←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

北京科技大学 851 自动控制原理 2022 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等 选择填空9小题覆盖开环增益、由脉冲响应求传函、二阶系统谐振与超调、参数根轨迹、稳态误差与抗高频干扰、采样周期影响、最小相位与稳定性、稳定裕度;7个大题依次考结构图多输入总输出、扰动作用分析、根轨迹与阻尼比、奈氏图与判据、串联校正、离散系统稳定性与稳态误差、非线性平衡点与相轨迹;全卷为经典控制内容,含图题较多。

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

一(1-9)一、选择填空题#

思路
  • 第1至9小题依次考开环增益、由单位脉冲响应求闭环传函、二阶欠阻尼系统谐振与超调关系、参数根轨迹等效开环传函、三系统稳态误差与抗高频干扰比较、采样周期对离散稳定的影响、最小相位与稳定性的关系、由频率表求稳定裕度、串联控制器抗高频干扰,以概念判断与简单计算为主。
本卷考法
  • 由开环传函基本环节形式求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函化为各基本环节时间常数形式
  • 关键一步:各环节比例系数相乘即为开环增益
  • 中间结果:分母各时间常数项归一时分子系数之积等于开环增益
  • 卡点:把分子常数直接当成开环增益会忽略环节系数
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
  • 本卷考过由开环传函基本环节形式求开环增益
  • 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
  • 由单位脉冲响应求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对脉冲响应求拉氏变换
  • 关键一步:利用脉冲响应等于闭环传函的拉氏逆变换
  • 中间结果:共轭复根对应二阶振荡环节的拉氏变换
  • 卡点:正弦项与余弦项拉氏变换形式不同,需按相角拆开
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由单位脉冲响应求闭环传递函数
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
公式
本卷考法
  • 判断二阶欠阻尼系统谐振与超调的关系
本卷实例
  • 关键一步:写出谐振频率与超调量随阻尼比的变化规律
  • 关键一步:按阻尼比区间比较两者出现条件
  • 中间结果:谐振要求阻尼比小于零点七零七,超调要求阻尼比大于零
  • 卡点:存在超调不一定存在谐振,两者条件宽严不同
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 谐振峰值 Mr 越大振荡越强,通常要求 Mr 在 1.1 到 1.5 之间
  • 谐振频率 ωr 与峰值时间相关
  • 带宽频率 ωb 越大响应越快但抗噪能力下降
  • 由等 M 圆与等 N 圆可由开环频率特性求闭环特性
步骤
  • 由开环频率特性求闭环频率特性
  • 读出谐振峰值、谐振频率与带宽
  • 按经验公式估计超调量与调节时间
通用考法
  • 本卷考过判断二阶欠阻尼系统谐振与超调的关系
  • 由闭环幅频特性求谐振峰值与带宽
  • 由 Mr 估算超调量
  • 分析带宽与响应速度的关系
常见易错
  • 当 ξ>0.707 时仍套用谐振峰值公式
  • 把开环谐振与闭环谐振混为一谈
公式
本卷考法
  • 求以参数为变量的等效开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:写出含参数的闭环特征方程
  • 关键一步:把参数相关项与不相关项分离后作比值
  • 中间结果:等效开环传函分母为参数取零时的特征多项式
  • 卡点:参数未完整提到分子会改变根轨迹形状
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
  • 本卷考过求以参数为变量的等效开环传递函数
  • 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
本卷考法
  • 比较不同结构系统对单位斜坡输入的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:分别判断三个系统的型别与开环增益
  • 关键一步:型别越高斜坡误差越小,同型别比较增益
  • 中间结果:斜坡输入下误差与静态速度误差系数成反比
  • 卡点:抗高频干扰能力由高频段幅值决定,不能只看低频误差
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
  • 本卷考过比较不同结构系统对单位斜坡输入的稳态误差
  • 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
  • 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
  • 分析采样周期变化对离散系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:增大采样周期会丢失更多连续信号信息
  • 关键一步:把连续系统极点映射到z平面观察稳定性变化
  • 中间结果:采样周期增大使稳定域内参数范围缩小
  • 卡点:采样的相位滞后与稳定性关系容易判反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 采样把连续信号变成脉冲序列,采样周期 T 是关键参数
  • 采样定理要求采样频率不低于信号最高频率的两倍
  • 采样频率不足会产生频率混叠
  • 零阶保持器把离散信号恢复为连续信号,并引入半个采样周期的延迟
步骤
  • 确定信号最高频率或系统带宽
  • 按采样定理确定采样频率与采样周期上限
  • 必要时加入前置滤波器抑制混叠
通用考法
  • 本卷考过分析采样周期变化对离散系统稳定性的影响
  • 由信号最高频率确定采样周期
  • 判断给定采样频率是否满足采样定理
  • 说明零阶保持器的频率特性
常见易错
  • 把采样定理写成采样周期不大于信号周期即可
  • 忽略零阶保持器带来的相位滞后
公式
本卷考法
  • 判断最小相位系统与稳定性的关系
本卷实例
  • 关键一步:由开环零极点是否都在左半平面判断最小相位
  • 关键一步:稳定性由闭环极点位置独立决定
  • 中间结果:最小相位与稳定性是两个独立概念
  • 卡点:把非最小相位与不稳定等同会判错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过判断最小相位系统与稳定性的关系
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由频率特性表求相位裕度并计算增益调整倍数
本卷实例
  • 关键一步:找幅值等于一处的频率与相角求相位裕度
  • 关键一步:由给定幅值裕度要求反求幅值应放大或缩小倍数
  • 中间结果:幅值裕度分贝值对应幅值的倒数
  • 卡点:相位穿越频率与剪切频率在表中位置容易取错
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
  • 本卷考过由频率特性表求相位裕度并计算增益调整倍数
  • 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
本卷考法
  • 选择能有效抑制高频干扰的串联控制器
本卷实例
  • 关键一步:比较各控制器在高频段的幅频衰减能力
  • 关键一步:积分分离控制可在低频保留积分、高频削弱积分
  • 中间结果:高频段增益越低抗高频干扰能力越强
  • 卡点:只比较低频段积分作用会选错控制器
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过选择能有效抑制高频干扰的串联控制器
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式

