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河海大学 827 自动控制理论(含现控) 2020 年真题思维导图

211 院校共 9 题合计 150 分

难度:中等偏上 全卷分选择题与计算题:4 道选择共 20 分,8 道计算题逐题印分(20/15/15/15/10/15/25/15);覆盖型别与稳态误差、离散稳定性、根轨迹、正弦稳态反求传函、纯延迟系统稳定、Z 域终值定理、脉冲传函、描述函数与相平面。

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一一、选择题(型别、离散稳定性与相轨迹概念)20 分#

思路
  • 4 道概念选择覆盖型别与阶跃误差、离散系统闭环稳定性、开环闭环传函关系与特征方程、线性系统相轨迹的奇点类型。
本卷考法
  • 判断几型系统对阶跃输入的稳态误差不为零(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:由型别与阶跃输入下 ess 的关系判断哪一型仍有差
  • 中间结果:0 型系统跟踪阶跃有差,I 型及以上稳态误差为零
  • 卡点:题目前提是闭环稳定,须先排除不稳定情形
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
  • 本卷考过判断几型系统对阶跃输入的稳态误差不为零(第1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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环脉冲传函判断离散系统稳定性(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:解特征方程求极点模值并与单位圆比较
  • 中间结果:两极点模值均大于 1 时系统不稳定
  • 卡点:离散稳定判据看模是否小于 1,不是看实部
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
  • 本卷考过由闭环脉冲传函判断离散系统稳定性(第2问)
  • 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
本卷考法
  • 辨别开环与闭环传函零点极点及特征方程表述(第3问)
本卷实例
  • 关键一步:逐项核对开环、闭环传函与特征方程的定义
  • 中间结果:闭环特征方程由 1 加开环传函等于零给出
  • 卡点:开环零点与闭环零点一般不重合,勿想当然
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
  • 本卷考过辨别开环与闭环传函零点极点及特征方程表述(第3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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 判断线性系统不可能出现的相轨迹类型(第4问)
本卷实例
  • 关键一步:由线性二阶系统奇点类型排除非线性特有的极限环
  • 中间结果:极限环只出现在非线性系统,线性系统不可能出现
  • 卡点:中心点与稳定焦点属线性系统可有的奇点
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
  • 本卷考过判断线性系统不可能出现的相轨迹类型(第4问)
  • 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

二1二1、二阶系统参数、静态误差与组合输入稳态误差20 分#

思路
  • 由结构图化简得闭环特征方程,求阻尼比、自然频率与参数关系;再按型别求三个静态误差系数,最后把组合输入分解后求总静态误差。
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
  • 由结构图闭环特征式求阻尼比与自然频率的关系(第(1)问)
本卷实例
  • 关键一步:先化简结构图得闭环特征方程再对照标准二阶形式
  • 中间结果:阻尼比与自然频率由回路参数组合表达
  • 卡点:结构以图给出,前向与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
  • 本卷考过由结构图闭环特征式求阻尼比与自然频率的关系(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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由劳斯判据给出系统稳定时参数应满足的条件(第(1)问)
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征方程列劳斯表并令首列全正
  • 中间结果:参数不等式由首列各元素大于零联立给出
  • 卡点:参数含负号时要特别注意不等式方向
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
  • 本卷考过由劳斯判据给出系统稳定时参数应满足的条件(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
本卷考法
  • 求系统的位置、速度与加速度误差系数(第(2)问)
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函整理成标准形式后按型别套定义式
  • 中间结果:三个静态误差系数由开环增益与积分环节个数决定
  • 卡点:静态误差系数与开环增益不是同一概念
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
  • 本卷考过求系统的位置、速度与加速度误差系数(第(2)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
  • 求组合输入信号下系统的静态误差(第(3)问)
本卷实例
  • 关键一步:把输入分解为阶跃、斜坡与抛物线分量分别求误差后叠加
  • 中间结果:各分量误差按对应静态误差系数计算
  • 卡点:叠加前各分量系数要与输入幅值对应
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信号下系统的静态误差(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

二2二2、闭环稳定范围与根轨迹重实根条件15 分#

思路
  • 对含参结构图先由劳斯判据求闭环稳定时增益范围,再画以增益为参变量的根轨迹,并用分离点条件求特征根为重实根时的取值。
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求闭环稳定时的参数取值范围(第(1)问)
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并由首列全正联立参数不等式
  • 中间结果:稳定域由多个不等式取交集给出
  • 卡点:端点是否包含要看不等式是否严格
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闭环稳定时的参数取值范围(第(1)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
  • 绘制以增益为参变量的根轨迹草图(第(2)问)
本卷实例
  • 关键一步:由开环零极点定分支数、渐近线与实轴段
  • 中间结果:根轨迹分支数等于开环极点个数
  • 卡点:结构以图给出,开环零极点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过绘制以增益为参变量的根轨迹草图(第(2)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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求特征根为重实根时的参数取值(第(2)问)
本卷实例
  • 关键一步:重实根对应根轨迹的分离点或会合点
  • 中间结果:分离点处特征方程有二重实根
  • 卡点:分离点方程的解要筛掉不在根轨迹上的
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
  • 本卷考过求特征根为重实根时的参数取值(第(2)问)
  • 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

