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河海大学 827 自动控制理论(含现控) 2016 年真题思维导图

211 院校共 7 题合计 150 分

难度:中等 全卷分选择、填空、计算三大题:10 道选择与 10 道填空共 80 分,5 道计算题每题 14 分;覆盖劳斯判据、静态误差、校正类型、频率特性、二阶响应与根轨迹,计算题多配结构图或渐近线图。

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一一、选择题(稳定性、误差与校正概念)40 分#

思路
  • 10 道概念选择集中在劳斯判据判稳与临界稳定、静态误差、校正装置类型、实轴根轨迹与速度反馈传感器,按各问归属的考点逐条判定。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判稳定、临界稳定增益与右半平面根个数(第1~3问)
本卷实例
  • 关键一步:对给定特征方程列劳斯表并数首列符号变化
  • 中间结果:首列全为正则稳定,出现零元素对应临界稳定
  • 卡点:第3问逐年特征式 OCR 成 5s²+c+2,需回原卷核对
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
  • 本卷考过用劳斯判据判稳定、临界稳定增益与右半平面根个数(第1~3问)
  • 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行时漏用辅助方程继续判别
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 判断为提高稳定性应如何调整增益(第7问)
本卷实例
  • 关键一步:由增益变化使根轨迹左右移动看其对稳定性的影响
  • 中间结果:降低开环增益使部分闭环极点左移、稳定性改善
  • 卡点:稳态精度与稳定性对增益的要求相反,须辨明题干前提
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
  • 本卷考过判断为提高稳定性应如何调整增益(第7问)
  • 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
本卷考法
  • 由单位反馈开环传函求单位阶跃下的位置误差(第4问)
本卷实例
  • 关键一步:先判闭环稳定再求静态位置误差系数
  • 中间结果:0 型系统的位置误差由开环静态增益决定
  • 卡点:须把开环传函与闭环特征式区分开,勿混用
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
  • 本卷考过由单位反馈开环传函求单位阶跃下的位置误差(第4问)
  • 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
  • 写出稳态误差 ess 与误差信号 E(s) 的关系(第6问)
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理写出 ess 的极限表达式
  • 中间结果:ess 由 s 趋于 0 时 sE(s) 的极限给出
  • 卡点:四个选项的极限变量不同,须辨明 s 趋于 0 还是趋于无穷
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差有两种定义:输入端 E(s)=R(s)-C(s) 与 E(s)=R(s)-B(s),须看清题意
  • 误差传递函数由结构决定
  • 单位反馈时两种定义等价
步骤
  • 按题意确定误差取在输入端还是反馈端
  • 由结构图写出误差传递函数
  • 乘输入后取 s→0 的极限
通用考法
  • 本卷考过写出稳态误差 ess 与误差信号 E(s) 的关系(第6问)
  • 写出误差传递函数
  • 说明不同误差定义对结果的影响
常见易错
  • 非单位反馈时两种误差定义混用导致结果差一个 H(s)
  • 忘记先判断系统是否稳定
公式
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正装置传函判断其属超前还是滞后校正(第5问)
本卷实例
  • 关键一步:比较校正环节零点与极点的相对位置
  • 中间结果:零点在极点左侧为滞后校正、右侧为超前校正
  • 卡点:传函中时间常数 1 与 10 易看反,需回原卷核对
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传函判断其属超前还是滞后校正(第5问)
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 判断相位超前校正装置奈氏曲线的形状(第8问)
本卷实例
  • 关键一步:写出超前环节幅相表达式看其低频到高频的相角范围
  • 中间结果:超前环节幅相曲线位于上半平面且为半圆
  • 卡点:须结合最大超前角所在频率判断曲线范围
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
  • 本卷考过判断相位超前校正装置奈氏曲线的形状(第8问)
  • 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
  • 由开环传函判断实轴上的根轨迹段(第9问)
本卷实例
  • 关键一步:用实轴某段右侧开环零极点总数为奇数定该段是否在根轨迹上
  • 中间结果:含原点极点时实轴根轨迹段的端点由零极点位置定出
  • 卡点:选项给出开区间写法,端点是否含需回原卷核对
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
  • 本卷考过由开环传函判断实轴上的根轨迹段(第9问)
  • 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
转速负反馈单闭环调速系统 电力拖动与运动控制
本卷考法
  • 指出直流调速系统中霍尔传感器提供的反馈量(第10问)
本卷实例
  • 关键一步:由传感器测得的物理量判断它在闭环中作何种反馈
  • 中间结果:测速元件的反馈量对应电动机转速
  • 卡点:本题为电力拖动基本概念,取自调速系统一节
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 被控量是转速,反馈量是测速发电机输出电压
  • 属于有差系统,稳态时偏差 e=U_n*−U_n 必须不为零才能维持输出
  • 闭环后稳态速降减小为开环的 1/(1+K) 倍
  • 闭环放大倍数 K 越大,静差率越小,但稳定性越差
步骤
  • 确定被控制量与反馈量
  • 按信号流向画出给定、比较、放大、变换器、电动机、测速反馈各环节
  • 写出稳态关系式并求闭环静特性
  • 比较开环与闭环的稳态速降
通用考法
  • 本卷考过指出直流调速系统中霍尔传感器提供的反馈量(第10问)
  • 指出系统的被控量与反馈量
  • 画出系统结构框图
  • 解释稳态时偏差不为零的原因
  • 计算闭环稳态速降并比较开环
常见易错
  • 误以为有差系统稳态可以做到零偏差
  • 把被控量与反馈量混为一谈
  • 求闭环静特性时漏掉 (1+K) 因子
公式