二二、结构图求总输出表达式#

思路
  • 由结构图分别对参考输入和扰动输入列出全部前向通路,数清独立回路与不接触回路写特征式,用梅森增益公式求各通道传函后叠加得到总输出。
本卷考法
  • 用梅森增益公式求多输入系统的总输出
本卷实例
  • 关键一步:分别对参考输入和扰动输入列出全部前向通路
  • 关键一步:数清独立回路与不接触回路写特征式
  • 中间结果:两输入共用同一特征式,输出为两通道传函的叠加
  • 卡点:结构图为原卷插图,回路与通路条数需回原卷核对图
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多输入系统的总输出
  • 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
  • 求多输入作用下的输出叠加表达式
本卷实例
  • 关键一步:把每个输入单独作用时其余输入置零
  • 关键一步:分别求出各通道传函后再叠加
  • 中间结果:总输出等于各输入通道传函与对应输入乘积之和
  • 卡点:扰动作用点不同会使前向通路与符号不同
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
  • 本卷考过求多输入作用下的输出叠加表达式
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 按多回路逐层化简结构图
本卷实例
  • 关键一步:从最内层反馈环开始合并等效环节
  • 关键一步:逐层向外化简并与梅森公式结果互校
  • 中间结果:逐层化简结果应与梅森增益公式一致
  • 卡点:内外环层次与引出点支路需回原卷核对图
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
  • 本卷考过按多回路逐层化简结构图
  • 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
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

