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南昌大学 873 自动控制原理 2025 年真题思维导图

211 院校共 9 题

难度:中等 全卷 8 题,覆盖电路网络建模、一阶系统时间常数与斜坡稳态误差、四阶系统根轨迹与临界增益、Bode 图与串联微分、奈奎斯特判据求稳定增益域、结构图校正与静态误差系数、PID 结构框图与表达式、离散系统稳定性与稳态误差。卷首印共 8 题、满分 150 分,逐年与宝典均未逐题标分值;第 1、6、8 题含原卷插图。

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1一、电路网络求传递函数#

思路
  • 由无源 RC 网络按复阻抗法列 KCL 与 KVL 方程,消去电容与电阻上的中间电流变量,整理得到输出电压与输入电压之比
本卷考法
  • 由 RC 网络复阻抗列 KCL 与 KVL 求 Uo(s) 比 Ui(s)
本卷实例
  • 关键一步:把电容按复阻抗写成 1/(Cs),再对节点列电流方程
  • 中间结果:用 KCL 与 KVL 消去两条电容支路与电阻上的中间电流
  • 卡点:图 1 为原卷电路图未读图,元件串并联关系需回原卷核对
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 RC 网络复阻抗列 KCL 与 KVL 求 Uo(s) 比 Ui(s)
  • 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
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 无源 RC 网络用复阻抗分压与节点法建模
本卷实例
  • 关键一步:先判断各元件是串联分压还是并联分流关系
  • 中间结果:输入与输出都写成两条支路电流叠加的形式
  • 卡点:含两个电容时中间电流不能直接当成零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过无源 RC 网络用复阻抗分压与节点法建模
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式

2二、一阶系统时间常数与斜坡稳态误差#

思路
  • 由一阶系统达到 95% 对应 3 倍时间常数读出 T,再写单位反馈误差传递函数,对线性升温输入用终值定理求稳态误差
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由一阶系统达到 95% 的时刻求时间常数 T
本卷实例
  • 关键一步:一阶响应单调无振荡,5% 误差带对应 3 倍时间常数
  • 中间结果:测量时刻与时间常数成固定倍数关系
  • 卡点:别把 63.2% 对应的时刻与 95% 对应的时刻混用
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
  • 本卷考过由一阶系统达到 95% 的时刻求时间常数 T
  • 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
  • 由闭环传函写出单位反馈的误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:单位反馈下误差传函等于 1 减闭环传函
  • 中间结果:误差传函分子含一个 s,对阶跃输入无静差
  • 卡点:写误差传函前要先确认系统为一阶稳定系统
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
  • 本卷考过由闭环传函写出单位反馈的误差传递函数
  • 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
本卷考法
  • 求水温线性升温输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把每秒升温率写成斜坡输入,再用终值定理求误差极限
  • 中间结果:稳态误差与升温速率及时间常数成正比
  • 卡点:终值定理只能在闭环稳定时使用
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
  • 本卷考过求水温线性升温输入下的稳态误差
  • 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

3三、四阶系统根轨迹与稳定增益范围#

思路
  • 由两对重开环极点定出根轨迹分支、实轴段与渐近线,求分离点和虚轴交点,再由劳斯判据给出稳定增益范围
本卷考法
  • 按绘制法则画两对重极点的闭环根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由开环极点定分支数,再定渐近线交点与夹角
  • 中间结果:实轴根轨迹段由右侧零极点总数为奇数判定
  • 卡点:两对重极点使渐近线夹角与单极点情形不同
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
  • 本卷考过按绘制法则画两对重极点的闭环根轨迹
  • 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
  • 求根轨迹在实轴上的分离点
本卷实例
  • 关键一步:令闭环特征方程对增益求导为零得到分离点方程
  • 中间结果:分离点方程按重根拆开后得到候选根
  • 卡点:候选根要回代根轨迹筛选,不在轨迹上的舍去
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
  • 本卷考过求根轨迹在实轴上的分离点
  • 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增益
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于 jω 代入特征方程,分离实部与虚部联立
  • 中间结果:临界增益由劳斯表首列元素为零的等式给出
  • 卡点:负频率要舍去,只保留物理角频率
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
本卷考法
  • 由根轨迹判断系统稳定所需的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:闭环极点全在左半平面才稳定,对应增益介于分离点与虚轴交点之间
  • 中间结果:稳定区间由两个临界增益围成
  • 卡点:要区分稳定区间与增益的全部正实范围
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
  • 本卷考过由根轨迹判断系统稳定所需的增益范围
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由特征方程首列同号确定稳定增益域
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程按降幂排列后逐行交叉相减列劳斯表
  • 中间结果:首列各元素含增益,令其同号得到不等式组
  • 卡点:漏掉首列某一元素会放大稳定范围
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
  • 本卷考过由特征方程首列同号确定稳定增益域
  • 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

