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华北电力大学(保定) 821 自动控制理论(含现控) 2018 年真题思维导图

211 院校共 8 题合计 150 分

难度:中等 八道大题覆盖填空、结构图扰动补偿、延迟系统降阶、单容水箱控制、四种控制器的奈奎斯特判稳、离散系统、状态空间建模与极点配置;题面多含结构框图与响应曲线。

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一一、填空题30 分#

思路
  • 八个空覆盖劳斯判据、特征方程、稳态误差、二阶指标、频率特性、脉冲传函、状态空间与状态转移矩阵,逐空按定义或公式直接求解。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由闭环特征多项式列劳斯表数右半平面特征根个数
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征多项式并按降幂排列
  • 关键一步:列劳斯表数首列符号变化次数
  • 中间结果:右半平面根数等于劳斯表首列变号次数
  • 卡点:首列出现零时未用ε法处理
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
  • 本卷考过由闭环特征多项式列劳斯表数右半平面特征根个数
  • 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
  • 由开环传递函数写单位负反馈系统的特征方程
本卷实例
  • 关键一步:令1加开环传函为零并通分
  • 关键一步:按降幂整理成多项式
  • 中间结果:特征方程为开环分母与分子之和式
  • 卡点:把开环分母直接当成特征方程
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
  • 本卷考过由开环传递函数写单位负反馈系统的特征方程
  • 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
本卷考法
  • 由开环传函判断系统型别并求静态误差系数
本卷实例
  • 关键一步:数开环积分环节个数定型别
  • 关键一步:再取s趋于零求静态系数
  • 中间结果:型别决定有限误差对应的输入类型
  • 卡点:把开环增益当成静态误差系数
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判断系统型别并求静态误差系数
  • 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
  • 求单位阶跃输入下单位负反馈系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判闭环稳定再用终值定理
  • 关键一步:由误差传函取s趋于零的极限
  • 中间结果:阶跃误差由静态位置误差系数决定
  • 卡点:未判稳就套终值定理
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下单位负反馈系统的稳态误差
  • 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
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
  • 由闭环传函化标准二阶形式求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把s平方项系数归一化
  • 关键一步:与标准二阶形式逐项比对
  • 中间结果:由一次项与常数项解出ξ与ωn
  • 卡点:忘记归一化导致读过系数
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化标准二阶形式求阻尼比与自然频率
  • 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求超调量和调节时间
本卷实例
  • 关键一步:按超调量与阻尼比关系式求σ%
  • 关键一步:按误差带确定调节时间系数
  • 中间结果:动态指标只由ξ与ωn决定
  • 卡点:两种误差带对应的调节时间系数混用
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求超调量和调节时间
  • 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
  • 由开环传递函数求幅频特性与相频特性表达式
本卷实例
  • 关键一步:令s等于jω
  • 关键一步:分子分母分别取模与相角
  • 中间结果:幅频为两复数模之比,相频为相角之差
  • 卡点:相角累加时漏掉环节符号
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
  • 本卷考过由开环传递函数求幅频特性与相频特性表达式
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由差分方程求脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对方程两边取z变换
  • 关键一步:按零初始条件整理
  • 中间结果:脉冲传函为输出与输入z变换之比
  • 卡点:遗漏差分项的延迟阶次
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
  • 本卷考过由差分方程求脉冲传递函数
  • 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
本卷考法
  • 由状态空间表达式求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按C(sI减A)逆B加D计算
  • 关键一步:先求sI减A的逆矩阵
  • 中间结果:二阶系统化为一个有理分式
  • 卡点:求逆时行列式展开出错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由状态空间求传递函数为 C(sI-A)^{-1}B+D
  • 传递函数只反映能控能观子系统,含零极点对消
  • 系统的特征值等于传递函数的极点
  • 同一传递函数对应的状态空间实现不唯一
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 按公式求 G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D
  • 与已知传递函数比对,判断是否发生零极点对消
通用考法
  • 本卷考过由状态空间表达式求传递函数
  • 由状态空间表达式求传递函数
  • 判断状态空间实现是否存在零极点对消
  • 比较不同实现对应的传递函数是否相同
常见易错
  • 漏掉直接传递项 D
  • 把特征值个数与传递函数极点数直接等同而不检查对消
公式
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由对角阵状态方程求状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:对角阵的矩阵指数逐元素取e的λt次
  • 关键一步:再用拉氏反变换验证
  • 中间结果:转移矩阵仍为同阶对角阵
  • 卡点:非对角元素误留非零值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过由对角阵状态方程求状态转移矩阵
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式