三三、扰动作用下的输出与稳态误差#

思路
  • 由结构图写出扰动到输出的传函,求扰动输出响应的拉氏变换与稳态误差;再分别讨论控制器增益与干扰通道放大系数对性能的影响,最后提出减小或消除扰动的措施。
本卷考法
  • 求扰动作用下输出响应的拉氏变换与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把扰动单独作用时参考输入置零
  • 关键一步:写出扰动到输出的传函再乘扰动拉氏变换
  • 中间结果:扰动稳态误差由扰动误差传函零频值与扰动幅值决定
  • 卡点:求误差时符号与作用点相关,需按原卷结构图确认
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过求扰动作用下输出响应的拉氏变换与稳态误差
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式
本卷考法
  • 分析控制器增益与干扰通道系数对扰动的影响
本卷实例
  • 关键一步:写出扰动输出传函中控制器增益与干扰系数的位置
  • 关键一步:分别讨论它们对稳态值与动态过程的影响
  • 中间结果:控制器增益只进特征式,干扰通道系数只进分子
  • 卡点:干扰通道系数不影响超调与调节时间的前提需说明
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
  • 本卷考过分析控制器增益与干扰通道系数对扰动的影响
  • 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
  • 提出减小或消除扰动影响的措施
本卷实例
  • 关键一步:从提高控制器增益与引入前馈补偿两方面考虑
  • 关键一步:前馈按不变性原理设计可抵消扰动通道
  • 中间结果:前馈补偿器由扰动通道与前向通道传函之比给出
  • 卡点:前馈补偿器常含高阶微分,可实现性需另行检验
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
  • 本卷考过提出减小或消除扰动影响的措施
  • 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

四四、根轨迹绘制与参数确定#

思路
  • 由开环传函写零点极点分布,按法则绘根轨迹并求汇合分离点;由指定阻尼比作等阻尼线交根轨迹求增益与闭环特征根;最后由根轨迹走向判断欠阻尼响应对应的增益范围。
本卷考法
  • 绘制闭环系统根轨迹并确定实轴段
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函写零点极点分布
  • 关键一步:按法则确定实轴根轨迹段与渐近线
  • 中间结果:根轨迹分支数等于开环极点数
  • 卡点:结构图为原卷插图,开环传函需回原卷核对图
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
  • 本卷考过绘制闭环系统根轨迹并确定实轴段
  • 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
  • 求根轨迹的汇合分离点
本卷实例
  • 关键一步:由参数对s求导等于零列分离点方程
  • 关键一步:解出后舍去不在根轨迹段内的根
  • 中间结果:两个实根中只有一个落在实轴根轨迹段上
  • 卡点:分离点与汇合点在同一方程中,需按方向判断
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
  • 本卷考过求根轨迹的汇合分离点
  • 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
  • 由指定阻尼比确定增益并求闭环特征根
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比写出等阻尼线与实轴夹角
  • 关键一步:设共轭复根代入特征方程比较系数
  • 中间结果:等阻尼线与根轨迹交点即为满足条件的闭环极点
  • 卡点:欠阻尼范围需结合根轨迹在实轴外的走向确定
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
  • 本卷考过由指定阻尼比确定增益并求闭环特征根
  • 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

五五、奈氏图与稳定性判别#

思路
  • 令s等于jω写出开环幅频相频表达式,求曲线与实轴交点及端点走向并绘制奈氏图;再按开环右半极点数与包围圈数用奈氏判据判别闭环稳定性。
本卷考法
  • 绘制开环奈氏图并求曲线与实轴交点
本卷实例
  • 关键一步:令s等于jω写幅频相频表达式
  • 关键一步:由相角等于负一百八十度求与实轴交点频率
  • 中间结果:曲线起点与终点由型别及分子分母阶次差决定
  • 卡点:曲线为原卷插图,绘图比例需回原卷核对图
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
  • 本卷考过绘制开环奈氏图并求曲线与实轴交点
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈氏判据判别闭环系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数
  • 关键一步:由曲线正负穿越次数求包围圈数
  • 中间结果:闭环右半极点数等于开环右半极点数减两倍包围圈数
  • 卡点:开环含积分环节时补画圆弧的方向易错
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判别闭环系统稳定性
  • 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