4四、Bode 图绘制与串联微分环节#

思路
  • 把开环分解为积分与惯性等典型环节,逐段叠加斜率画渐近幅频与相频并判断稳定性;再串联 s+1 相当于附加开环零点,比较前后裕度与稳定性
本卷考法
  • 识别开环中的积分与惯性环节并画典型环节特性
本卷实例
  • 关键一步:由时间常数取倒数定出惯性环节的转折频率
  • 中间结果:积分环节给低频负斜率,惯性环节在高频再降斜率
  • 卡点:惯性环节高频渐近线斜率容易误写成两倍
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
  • 本卷考过识别开环中的积分与惯性环节并画典型环节特性
  • 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
  • 逐段叠加斜率绘制开环对数渐近幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:从低频段斜率与高度出发,每过一个转折频率叠加斜率
  • 中间结果:幅频为分段折线,相频由各环节相角相加
  • 卡点:改斜率时要累加而不是替换
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
  • 本卷考过逐段叠加斜率绘制开环对数渐近幅频特性
  • 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 Bode 图读稳定裕度并判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:在幅频零分贝处读剪切频率,再取该处相角求相角裕度
  • 中间结果:相角裕度为正且幅值裕度大于一时闭环稳定
  • 卡点:剪切频率与相位穿越频率是两个不同频率
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
  • 本卷考过由 Bode 图读稳定裕度并判断稳定性
  • 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
本卷考法
  • 分析串联微分环节 s+1 对系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:把 s+1 看成附加开环零点,比较相频曲线抬升前后
  • 中间结果:附加零点使相角提前抬升,剪切频率右移
  • 卡点:微分会放大高频噪声,不能只看稳定裕度改善
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过分析串联微分环节 s+1 对系统稳定性的影响
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反

5五、奈奎斯特图与稳定增益范围#

思路
  • 写出开环频率特性的幅频与相频表达式,按低频与高频走向画奈奎斯特曲线并补画积分环节的无穷大圆弧,再由包围圈数与开环右半平面极点数求稳定增益范围
本卷考法
  • 求开环频率特性的幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 jω,分别取模与相角得到频率特性
  • 中间结果:低频段幅值趋于无穷,相角由积分环节个数决定
  • 卡点:分母复数取模时漏掉 s 平方环节的贡献
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
  • 本卷考过求开环频率特性的幅频与相频表达式
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P,再数幅相曲线绕 (-1,j0) 的净包围圈数 N
  • 中间结果:闭环右半平面极点数由 Z 等于 N 加 P 给出
  • 卡点:开环含积分环节时要补画无穷大半径圆弧
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判断闭环稳定性
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏判据求系统稳定时的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:令幅相曲线恰好穿过 (-1,j0) 求出临界增益
  • 中间结果:增益取两个临界值之间时系统稳定
  • 卡点:穿越方向决定稳定区在临界增益的哪一侧
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
  • 本卷考过由奈氏判据求系统稳定时的增益范围
  • 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

6六、结构图校正与静态误差系数#

思路
  • 先由结构图写出开环传函,按速度静态误差系数要求定增益并判稳;再串入给定校正环节,画校正后 Bode 图,用剪切频率处相角核对相角裕度,最后说明校正环节的作用
本卷考法
  • 由速度静态误差系数要求确定开环增益
本卷实例
  • 关键一步:按系统型别写出速度误差系数与开环增益的关系
  • 中间结果:速度误差系数由开环增益与时间常数组合表示
  • 卡点:别把速度误差系数与开环增益直接等同
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
  • 本卷考过由速度静态误差系数要求确定开环增益
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判断给定增益下系统是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:先写闭环特征方程并按降幂补齐缺项
  • 中间结果:劳斯表首列全部同号则闭环稳定
  • 卡点:系数有缺项时先补零再列劳斯表
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断给定增益下系统是否稳定
  • 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
  • 绘制校正前后的开环对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:分别排出校正前后各转折频率,逐段写斜率
  • 中间结果:校正后中频段斜率相对校正前发生变化
  • 卡点:两个传递函数都含积分环节,低频斜率不要漏画
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
  • 本卷考过绘制校正前后的开环对数幅频特性
  • 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
  • 由剪切频率处相角核对相角裕度要求
本卷实例
  • 关键一步:在零分贝处读剪切频率,再算该处相角裕度
  • 中间结果:校正环节的零极点使中频段相角抬升
  • 卡点:题目只要求中频段裕度,别用高频段相角代替
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
  • 本卷考过由剪切频率处相角核对相角裕度要求
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正环节零极点位置判断其类型
本卷实例
  • 关键一步:比较分子分母时间常数大小判断零点与极点先后
  • 中间结果:零点转折频率低于极点时为超前校正,相角抬升
  • 卡点:超前校正会抬高剪切频率,需回原卷核对图 2
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
  • 本卷考过由校正环节零极点位置判断其类型
  • 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