二二、填空题(基本概念、环节特性与误差)40 分#

思路
  • 10 道填空覆盖一阶斜坡误差、二阶临界振荡、惯性环节、滞后校正条件、对数幅频斜率、反馈控制系统、传递函数定义、线性化精度与最小相位系统判稳。
本卷考法
  • 求一阶系统在单位斜坡输入下的稳态误差(第1、8问)
本卷实例
  • 关键一步:写出误差传函后用终值定理求斜坡输入下的极限
  • 中间结果:一阶系统斜坡误差为常数,与时间常数成比例
  • 卡点:代入前须先确认系统稳定,勿漏代输入的拉氏变换
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
  • 本卷考过求一阶系统在单位斜坡输入下的稳态误差(第1、8问)
  • 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
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
  • 由特征方程求系统产生临界振荡时的参数(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程对照二阶标准形式比较系数
  • 中间结果:临界振荡对应阻尼比为零、特征根为一对纯虚数
  • 卡点:特征式 OCR 缺前文,需回原卷核对题干条件
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
  • 本卷考过由特征方程求系统产生临界振荡时的参数(第2问)
  • 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
本卷考法
  • 说明惯性环节的响应特点(第3问)
本卷实例
  • 关键一步:由一阶环节传函写阶跃响应看其单调上升特性
  • 中间结果:输出按指数规律上升、上升快慢由时间常数决定
  • 卡点:须与纯微分、纯积分环节的特点区分开
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 六种典型环节:比例、积分、微分、惯性、振荡、延迟
  • 惯性环节由时间常数 T 描述,T 越小响应越快
  • 振荡环节由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 共同描述
  • 延迟环节只改变相位,不改变幅值
步骤
  • 把传递函数分解为若干典型环节的乘积
  • 逐环节写出幅频与相频表达式
  • 按环节类型判断对系统性能的影响
通用考法
  • 本卷考过说明惯性环节的响应特点(第3问)
  • 指出给定传递函数由哪些典型环节串联组成
  • 由阶跃响应曲线或 Bode 图识别环节类型
  • 比较两个系统的时间常数大小
常见易错
  • 把一阶微分环节 (τs+1) 与纯微分环节 s 混为一谈
  • 把延迟环节的相位滞后误当作幅值衰减
公式
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 指出校正装置作滞后校正时应满足的参数条件(第4问)
本卷实例
  • 关键一步:对照滞后校正标准形式比较分子分母的时间常数
  • 中间结果:滞后校正要求系数使零点位于极点靠近原点的一侧
  • 卡点:题目给出三个不等号选项,须按滞后定义择一
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
  • 本卷考过指出校正装置作滞后校正时应满足的参数条件(第4问)
  • 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
本卷考法
  • 求开环传函在高频段的渐近对数幅频斜率(第5问)
本卷实例
  • 关键一步:由各典型环节高频段斜率的代数和确定总斜率
  • 中间结果:分子含二阶微分环节、分母为一阶环节与积分环节
  • 卡点:逐年该题传函 OCR 有重复字符,需回原卷核对
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