二二、扰动补偿与误差传递函数16 分#

思路
  • 由结构图求扰动到输出的传递函数,令其为零解出补偿器;再讨论其物理可实现性并求比例补偿下的误差传函与稳态误差。
本卷考法
  • 求扰动N(s)到输出C(s)的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:求扰动通道时令参考输入为零
  • 关键一步:按前馈与扰动两条通路叠加写传函
  • 中间结果:扰动传函由两条通路之差与分母之比组成
  • 卡点:求扰动传函时未把参考输入置零
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
  • 本卷考过求扰动N(s)到输出C(s)的传递函数
  • 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
  • 设计前馈补偿器完全消除扰动对输出的影响
本卷实例
  • 关键一步:令扰动到输出的传函为零
  • 关键一步:由该条件解出补偿器表达式
  • 中间结果:补偿器由扰动通道与对象通道之比给出
  • 卡点:只令分子为零而漏掉分母条件
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
  • 本卷考过设计前馈补偿器完全消除扰动对输出的影响
  • 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
本卷考法
  • 由分子分母阶次讨论补偿器的物理可实现性
本卷实例
  • 关键一步:比较补偿器分子与分母的阶次
  • 关键一步:分子阶次高于分母时含理想微分
  • 中间结果:阶次条件决定能否用实际装置实现
  • 卡点:把分子阶次等于分母也判为不可实现
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
  • 本卷考过由分子分母阶次讨论补偿器的物理可实现性
  • 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
本卷考法
  • 求比例补偿下扰动单独作用时的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由扰动误差传函取s趋于零的极限
  • 关键一步:先确认闭环系统稳定
  • 中间结果:扰动误差由误差传函零频增益决定
  • 卡点:把扰动误差当成总误差,漏掉输入分量
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
  • 本卷考过求比例补偿下扰动单独作用时的稳态误差
  • 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

三三、延迟系统响应与降阶16 分#

思路
  • 先由含延迟一阶对象的单位阶跃响应曲线读出稳态值与调节时间,再按近似公式把延迟并入等效时间常数,最后串联积分控制器用劳斯判据求稳定参数范围。
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 画含延迟一阶对象的单位阶跃响应并标稳态值
本卷实例
  • 关键一步:写出一阶惯性加延迟的阶跃响应表达式
  • 关键一步:按延迟时间平移响应曲线
  • 中间结果:响应先延迟后按指数上升至稳态值
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过画含延迟一阶对象的单位阶跃响应并标稳态值
  • 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
本卷考法
  • 按近似公式把含纯延迟对象化为无纯延迟形式
本卷实例
  • 关键一步:识别对象为k乘e的负τs次除以(Ts+1)的n次
  • 关键一步:由n1T1近似等于nT加τ确定参数
  • 中间结果:延迟被并入等效时间常数
  • 卡点:n1取整时四舍五入方向用反
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
  • 本卷考过按近似公式把含纯延迟对象化为无纯延迟形式
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 串联积分控制器后用劳斯判据求增益稳定范围
本卷实例
  • 关键一步:写出串联积分后的闭环特征方程
  • 关键一步:列劳斯表要求首列同号
  • 中间结果:稳定条件化为关于kp的不等式
  • 卡点:含参数系数未整理成降幂形式
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
  • 本卷考过串联积分控制器后用劳斯判据求增益稳定范围
  • 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
  • 分析比例积分控制器参数对稳定域的影响
本卷实例
  • 关键一步:把PI写成带零点与积分环节的形式
  • 关键一步:按参数变化重算稳定边界
  • 中间结果:积分环节提高型别但缩小稳定域
  • 卡点:只列部分首列不等式,漏掉约束
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
  • 本卷考过分析比例积分控制器参数对稳定域的影响
  • 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

