的方法；从状态空间表达式中找到传递函数。 第3章线性控制系统的可控性和可观性 本章属于系统的性能分析。可控性和可观测性是利用反映系统内部结构特征的状态变量来描述系统而产生的概念。系统可控性反映了控制输入控制所有状态的能力。 ;系统可观测性是指系统输出反映所有状态的能力。系统的可控性是指系统的所有状态都可以控制，系统的可观性是指系统的所有状态都可以观测到；状态可控意味着状态由控制输入控制，状态可观察意味着系统输出包含有关该状态的信息。系统可控性是最优控制的前提，系统可视性是良好实现状态反馈控制的前提。因此，为了很好地控制实际系统并获得满意的控制性能，有必要研究系统的可控性和可观性。本章的中心内容是系统可控性和可观性的判别。 本章要求： 1．掌握的概念：系统的可控性和可观测性；状态可控性和可观察性；非奇异坐标变换对系统可控性和可观性的影响；传递函数零、极点抵消与系统可控性、可观性的关系；单变量系统的最小实现。 2．重点掌握确定可控性和可观察性的标准。 3。掌握从传递函数建立可控标准型I、可观标准型II、Jordan标准型的方法。 第5章线性平稳系统的综合 本章属于现代控制理论的系统设计部分。前面提到的建模和系统分析理论在这里得到了综合运用，因此本章是现代控制理论的中心内容。现代控制理论中系统的控制方法包括状态反馈控制和输出反馈控制；对于可控系统来说，状态反馈可以实现闭环系统的任意极点配置，而输出反馈则不能实现系统的任意极点配置。当系统状态变量并非全部可测时，状态反馈控制的实施受到限制。此时的解决方案之一就是构造一个状态观察器。然而，并非所有系统都可以建立观察者。设立观察员有一定的标准。 ，系统需要满足一定的条件，观察者才能存在。状态反馈控制律和观测器设计中常用的方法是极点配置法。在线性系统中利用状态观测器实现状态反馈的控制系统设计满足分离原理。 本章要求： 1。需要掌握的概念：状态反馈、输出反馈、它们对系统可控性和可观性的影响、它们与系统闭环极点任意配置的关系、它们与系统稳定性的关系；观察者及其存在条件；观察者极点任意配置的条件。 2．重点掌握状态反馈极配置的设计方法。 3。掌握全维观测器的设计方法；不需要降维观察者。 4。掌握状态空间表达式描述的系统仿真结构图的绘制。
考试内容包括经典控制理论（不包括采样控制系统和非线性部分）和现代控制理论（仅包含三章）两部分。经典控制理论内容占70%，现代控制理论内容占30%。 经典控制理论部分 第一章简介 1。掌握自动控制系统的工作原理、其组成和几种不同的分类。 2。重点掌握反馈的概念、基本控制方法以及控制系统的基本要求。 第2章线性系统的数学模型 控制理论的两大任务是系统分析和系统设计。在系统分析和设计中，首先必须建立所研究系统的数学模型。本章主要给出经典控制理论中使用的系统数学模型传递函数的建立。 本章要求： 1。需要掌握的概念：传递函数；极点和零点；开环传递函数、闭环传递函数、误差传递函数；典型链接的传递函数。 2．掌握建立电气系统和机械系统微分方程和传递函数模型的方法。 3。重点掌握框图简化或信号流图梅森增益公式的建模方法，以获得系统传递函数。 第3章控制系统时域分析 根据研究系统所使用的数学模型的不同，分析方法也不同。本章给出了系统时域分析方法，利用系统传递函数的数学模型来获得时间响应。主要分析系统的三个基本性能，即系统的稳定性（stability）、准确度（accuracy）和速度（rapidness）。稳定性是系统工作的必要条件；快速性和相对稳定性（振荡幅度）是评价系统动态响应的性能指标；精度是指系统稳态响应的稳态精度，用稳态误差来衡量。请注意：这里讨论的稳态误差是指由输入信号和系统结构引起的系统稳态误差。 本章要求： 1。掌握的概念：稳定性；动态（或瞬态）性能指标（最大超调、上升时间、峰值时间、调整时间）；稳态（静态）性能指标（稳态误差）；一阶和二阶系统的主要特征参数；欠阻尼、临界阻尼和过阻尼系统的特性；主导极点。 2．重点掌握系统稳定性判断（劳斯准则）；稳态误差最终值的计算（包括三个稳态误差系数的计算）；以及二阶系统动态性能指标的计算。 3。掌握使用主极点的高阶系统模型的简化和性能分析。 第四章根轨迹法 闭环系统特征方程根（系统闭环极点）在S平面上的分布完全决定了系统的稳定性，主要决定了系统的动态性能。因此，根轨迹（闭环系统特征方程的根随系统参数变化而在S平面上形成的轨迹）可以分析系统性能。根轨迹法是经典控制理论中系统分析与设计的两种主要方法之一。它使用开环传递函数来分析闭环系统的性能。根轨迹绘制是以根轨迹方程为基础的（由根轨迹方程演变为绘制根轨迹的基本条件和基本规则）。根轨迹方程的差异导致180度（负反馈）根轨迹和零度（正反馈）根轨迹的分类，系统变分参数的差异导致常规根轨迹和参数根轨迹的分类轨迹。 本章要求： 1．需要掌握的概念：根轨迹；常规根轨迹；相位角条件、幅度条件；根轨迹增益。 