7七、PID 控制器的结构与表达式#

思路
  • 先画比例、积分、微分三支路并联的校正结构框图,再写连续时域与频域表达式,最后对照位置式与增量式的差分表达式说明两者区别
本卷考法
  • 写 PID 时域与频域表达式并比较位置式与增量式
本卷实例
  • 关键一步:把比例、积分、微分三项按时域叠加写成控制器输出
  • 中间结果:位置式直接输出控制量,增量式输出控制量之差
  • 卡点:增量式只与最近几次误差有关,积分饱和表现不同
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
  • 本卷考过写 PID 时域与频域表达式并比较位置式与增量式
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 画出并联结构形式的 PID 校正结构框图
本卷实例
  • 关键一步:把三条支路并联后求和,得到控制器输出
  • 中间结果:比例支路无动态,积分与微分支路各含 1/s 或 s
  • 卡点:结构框图支路增益标注需回原卷核对
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
  • 本卷考过画出并联结构形式的 PID 校正结构框图
  • 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

8八、离散系统稳定性与稳态误差#

思路
  • 先对连续部分做部分分式后查 z 变换表得到开环脉冲传函,写闭环特征方程,用朱里判据判稳,再用终值定理求单位阶跃下的稳态误差
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 求连续部分部分分式展开后的 z 变换
本卷实例
  • 关键一步:把连续传函拆成两个一阶极点,逐项查 z 变换表
  • 中间结果:指数型极点按 e 的负指数映射到 z 平面
  • 卡点:e 的指数是负 aT,别漏掉采样周期 T
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
  • 本卷考过求连续部分部分分式展开后的 z 变换
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统的开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:按采样开关位置对连续部分做 z 变换得到开环脉冲传函
  • 中间结果:闭环特征多项式由分母与开环分子相加得到
  • 卡点:图 3 的采样开关位置需回原卷核对
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
  • 本卷考过求离散系统的开环与闭环脉冲传函
  • 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
  • 用朱里判据判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征多项式列朱里表或做 w 变换
  • 中间结果:稳定条件化为 D(1) 大于零、D(-1) 大于零且常数项绝对值小于一
  • 卡点:稳定条件是极点在单位圆内,不是实部小于零
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
  • 本卷考过用朱里判据判断离散系统稳定性
  • 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
  • 求单位阶跃输入下离散系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理求误差传函在 z 趋于 1 时的极限
  • 中间结果:稳态误差由开环脉冲传函在 z 等于 1 处取值决定
  • 卡点:用终值定理前必须先确认闭环稳定
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下离散系统的稳态误差
  • 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

9九、范德波尔方程的描述函数分析#

思路
  • 先把范德波尔方程中的非线性阻尼项移到等号右边并写成一阶方程组,分离出等效线性部分;再把该非线性项用描述函数 N(A) 表示,与线性部分按自振条件 N(A)G(jω) 等于负一联立,由实部条件定频率、虚部条件定振幅。
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 区分范德波尔方程中的线性主部与非线性阻尼项
本卷实例
  • 关键一步:把 ẍ+x 看作线性主体,ε(x²-1)ẋ 移到右边作非线性输入
  • 中间结果:等效线性部分的分母出现 s² 与 -εs 项
  • 卡点:取状态变量时非线性项只进一个方程,符号易写反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 不满足叠加原理,输出与初始条件、输入幅值都有关
  • 可能出现自持振荡即极限环
  • 响应可能对初始条件敏感,出现跳跃谐振
  • 线性系统的稳定性概念需要推广为局部稳定性
步骤
  • 确认系统含明显非线性环节
  • 判断该非线性是本质非线性还是可线性化的弱非线性
  • 按非线性分析方法选择描述函数法或相平面法
通用考法
  • 本卷考过区分范德波尔方程中的线性主部与非线性阻尼项
  • 说明非线性系统与线性系统的本质差别
  • 指出同步振荡、跳跃谐振等特有现象
  • 判断某系统应选用哪种分析方法
常见易错
  • 把非线性环节线性化后直接沿用线性理论的全部结论
  • 认为非线性系统一定不稳定
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 把非线性阻尼项等效为描述函数 N(A)
本卷实例
  • 关键一步:对非线性项做一次谐波近似,按 x=A cos(ωt) 代入求 N(A)
  • 中间结果:描述函数只与振幅 A 有关,且可能带虚部
  • 卡点:题目给的 N(A) 含 jω 与 A²,别把 ω 当自变量混进 A
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
  • 本卷考过把非线性阻尼项等效为描述函数 N(A)
  • 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
  • 用描述函数法判断周期运动并求自振振幅与频率
本卷实例
  • 关键一步:令 N(A)G(jω)+1=0,把 G(jω) 代入后分离实部与虚部
  • 中间结果:实部方程给自振频率,虚部方程给自振振幅
  • 卡点:存在性要先看两式是否有正实数解,无解要明确说明
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周期运动并求自振振幅与频率
  • 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