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北京工业大学 821 自动控制原理 2021 年真题思维导图

211 院校共 12 题合计 150 分

难度:中等 12 道大题覆盖电网络建模、结构图化简与梅森公式、时域指标与稳态误差、前馈补偿、参数根轨迹、对数频率特性与稳定裕度、串联超前校正与速度反馈校正、最大相角裕度解析、相平面奇点、采样系统判稳。

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1一、电网络传递函数与超前特性15 分#

思路
  • 由两级 RC 并联分压列复阻抗方程求输出电压对输入电压的传函;由分子分母零极点位置定超前条件;再按转折频率画对数幅频与相频草图。题面含图未读图。
本卷考法
  • 由两级 RC 并联网络列复阻抗方程求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用复阻抗写分压比,上臂R2与C2并联、下臂R1与C1并联
  • 关键一步:整理成分子含一阶微分项、分母含一阶惯性项的形式
  • 中间结果:分子为一阶微分项、分母为一阶惯性项,比值即超前网络
  • 卡点:网络图未读图,两级 RC 的串并联接法需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由两级 RC 并联网络列复阻抗方程求传递函数
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
本卷考法
  • 作出超前网络的对数幅频与相频草图
本卷实例
  • 关键一步:按两个转折频率把幅频分成三段渐近线
  • 关键一步:在转折频率区间内相角为正
  • 中间结果:幅频先平后升,相频在中间频段为正
  • 卡点:两个转折频率由 RC 乘积决定,取值顺序易写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过作出超前网络的对数幅频与相频草图
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式

2二、多输入系统的输出表达式10 分#

思路
  • 结构图含两条闭合回路;对给定输入与扰动分别用梅森公式求通道传函,再用叠加写 C(s)。题面含图未读图。
本卷考法
  • 求给定输入与扰动分别作用时的闭环传递函数并叠加
本卷实例
  • 关键一步:分别令另一输入为零,写单通道闭环传函
  • 中间结果:C(s) 为两条通道输出之和,共用同一特征式
  • 卡点:结构图未读图,回路条数与扰动注入点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求给定输入与扰动分别作用时的闭环传递函数并叠加
  • 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
本卷考法
  • 用梅森公式写回路增益、特征式与前向通路余子式
本卷实例
  • 关键一步:先数独立回路并判断两两是否接触
  • 关键一步:余子式只剔除与该前向通路接触的回路
  • 中间结果:特征式为 1 减回路增益之和加互不接触回路乘积
  • 卡点:回路接触关系判错会使余子式漏项,图需回原卷核对
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写回路增益、特征式与前向通路余子式
  • 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

3三、一阶电路的阶跃响应与调节时间10 分#

思路
  • 由电路求传递函数,零初始下把单位阶跃拉氏变换与传函相乘,反变换得输出;再按 5% 误差带求调节时间。题面含图未读图。
本卷考法
  • 由给定电路求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按复阻抗分压或运放虚短虚断列电路方程
  • 中间结果:传函为一阶惯性形式,时间常数由 RC 决定
  • 卡点:电路图未读图,元件连接方式需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由给定电路求传递函数
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 求一阶系统单位阶跃响应的表达式与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:零初始下把传函与 1/s 相乘,再部分分式反变换
  • 中间结果:响应为 1 减一个指数衰减项
  • 卡点:调节时间按 5% 还是 2% 误差带取系数易取反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过求一阶系统单位阶跃响应的表达式与调节时间
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式

4四、结构图化简与待定参数10 分#

思路
  • 由结构图写 E(s) 到 C(s) 的前向通道传函,与给定目标式逐项比较系数,解出 K1、K2 与 H(s)。题面含图未读图。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 用串联、并联与反馈等效求前向通道传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把内环按负反馈等效化简,再与外环节串联
  • 中间结果:前向通道传函写成分式,分子分母含待定参数
  • 卡点:反馈极性写错会使分母符号与目标式不符
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
  • 本卷考过用串联、并联与反馈等效求前向通道传递函数
  • 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
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 逐层化简多回路结构图并对系数求待定参数
本卷实例
  • 关键一步:把化简结果与给定目标传函逐项比系数
  • 中间结果:得到关于 K1、K2 与 H(s) 的代数方程组
  • 卡点:结构图未读图,内环取出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
  • 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结构图并对系数求待定参数
  • 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