  • 本卷考过求开环传函在高频段的渐近对数幅频斜率(第5问)
  • 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
本卷考法
  • 填出闭环控制系统的别称(第6问)
本卷实例
  • 关键一步:按闭环即把输出反馈回输入作比较来理解
  • 中间结果:闭环控制系统又称反馈控制系统
  • 卡点:属基本概念题,注意与开环系统相区别
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环系统按给定、比较、放大、执行、对象、检测六个环节串联成环
  • 按有无反馈分为开环、闭环与复合控制;按给定信号分为恒值、随动与程序控制
  • 检测变送元件把被控量转换成可比较的信号,是反馈通道的入口
  • 控制系统的基本要求是稳、准、快三条
步骤
  • 从工艺或物理描述里找出被控量与操纵量
  • 逐个指认给定、比较、控制、执行、对象与检测六个环节对应的实物
  • 按信号流向把环节串成闭环方框图
  • 说明系统靠什么维持被控量等于给定量
通用考法
  • 本卷考过填出闭环控制系统的别称(第6问)
  • 指出系统的被控对象、被控量与操纵量
  • 说明检测变送元件在闭环系统中的作用
  • 画出给定系统的闭环方框图并说明工作过程
常见易错
  • 把被控量与操纵量搞反
  • 只画方框图而不指认环节,或反之,漏答一半
本卷考法
  • 填出单位脉冲输入时输出象函数所对应的系统函数(第7问)
本卷实例
  • 关键一步:由零初始条件求单位脉冲输入的响应拉普拉斯变换
  • 中间结果:单位脉冲响应与传递函数互为拉普拉斯变换对
  • 卡点:强调零初始条件这一前提
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过填出单位脉冲输入时输出象函数所对应的系统函数(第7问)
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
公式
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 填出非线性系统线性化精度的决定因素(第9问)
本卷实例
  • 关键一步:由小偏差线性化的展开式看精度与何量有关
  • 中间结果:线性化精度取决于系统变量的偏离程度
  • 卡点:勿写成与初始条件或外作用有关
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过填出非线性系统线性化精度的决定因素(第9问)
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
本卷考法
  • 填出最小相位系统判稳所需的频率特性(第10问)
本卷实例
  • 关键一步:由最小相位系统的幅频与相频关系确定判稳依据
  • 中间结果:最小相位系统只知开环幅频特性即可判断稳定性
  • 卡点:非最小相位系统不适用此结论
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
  • 本卷考过填出最小相位系统判稳所需的频率特性(第10问)
  • 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

三1三1、由渐近幅频特性穿越0dB求增益14 分#

思路
  • 由惯性环节开环传函写出幅频特性,利用截止频率处幅值为 1 的条件反求开环增益。
本卷考法
  • 由开环幅频特性在截止频率处为 0dB 反求增益 K
本卷实例
  • 关键一步:写出幅频表达式并令其在截止频率处等于 1
  • 中间结果:增益由截止频率与时间常数共同决定
  • 卡点:注意本题 G 为惯性环节而非积分环节
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
  • 本卷考过由开环幅频特性在截止频率处为 0dB 反求增益 K
  • 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