2．重点掌握常规根轨迹的绘制（参数根轨迹和零度根轨迹不需要）。 3．掌握添加开环零点和极点对根轨迹的影响；利用根轨迹来分析系统的稳定性和某些动态响应特性（如衰减振荡、无超调等）。 第五章控制系统频域分析 频域分析是经典控制理论中系统分析和设计的另一个主要方法。所采用的系统数学模型是频率特性。频率特性描述了正弦输入作用下系统稳态响应的幅值和相位与输入信号幅值和相位之间的关系。其表达式为将传递函数G(s)中的s替换为jω得到的G()。 jω）。频域分析方法包括利用开环频率特性分析闭环系统性能和直接利用闭环频率特性分析系统性能，但主要指利用开环频率特性的分析方法。频域分析是利用开环频率特性的幅相频率特性图（奈奎斯特图）和对数频率特性图（伯德图）来分析系统性能（稳定性、动态性能、稳态性能）的图形分析方法。表现）;系统的动态性能指标是频域指标（幅度交叉频率、相角交叉频率、相位角裕度、幅度裕度等），与时域指标（超调、调整时间）密切相关。 本章要求： 1．掌握的概念：频率特性；开环频率特性、闭环频率特性；最小相位系统；幅度交叉频率（剪切频率）、相角交叉频率、相角裕度、幅度裕度；谐振频率、谐振峰值；截止频率、频带宽度；三个频段。 2．重点掌握开环频率特性的奈奎斯特图和伯德图的绘制；从伯德图确定系统传递函数。 3．重点掌握奈奎斯特稳定性判据；使用伯德图计算幅度和相位角交叉频率以及幅度和相位角裕度。 第六章控制系统的标定 当系统的性能指标达不到要求时，必须在系统中增加一些附加设备，使系统性能满足规定指标的要求。引入的装置称为校正装置，设计校正装置的相应过程称为校正。按校正装置的功能分为相位滞后校正、相位超前校正和相位滞后超前校正装置；根据校正装置在系统中的位置，校正方法分为串联校正、并联校正和反馈校正。校正设计方法包括频率法校正和根轨迹法校正。本章仅需要频率法校正。 本章要求： 1。需要掌握的概念：矫正的本质；修正方法；矫正装置的类型、特点和功能。 2．掌握频率特性法确定串联校正装置，并注意第5章伯德图分析系统方法的综合应用。 现代控制理论部分 （对离散系统建模和分析无要求，对多变量系统无要求，即以线性稳态连续单变量系统为主） 第一章控制系统状态空间表达 现代控制理论采用的系统数学模型是状态空间表达式。本章是线性稳态系统状态空间表达式的建立。 本章要求： 1。掌握的概念：状态变量、状态方程、输出方程；状态变量和状态模型的非唯一性；非奇异线性坐标变换对系统基本性能（特征值、传递函数）的影响。 2．掌握建立电气系统和机械系统状态空间表达式的方法。 3。重点掌握从系统框图和传递函数建立状态空间表达式的方法；从状态空间表达式中找到传递函数。 第3章线性控制系统的可控性和可观性 本章属于系统的性能分析。可控性和可观测性是利用反映系统内部结构特征的状态变量来描述系统而产生的概念。系统可控性反映了控制输入控制所有状态的能力。 ;系统可观测性是指系统输出反映所有状态的能力。系统的可控性是指系统的所有状态都可以控制，系统的可观性是指系统的所有状态都可以观测到；状态可控意味着状态由控制输入控制，状态可观察意味着系统输出包含有关该状态的信息。系统可控性是最优控制的前提，系统可视性是良好实现状态反馈控制的前提。因此，为了很好地控制实际系统并获得满意的控制性能，有必要研究系统的可控性和可观性。本章的中心内容是系统可控性和可观性的判别。 本章要求： 1．掌握的概念：系统的可控性和可观测性；状态可控性和可观察性；非奇异坐标变换对系统可控性和可观性的影响；传递函数零、极点抵消与系统可控性、可观性的关系；单变量系统的最小实现。 2．重点掌握确定可控性和可观察性的标准。 3。掌握从传递函数建立可控标准型I、可观标准型II、Jordan标准型的方法。 第5章线性平稳系统的综合 本章属于现代控制理论的系统设计部分。前面提到的建模和系统分析理论在这里得到了综合运用，因此本章是现代控制理论的中心内容。现代控制理论中系统的控制方法包括状态反馈控制和输出反馈控制；对于可控系统来说，状态反馈可以实现闭环系统的任意极点配置，而输出反馈则不能实现系统的任意极点配置。当系统状态变量并非全部可测时，状态反馈控制的实施受到限制。此时的解决方案之一就是构造一个状态观察器。然而，并非所有系统都可以建立观察者。设立观察员有一定的标准。 ，系统需要满足一定的条件，观察者才能存在。状态反馈控制律和观测器设计中常用的方法是极点配置法。在线性系统中利用状态观测器实现状态反馈的控制系统设计满足分离原理。 本章要求： 1。需要掌握的概念：状态反馈、输出反馈、它们对系统可控性和可观性的影响、它们与系统闭环极点任意配置的关系、它们与系统稳定性的关系；观察者及其存在条件；观察者极点任意配置的条件。 2．重点掌握状态反馈极配置的设计方法。 3。掌握全维观测器的设计方法；不需要降维观察者。 4。掌握状态空间表达式描述的系统仿真结构图的绘制。