5五、斜坡稳态误差与前馈补偿15 分#

思路
  • 先按前馈为零求系统型别与速度误差系数得稳态误差;再令误差分量对消,反解前馈环节的结构。题面含图未读图。
本卷考法
  • 求斜坡输入下的稳态误差并判断系统型别
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用终值定理求稳态误差
  • 中间结果:斜坡误差为速度误差系数的倒数
  • 卡点:未判稳就取终值,或把斜坡误差写成阶跃误差
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
  • 本卷考过求斜坡输入下的稳态误差并判断系统型别
  • 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
本卷考法
  • 设计前馈环节使斜坡输入的稳态误差为零
本卷实例
  • 关键一步:令误差传函在 s 趋于零时的极限为零
  • 中间结果:由误差对消条件反解前馈环节的结构形式
  • 卡点:结构图未读图,前馈注入点需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过设计前馈环节使斜坡输入的稳态误差为零
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式

6六、二阶系统指标反求参数15 分#

思路
  • 由前馈为零时闭环化标准二阶,用超调量定阻尼比、用速度误差定反馈系数;再由误差传函令斜坡稳态误差为零求前馈参数。题面含图未读图。
二阶系统标准形式与阻尼比 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由结构图化闭环传递函数并求自然频率与阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征式与 s²+2ξωn s+ωn² 逐项对照
  • 中间结果:常数项与开环增益对应,一次项含速度反馈系数
  • 卡点:结构图未读图,反馈通道接法需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 标准形式由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 两个参数确定
  • ξ>1 过阻尼、ξ=1 临界阻尼、0<ξ<1 欠阻尼、ξ=0 无阻尼
  • 闭环极点位置只由 ξωn 与 ωn√(1-ξ²) 决定
  • β=arccos ξ 是极点与负实轴的夹角
步骤
  • 把闭环传递函数化成标准二阶形式
  • 比对系数求出 ωn 与 ξ
  • 写出闭环极点表达式
  • 按 ξ 的取值判断响应类型
通用考法
  • 本卷考过由结构图化闭环传递函数并求自然频率与阻尼比
  • 由闭环传递函数求 ωn 与 ξ
  • 判断响应是过阻尼还是欠阻尼
  • 在 s 平面上标出闭环极点的位置
常见易错
  • 化为标准形式时忘记把 s² 项系数归一化
  • 把开环增益误当成闭环传递函数的系数
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量反求二阶系统的阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比
  • 中间结果:给定超调量对应唯一的欠阻尼阻尼比值
  • 卡点:超调量公式中漏乘百分号会使阻尼比解错
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
  • 本卷考过由超调量反求二阶系统的阻尼比
  • 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
  • 由斜坡稳态误差求速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再由终值定理写稳态误差与反馈系数的关系
  • 中间结果:速度误差系数为速度反馈系数的倒数
  • 卡点:把前馈系数与反馈系数混为一谈
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
  • 本卷考过由斜坡稳态误差求速度误差系数
  • 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

7七、参数根轨迹与超调判定15 分#

思路
  • 以时间常数 T 为参变量整理成参数乘以等效开环的形式画根轨迹;由分离点求等实根时的 T;再由闭环极点是否全为实数判超调。题面含图未读图。
本卷考法
  • 以时间常数 T 为参变量绘制广义根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成参数乘以等效开环的形式
  • 中间结果:等效开环为一对共轭极点加原点处一个零点
  • 卡点:未把参数 T 完整提到分子位置,图需回原卷核对
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
  • 本卷考过以时间常数 T 为参变量绘制广义根轨迹草图
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求分离点及一对相等负实根对应的参数
本卷实例
  • 关键一步:由增益对 s 的导数为零列分离点方程
  • 中间结果:分离点处对应一对相等负实根
  • 卡点:解出的根未筛选在根轨迹上的那个
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
  • 本卷考过求分离点及一对相等负实根对应的参数
  • 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
  • 由闭环极点是否全为实数判断阶跃响应有无超调
本卷实例
  • 关键一步:实轴上的闭环极点对应单调分量,不产生超调
  • 中间结果:参数取分离点值时闭环极点为二重负实根
  • 卡点:只看极点个数不看是否成共轭对,误判有超调
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
  • 本卷考过由闭环极点是否全为实数判断阶跃响应有无超调
  • 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