三2三2、由实验渐近频率特性反求传递函数14 分#

思路
  • 由低频段斜率与延长线交点定型别与增益,再按各转折频率处的斜率变化补上对应典型环节。
本卷考法
  • 由实验渐近对数幅频特性反求最小相位系统传函
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定积分环节个数、由延长线交点定增益
  • 中间结果:每遇一次斜率变化就乘上一个对应的典型环节
  • 卡点:渐近线以图给出,转折频率与修正量需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由实验渐近对数幅频特性反求最小相位系统传函
  • 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

三3三3、心率起搏器二阶系统响应14 分#

思路
  • 由起搏器结构图求闭环传函并化为二阶标准形式,由阻尼比与自然频率反求增益,再按欠阻尼响应算给定时刻与峰值心速。
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
  • 由闭环传函对照二阶标准形式求增益(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为二阶标准形式后比较系数
  • 中间结果:增益由自然频率的平方定出
  • 卡点:起搏器与心脏环节的结构以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由闭环传函对照二阶标准形式求增益(第1问)
  • 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
  • 由阻尼比与自然频率算给定时刻与峰值心速(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:用二阶欠阻尼阶跃响应公式代入给定时间求输出
  • 中间结果:峰值时刻输出由超调量决定、稳态值对应期望心速
  • 卡点:注意次每分与次每秒的单位换算
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
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率算给定时刻与峰值心速(第2问)
  • 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

三4三4、三阶系统稳定性、幅值裕量与稳态误差14 分#

思路
  • 先对闭环特征方程用劳斯判据定稳定增益范围,再在给定增益下求幅值裕量,最后按组合输入分量求稳态误差。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求使三阶系统稳定的开环增益范围(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:列三阶特征方程劳斯表并令首列元素为正
  • 中间结果:稳定范围由首列各不等式取交集给出
  • 卡点:传函 OCR 含多余字符,需回原卷核对 k 与分母
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
  • 本卷考过用劳斯判据求使三阶系统稳定的开环增益范围(第1问)
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求给定增益下系统的幅值裕量(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:先由相角条件求相位穿越频率
  • 中间结果:幅值裕量为该频率处开环幅值的倒数
  • 卡点:须区分截止频率与相位穿越频率
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
  • 本卷考过求给定增益下系统的幅值裕量(第2问)
  • 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
  • 求组合输入下系统的稳态误差(第3问)
本卷实例
  • 关键一步:按叠加分别求阶跃与斜坡分量对应的误差
  • 中间结果:总稳态误差为各输入分量误差之和
  • 卡点:代入前须先确认该增益下系统仍稳定
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
  • 本卷考过求组合输入下系统的稳态误差(第3问)
  • 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

三5三5、根轨迹绘制与稳定增益范围14 分#

思路
  • 按根轨迹法则求起点、渐近线、分离点与虚轴交点,画出示意轨迹后由临界增益得稳定范围。
本卷考法
  • 按法则绘制三阶系统根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:定分支数、渐近线夹角与实轴上的根轨迹段
  • 中间结果:三条分支起始于三个开环极点并趋于无穷远
  • 卡点:根轨迹以图作答,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
  • 本卷考过按法则绘制三阶系统根轨迹草图
  • 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
  • 求根轨迹的分离点
本卷实例
  • 关键一步:由分离点方程解出候选点并按是否在根轨迹上取舍
  • 中间结果:分离点坐标落在实轴根轨迹段上
  • 卡点:求出多个根后须剔除不在根轨迹上的解
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
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界稳定增益
本卷实例
  • 关键一步:把 s=jω 代入特征方程后令实部与虚部分别为零
  • 中间结果:临界增益与交点频率由两式联立定出
  • 卡点:另一组共轭交点勿漏
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稳定增益
  • 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
  • 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