二3二3、由正弦稳态输出反求闭环传函15 分#

思路
  • 已知开环传函形式与正弦输入下的稳态输出,用输出输入的幅值比与相角差定出开环参数,再按单位反馈关系写出闭环传函与闭环输出。
本卷考法
  • 由正弦稳态输出求闭环频率特性的幅值与相角(第3题)
本卷实例
  • 关键一步:把输入与输出写成同一频率的正弦量并比较幅值与相角
  • 中间结果:幅值比给出闭环幅频,相角差给出闭环相频
  • 卡点:须用闭环传函而非开环传函求稳态输出
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
  • 本卷考过由正弦稳态输出求闭环频率特性的幅值与相角(第3题)
  • 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
本卷考法
  • 由开环传函与稳态输出反求闭环传递函数(第3题)
本卷实例
  • 关键一步:先由相角差与幅值比定出开环参数的取值
  • 中间结果:闭环传函由开环传函按单位反馈关系写出
  • 卡点:开环参数有两个未知量,需用幅值与相角两条件联立
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
  • 本卷考过由开环传函与稳态输出反求闭环传递函数(第3题)
  • 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

二4二4、含纯延迟环节的闭环稳定范围15 分#

思路
  • 把纯延迟写成相角滞后并入开环频率特性,用奈奎斯特判据求负增益区间内的闭环稳定条件与参数范围。
本卷考法
  • 求含纯延迟环节系统闭环稳定的参数范围(第4题)
本卷实例
  • 关键一步:把延迟写成相角滞后并入开环频率特性
  • 中间结果:临界条件由幅值为 1 与相角为负一百八十度同时满足给出
  • 卡点:延迟环节只影响相角不影响幅值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 延迟环节 e^{-τs} 的幅值为 1、相位为 -τω,只恶化相位
  • 延迟会显著缩小稳定域,τ 越大越难稳定
  • 频域判据需用相位裕度扣除延迟引起的附加滞后
步骤
  • 写出含延迟的开环传递函数
  • 分别求幅值与相位表达式
  • 在相频特性中扣除 τω 的滞后量
  • 按稳定裕度或奈氏判据求临界 τ 或临界 K
通用考法
  • 本卷考过求含纯延迟环节系统闭环稳定的参数范围(第4题)
  • 求使系统稳定的最大延迟时间
  • 求含延迟系统的临界开环增益
  • 分析延迟对稳定裕度的影响
常见易错
  • 把延迟环节当成惯性环节处理
  • 相位计算时忘记角度与弧度换算
公式
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据处理含延迟的开环系统(第4题)
本卷实例
  • 关键一步:由开环幅相曲线随频率变化判断包围临界点情况
  • 中间结果:增益为负时需注意曲线所在象限与环绕方向
  • 卡点:参数取负值会改变反馈极性,须重新判定
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
  • 本卷考过用奈奎斯特判据处理含延迟的开环系统(第4题)
  • 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

二5二5、Z域终值定理求序列终值10 分#

思路
  • 先判断极点是否都在单位圆内,再对 (1−z⁻¹)E(z) 取 z 趋于 1 的极限求两个序列的终值。
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 用终值定理求 Z 域表达式对应序列的终值(第5题)
本卷实例
  • 关键一步:先确认极点位于单位圆内再对 (1−z⁻¹)E(z) 取极限
  • 中间结果:终值由 z 趋于 1 时的极限给出
  • 卡点:不满足收敛条件时终值定理不适用
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
  • 本卷考过用终值定理求 Z 域表达式对应序列的终值(第5题)
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 说明 Z 变换与终值定理的适用前提(第5题)
本卷实例
  • 关键一步:由 Z 变换定义核对极点分布与收敛条件
  • 中间结果:终值定理要求在单位圆外无极点
  • 卡点:含 (1−z⁻¹) 平方的表达式要注意重极点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过说明 Z 变换与终值定理的适用前提(第5题)
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式