六六、串联校正与稳定性#

思路
  • 由开环对数幅频特性反求未校正系统传函,由校正装置幅频特性写出传函并求最大相角判断校正方式;再由校正后开环传函求剪切频率与相角裕度判断闭环稳定性。
本卷考法
  • 由开环对数幅频特性反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定型别和增益
  • 关键一步:按转折频率处的斜率变化识别各环节
  • 中间结果:高频段渐近线高度对应开环增益与各时间常数
  • 卡点:曲线为原卷插图,转折频率数值需回原卷核对图
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反求传递函数
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正装置幅频特性判断是否为滞后校正
本卷实例
  • 关键一步:写出校正装置传函并求其最大相角表达式
  • 关键一步:在最大相角频率处计算相角值判断正负
  • 中间结果:最大相角为负值对应滞后校正网络
  • 卡点:最大相角频率与转折频率关系记反会使结论偏移
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
  • 本卷考过由校正装置幅频特性判断是否为滞后校正
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 判断校正后闭环系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由校正后开环传函求剪切频率与相角裕度
  • 关键一步:按相角裕度是否大于零判断稳定
  • 中间结果:校正后相角裕度为正说明闭环稳定
  • 卡点:近似求剪切频率时需先判断它落在哪一频段
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
  • 本卷考过判断校正后闭环系统稳定性
  • 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

七七、离散系统脉冲传函与稳态误差#

思路
  • 由离散结构图对连续部分作z变换求开环脉冲传函;由闭环特征根是否在单位圆内判断稳定性;再由误差脉冲传函对阶跃加斜坡输入用终值定理求稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散结构图求开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:对连续部分作z变换并乘采样开关与保持器系数
  • 关键一步:整理成z的有理分式
  • 中间结果:开环脉冲传函分母含z减一的相应次幂
  • 卡点:提示公式中的z变换对需按给定项选用
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
  • 本卷考过由离散结构图求开环脉冲传函
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 判断离散闭环系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并求特征根
  • 关键一步:比较各特征根的模与一的大小
  • 中间结果:特征根都在单位圆内时系统稳定
  • 卡点:把连续系统的实部判据套到离散系统会判错
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
  • 本卷考过判断离散闭环系统稳定性
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统在斜坡加阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由开环脉冲传函写误差脉冲传函
  • 关键一步:对输入z变换用终值定理取z趋于一的极限
  • 中间结果:终值定理要求闭环特征根都在单位圆内
  • 卡点:输入含斜坡项时终值可能发散,需按型别判断
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加阶跃输入下的稳态误差
  • 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

八八、非线性系统相平面分析#

思路
  • 令微分方程中的导数项为零求平衡状态,在各平衡点处线性化并求特征根判断类型;再按类型与等倾线法概略绘制各平衡点附近的相轨迹。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 求非线性系统的平衡状态并判断其类型
本卷实例
  • 关键一步:令微分方程中的导数项为零求平衡状态
  • 关键一步:在各平衡点处线性化求特征根
  • 中间结果:特征根为异号实根对应鞍点,共轭复根对应焦点
  • 卡点:微分方程形式以宝典段x两阶导减x一阶导减2x加2x三次方等于零为准
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
  • 本卷考过求非线性系统的平衡状态并判断其类型
  • 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
本卷考法
  • 概略绘制各平衡状态附近的相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按各平衡点类型确定附近相轨迹走向
  • 关键一步:用等倾线法辅助绘制相轨迹草图
  • 中间结果:鞍点附近相轨迹沿四个特征方向进出
  • 卡点:相轨迹图需回原卷核对图,原点邻域形态易画反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过概略绘制各平衡状态附近的相轨迹
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振