四四、单容水箱比例与积分控制20 分#

思路
  • 以一阶对象为基础,分别串联比例与积分控制器,求开环闭环传函并分析稳态误差与动态性能,最后按给定积分增益估算指标并画响应草图。
被控对象的动态特性 过程控制与检测仪表
本卷考法
  • 由一阶被控对象分析水箱水位系统动态特性
本卷实例
  • 关键一步:写出被控对象为一阶惯性形式
  • 关键一步:把开环与闭环传函都化为标准形式
  • 中间结果:比例控制下闭环仍为一阶惯性
  • 卡点:把对象增益与控制器增益混为一个参数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 用放大系数 K、时间常数 T、纯滞后 τ 三个参数描述对象
  • 自衡对象受扰动后能自行重新平衡,非自衡对象不能
  • 多容对象由多个一阶环节串联而成,容量滞后大
  • 纯滞后只使响应推迟,不改变最终稳态值
步骤
  • 由阶跃响应曲线读出放大系数、时间常数与纯滞后时间
  • 判断对象是否自衡、是否多容
  • 写出对象的传递函数
  • 用终值定理求稳态值
通用考法
  • 本卷考过由一阶被控对象分析水箱水位系统动态特性
  • 由响应曲线写出对象传递函数
  • 求阶跃输入下的稳态值并说明与哪些因素有关
  • 判断对象是否具有纯滞后
常见易错
  • 把纯滞后当成时间常数一起处理
  • 放大系数的量纲与单位漏写
公式
本卷考法
  • 求比例与积分控制下单位阶跃的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再比较系统型别
  • 关键一步:比例控制无积分时阶跃误差有限
  • 中间结果:引入积分环节后阶跃误差可降到零
  • 卡点:比例控制下误判阶跃误差为零
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
  • 本卷考过求比例与积分控制下单位阶跃的稳态误差
  • 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
  • 比较比例与积分控制器对精度和动态性能的作用
本卷实例
  • 关键一步:从型别看积分对稳态误差的作用
  • 关键一步:从闭环极点看积分对响应的影响
  • 中间结果:积分提高精度但降低阻尼
  • 卡点:只谈精度不检查稳定性
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
  • 本卷考过比较比例与积分控制器对精度和动态性能的作用
  • 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
  • 由积分控制下的闭环传函求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:将闭环特征方程归一化
  • 关键一步:与标准二阶形式比对系数
  • 中间结果:ξ与ωn均由积分增益决定
  • 卡点:归一化时把常数项漏除
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
  • 本卷考过由积分控制下的闭环传函求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 由给定积分增益求超调量与调节时间并画响应草图
本卷实例
  • 关键一步:由ξ与ωn代入超调量公式
  • 关键一步:按误差带选调节时间系数
  • 中间结果:两个指标都由同一组ξ与ωn给出
  • 卡点:两种误差带的调节时间系数混用
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
  • 本卷考过由给定积分增益求超调量与调节时间并画响应草图
  • 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

五五、比例积分PI与滞后环节的奈奎斯特判稳23 分#

思路
  • 按四种控制器分别写出开环传函与频率特性,画奈氏曲线草图并由奈氏判据判断稳定时的增益区间,再求阶跃输入下的稳态误差。
本卷考法
  • 写出各控制器下系统的开环频率特性
本卷实例
  • 关键一步:写出控制器与被控对象串联的开环传函
  • 关键一步:令s为jω求幅值与相角
  • 中间结果:开环频率特性由各串联环节叠加
  • 卡点:积分环节的负九十度相角漏加
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
  • 本卷考过写出各控制器下系统的开环频率特性
  • 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
  • 由奈奎斯特曲线判断各方案闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数P
  • 关键一步:再看曲线对负一点的包围圈数
  • 中间结果:稳定判据化为P与包围圈数的关系
  • 卡点:需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由奈奎斯特曲线判断各方案闭环稳定性
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 分析滞后环节对系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:写出滞后环节的两个转折频率
  • 关键一步:分析其幅值衰减与相位滞后
  • 中间结果:滞后校正降低高频增益
  • 卡点:把两个转折频率顺序写反
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
  • 本卷考过分析滞后环节对系统稳定性的影响
  • 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
  • 分析比例积分控制器参数对稳定域的影响
本卷实例
  • 关键一步:把PI化为带积分与零点的形式
  • 关键一步:按增益变化重画奈氏曲线
  • 中间结果:积分时间决定零点位置与稳定域宽度
  • 卡点:把PI的相位影响说成超前
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
  • 本卷考过分析比例积分控制器参数对稳定域的影响
  • 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
本卷考法
  • 求单位阶跃输入下系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:判稳后由开环型别定误差
  • 关键一步:按阶跃输入取相应静态系数
  • 中间结果:误差与开环增益成反比关系
  • 卡点:未判稳直接代入误差公式
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下系统的稳态误差
  • 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