二6二6、采样系统脉冲传递函数15 分#

思路
  • 由图中的采样开关位置先求连续部分加零阶保持器的开环脉冲传函,再按反馈关系写出闭环脉冲传函 C(z)/R(z)。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求采样系统闭环脉冲传递函数 C(z)/R(z)(第6题)
本卷实例
  • 关键一步:先求连续部分加零阶保持器的开环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函由开环脉冲传函按反馈关系给出
  • 卡点:无采样开关隔开的连续环节不能直接相乘
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
  • 本卷考过求采样系统闭环脉冲传递函数 C(z)/R(z)(第6题)
  • 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
本卷考法
  • 说明零阶保持器在脉冲传函中的处理方式(第6题)
本卷实例
  • 关键一步:把零阶保持器与连续环节合并后再做 Z 变换
  • 中间结果:零阶保持器的传函为 (1−e^{-Ts})/s
  • 卡点:忘记把保持器计入会得到错误的开环脉冲传函
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
  • 本卷考过说明零阶保持器在脉冲传函中的处理方式(第6题)
  • 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

二7二7、描述函数法判断自振25 分#

思路
  • 由给定的线性环节与描述函数 N(A)=A,在复平面上作负倒描述函数与开环频率特性,判断两个系统是否稳定、是否存在自持振荡并求振荡参数。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出给定非线性特性的描述函数(第7题)
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义用一次谐波近似求幅值关系
  • 中间结果:本题描述函数与振幅成正比
  • 卡点:描述函数是振幅的函数而非频率的函数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过写出给定非线性特性的描述函数(第7题)
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式
本卷考法
  • 用描述函数法判断两系统是否稳定与是否自振(第7题)
本卷实例
  • 关键一步:在同一图上画负倒描述函数与开环频率特性并找交点
  • 中间结果:交点存在且穿越方向合适时对应稳定自振
  • 卡点:判断自振稳定性要标注振幅增大的方向
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 自振条件为 G(jω)N(A)=-1,即线性部分特性与负倒描述函数曲线相交
  • 交点给出自振频率 ω 与自振幅值 A
  • 负倒描述函数曲线上幅值增大的方向决定自振是否稳定
  • 交点处两条曲线的走向关系决定极限环稳定性
步骤
  • 求线性部分的频率特性 G(jω)
  • 求非线性环节的负倒描述函数 -1/N(A) 并确定 A 的增大方向
  • 在同一复平面上画两条曲线并求交点
  • 由交点处的走向判断自振是否存在且稳定,读出 ω 与 A
通用考法
  • 本卷考过用描述函数法判断两系统是否稳定与是否自振(第7题)
  • 判断系统是否产生自持振荡
  • 求自振频率与自振幅值
  • 分析参数变化对自振的影响
常见易错
  • 画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
  • 未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 把交点频率当成截止频率
公式

二8二8、微分方程奇点与相轨迹15 分#

思路
  • 把两个二阶非线性微分方程写成状态方程组,令导数为零求奇点,再在奇点处线性化判断奇点类型与相轨迹形态。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 求两个非线性微分方程的奇点并判断相轨迹形态(第8题)
本卷实例
  • 关键一步:令速度与加速度为零求奇点,再在奇点处线性化判断类型
  • 中间结果:奇点类型由线性化后特征根在复平面的位置区分
  • 卡点:方程为非线性,需先线性化再定奇点类型
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
  • 本卷考过求两个非线性微分方程的奇点并判断相轨迹形态(第8题)
  • 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
  • 把二阶微分方程改写为状态方程组(第8题)
本卷实例
  • 关键一步:取位移与速度为状态变量,把二阶方程降为一阶方程组
  • 中间结果:状态方程决定相平面上的向量场方向
  • 卡点:含平方项的方程不能直接当线性系统处理
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 全响应由零输入响应与零状态响应两部分叠加而成
  • 零输入响应的形式由特征根决定,系数由初始条件定
  • 零状态响应用卷积或拉氏变换法求,也可查典型输入的响应表
  • 初值条件要区分零时刻前后的跳变,含输入导数项的方程会在零时刻产生跳变
步骤
  • 写出微分方程并取拉氏变换,把初始条件作为等效输入移到等号右端
  • 分别求零输入解与零状态解,再相加得全响应
  • 用初始条件定常数,必要时用终值核对稳态值
  • 检查求得的解在零时刻是否等于给定初值
通用考法
  • 本卷考过把二阶微分方程改写为状态方程组(第8题)
  • 由微分方程与初始条件求系统的全响应
  • 分别求零输入响应与零状态响应
  • 判断给定初值下响应是否单调或是否有极值
常见易错
  • 只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 分子含输入导数时忽略零时刻的跳变,导致初值对不上
公式