8八、对数频率特性与相角裕度判稳10 分#

思路
  • 按转折频率画开环对数渐近幅频;由幅频为一求剪切频率,代入相频求相角裕度,再用奈氏判据判闭环稳定性。
本卷考法
  • 绘制给定开环传递函数的对数渐近幅频特性曲线
本卷实例
  • 关键一步:由积分环节定低频斜率为负二十
  • 关键一步:按转折频率从小到大逐段累加斜率变化
  • 中间结果:各段折线斜率依次为负二十、负四十、负二十
  • 卡点:改斜率时忘记累加而非替换
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
  • 本卷考过绘制给定开环传递函数的对数渐近幅频特性曲线
  • 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
  • 由幅频为一求剪切频率并计算相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由各环节幅值乘积为一解出剪切频率
  • 中间结果:相角裕度为正说明闭环稳定
  • 卡点:剪切频率与相位穿越频率用反
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
  • 本卷考过由幅频为一求剪切频率并计算相角裕度
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈氏判据由开环右半平面极点数判闭环稳定
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再数包围临界点的圈数
  • 中间结果:闭环右半平面极点数等于开环极点数减二倍包围圈数
  • 卡点:相频不穿越负一百八十度时误算包围圈数
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
  • 本卷考过用奈氏判据由开环右半平面极点数判闭环稳定
  • 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

9九、串联超前校正与速度反馈20 分#

思路
  • 先画固有幅频求固有剪切频率与裕度;按给定新剪切频率用频率法设计超前校正并核裕度;再改用速度反馈校正由超调反求反馈系数。题面含图未读图。
本卷考法
  • 绘制固有开环对数渐近幅频并读取固有剪切频率
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定型别和增益
  • 中间结果:固有剪切频率为折线与零分贝线的交点频率
  • 卡点:低频段起始高度未按型别折算,起点画错
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
  • 本卷考过绘制固有开环对数渐近幅频并读取固有剪切频率
  • 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
  • 按给定新剪切频率设计串联超前校正装置
本卷实例
  • 关键一步:由新剪切频率处的幅值要求定超前网络的强度系数
  • 关键一步:取最大超前角频率对准新剪切频率定时间常数
  • 中间结果:校正后剪切频率提高、相角裕度增大
  • 卡点:补偿角计算忽略剪切频率移动带来的附加相角损失
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
  • 本卷考过按给定新剪切频率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
  • 改用速度反馈校正并由超调量确定反馈系数
本卷实例
  • 关键一步:把速度反馈等效为在闭环中增加阻尼项
  • 中间结果:速度反馈不改变无阻尼自然频率,只增大阻尼
  • 卡点:结构图未读图,速度反馈取出点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过改用速度反馈校正并由超调量确定反馈系数
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量指标反求系统阻尼与反馈参数
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比再与含反馈系数的阻尼项对应
  • 中间结果:反馈系数与闭环一次项中多出的阻尼量成正比
  • 卡点:只满足超调一项就下结论,未核截止频率与裕度
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
  • 本卷考过由超调量指标反求系统阻尼与反馈参数
  • 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

10十、最大相角裕度的解析表达式10 分#

思路
  • 先写开环相频,令相角对频率的一阶导数为零求最大相角对应频率;再由幅值条件定增益,最后写出最大相角裕度表达式。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求使相角裕度最大的增益与最大相角裕度表达式
本卷实例
  • 关键一步:由相频对频率求导为零定最大相角处频率
  • 关键一步:再由该频率处幅频为一反解增益
  • 中间结果:最大相角裕度等于两个一阶微分环节相角之差
  • 卡点:忘记先按剪切频率定义定增益,直接读相频
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
  • 本卷考过求使相角裕度最大的增益与最大相角裕度表达式
  • 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

11十一、误差方程与奇点类型10 分#

思路
  • 由闭环结构写误差满足的二阶微分方程,化为相平面方程后由特征根判奇点类型。题面含图未读图。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 以误差为运动变量写系统方程并判断奇点类型
本卷实例
  • 关键一步:由误差等于输入减输出消去输出,得误差的二阶微分方程
  • 中间结果:特征根为共轭复根时奇点为焦点,为负实根时为节点
  • 卡点:判别式正负与奇点类型对应关系写反,图需回原卷核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过以误差为运动变量写系统方程并判断奇点类型
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式

12十二、采样间隔取值范围10 分#

思路
  • 由连续部分与零阶保持器求开环脉冲传函,再列闭环特征方程用离散稳定判据解采样间隔的范围。题面含图未读图。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续环节与零阶保持器求开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先把连续部分部分分式展开再逐项查 z 变换表
  • 中间结果:脉冲传函分子分母均含 e 的负 T 次幂
  • 卡点:忘记零阶保持器带来的因子 (z-1)/z
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
  • 本卷考过由连续环节与零阶保持器求开环脉冲传递函数
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 判断采样间隔变化时离散系统的稳定性范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列朱利判据或 w 变换后劳斯判据
  • 中间结果:稳定条件整理成含 e 的负 T 次幂的不等式
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
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
  • 本卷考过判断采样间隔变化时离散系统的稳定性范围
  • 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