六六、离散系统脉冲传函与稳定15 分#

思路
  • 求采样系统的开环与闭环脉冲传递函数,列朱利表判断稳定时增益范围,再按单位斜坡输入求离散稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求采样系统的开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对连续部分做z变换求开环脉冲传函
  • 关键一步:由反馈通道写出闭环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函含开环脉冲传函的反馈组合
  • 卡点:两个连续环节间无采样开关却直接相乘
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的开环与闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 用朱利判据求离散系统稳定时增益k的范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列朱利表
  • 关键一步:写出首末行比值与端点不等式
  • 中间结果:稳定条件化为多个k的不等式
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零
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
  • 本卷考过用朱利判据求离散系统稳定时增益k的范围
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求单位斜坡输入下系统的离散稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用z域终值定理
  • 关键一步:按斜坡输入取误差脉冲传函
  • 中间结果:离散稳态误差由静态速度误差系数决定
  • 卡点:直接用s域静态误差系数公式
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
  • 本卷考过求单位斜坡输入下系统的离散稳态误差
  • 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

七七、方框图的状态空间建模与稳定15 分#

思路
  • 由结构图自定义状态变量写出状态空间表达式,再分别由能控能观判别矩阵判断性质,最后由特征方程判断渐进稳定性。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 自定义状态变量由方框图写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:在每个积分器输出端设状态变量
  • 关键一步:按支路关系写一阶微分方程组
  • 中间结果:状态方程由A、B、C矩阵描述
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不一致
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过自定义状态变量由方框图写状态空间表达式
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 用判别矩阵判断系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:构造能控与能观判别矩阵
  • 关键一步:由矩阵的秩与阶数比较判断
  • 中间结果:满秩对应完全能控或完全能观
  • 卡点:只算到A的n减2次B就下结论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过用判别矩阵判断系统的能控性与能观性
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由状态矩阵的特征方程判断渐进稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由A阵写出特征方程
  • 关键一步:用劳斯判据判断特征根实部符号
  • 中间结果:特征根实部全负对应渐进稳定
  • 卡点:只算特征多项式不判根的位置
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
  • 本卷考过由状态矩阵的特征方程判断渐进稳定性
  • 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

八八、状态反馈极点配置15 分#

思路
  • 由给定状态方程用状态反馈把闭环极点配置到指定位置,解出反馈矩阵并画实现该反馈的系统结构图。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 用状态反馈把闭环极点配置到指定位置求K阵
本卷实例
  • 关键一步:先由能控性判别矩阵验证可配置
  • 关键一步:令闭环特征多项式等于期望特征多项式
  • 中间结果:比较同次幂系数得反馈增益
  • 卡点:比较系数时符号取反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态反馈 u=-Kx+v 可任意配置闭环极点,前提是系统完全能控
  • 状态反馈不改变系统的零点
  • 极点配置通过比较期望与实际的闭环特征多项式求解 K
  • 状态反馈可能改变能观性
步骤
  • 先验证系统能控
  • 写出希望配置的极点并求期望特征多项式
  • 求闭环系统特征多项式 det(sI-A+BK)
  • 比较系数解出反馈增益阵 K
通用考法
  • 本卷考过用状态反馈把闭环极点配置到指定位置求K阵
  • 设计状态反馈使闭环极点位于指定位置
  • 判断给定极点是否可通过状态反馈配置
  • 分析状态反馈对系统性能的影响
常见易错
  • 未验证能控性就直接做极点配置
  • 特征多项式比较系数时符号写反
公式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 画状态反馈后的系统结构图并写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:把反馈增益加到每个状态变量
  • 关键一步:按积分器与支路画结构图
  • 中间结果:闭环状态矩阵为A减BK
  • 卡点:反馈极性符号画反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过画状态反馈后的系统结构图并写状态空间表达式
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式