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西安电子科技大学 843 自动控制原理 2023 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等 一为 8 小空填空题(22 分),二~十为 9 道计算大题;覆盖机电伺服建模、一阶系统辨识、根轨迹、复合控制、最小相位系统频域校正、离散与非线性系统

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1一、填空题:概念与典型特性22 分#

思路
  • 8 小空逐空查概念:网络类型判定、主导极点与偶极子、相轨迹形状、带宽与谐振峰值、采样定理、校正环节作用与典型非线性。
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正网络传函的系数关系判断是否滞后校正
本卷实例
  • 关键一步:比较分子与分母一次项系数的大小
  • 中间结果:分子一次项系数小于分母即为滞后网络
  • 卡点:滞后与超前只看两转折频率的相对大小
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
  • 本卷考过由校正网络传函的系数关系判断是否滞后校正
  • 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
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由闭环零极点分布指认主导极点与偶极子
本卷实例
  • 关键一步:按零极点与虚轴的距离判断主导性
  • 中间结果:相距很近的零极点对构成偶极子
  • 卡点:偶极子对响应影响小但不能当作完全抵消
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过由闭环零极点分布指认主导极点与偶极子
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 写出二阶欠阻尼系统误差信号的相轨迹大致形状
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征根判断相轨迹奇点类型
  • 中间结果:欠阻尼误差相轨迹为收敛螺旋线
  • 卡点:奇点类型由特征根在复平面的位置决定
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
  • 本卷考过写出二阶欠阻尼系统误差信号的相轨迹大致形状
  • 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
  • 判断带宽与谐振峰值对平稳性的影响方向
本卷实例
  • 关键一步:由闭环幅频特性看谐振峰高低
  • 中间结果:谐振峰值越大平稳性越差
  • 卡点:带宽增大提高快速性但抗噪性下降
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
  • 本卷考过判断带宽与谐振峰值对平稳性的影响方向
  • 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
  • 由信号最高频率确定等周期采样周期
本卷实例
  • 关键一步:按采样定理取采样角频率大于两倍最高频率
  • 中间结果:采样周期需小于最高频率对应周期的一半
  • 卡点:两倍关系是大于等于,等号临界不实用
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
  • 本卷考过由信号最高频率确定等周期采样周期
  • 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
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 列举滞后-超前校正的积极作用
本卷实例
  • 关键一步:分别指出滞后段改善稳态、超前段改善动态
  • 中间结果:两段转角频率错开时互不削弱
  • 卡点:两段转角若重叠会互相抵消作用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 兼顾稳态精度与动态性能,适合指标要求较高的场合
  • 低频段用滞后部分提高增益,中高频段用超前部分提高裕度
  • 设计时先确定超前部分,再确定滞后部分
步骤
  • 按稳态精度要求确定开环增益
  • 选择新的截止频率并计算超前部分参数
  • 计算为把低频增益抬到要求值所需的滞后部分参数
  • 合并写出校正装置并校验
通用考法
  • 本卷考过列举滞后-超前校正的积极作用
  • 设计滞后-超前校正装置
  • 说明为何单一校正无法满足指标
  • 分析校正后系统的低频与高频特性
常见易错
  • 先设计滞后部分导致截止频率反复调整
  • 两部分的转折频率分布重叠,互相削弱
公式
本卷考法
  • 绘制至少三类本质非线性特性的输入输出关系图
本卷实例
  • 关键一步:列出饱和、死区、间隙等典型特性
  • 中间结果:各特性均以分段折线表示
  • 卡点:图上要标清坐标轴,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过绘制至少三类本质非线性特性的输入输出关系图
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式
本卷考法
  • 画出用有源网络实现的 PID 校正装置原理图
本卷实例
  • 关键一步:按比例、积分、微分三条并联通路画运放电路
  • 中间结果:输入端三条支路分别对应 P、I、D 作用
  • 卡点:微分支路电容位置与积分支路不能颠倒
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
  • 本卷考过画出用有源网络实现的 PID 校正装置原理图
  • 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

2二、雷达天线位置伺服系统建模与静态误差20 分#

思路
  • 按电位器、放大器、电机与减速器逐级建立环节方程并合成传函,再对给定等速输入求位置随动系统的静态误差。
本卷考法
  • 指认位置随动系统的被控对象、被控量与操纵量
本卷实例
  • 关键一步:由给定轴与输出轴偏差确定比较与检测环节
  • 中间结果:电位器作比较检测,电机与减速器作执行机构
  • 卡点:系统原理图依赖原卷插图,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
  • 本卷考过指认位置随动系统的被控对象、被控量与操纵量
  • 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
直流电机等机电系统 建模与机电系统
本卷考法
  • 由电机电气与机械方程建立执行机构模型
本卷实例
  • 关键一步:列电枢回路电压方程与转矩平衡方程
  • 中间结果:消去电流后得到转角对电压的二阶传函
  • 卡点:反电动势系数与力矩系数的下标不能混
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由电枢回路电压方程与转矩平衡方程联立
  • 反电动势与转速成正比,电磁转矩与电枢电流成正比
  • 机电时间常数由电气与机械两方面参数共同决定
步骤
  • 写出电枢回路电压平衡方程
  • 写出转矩平衡方程(含负载与粘性摩擦)
  • 消去电枢电流,得到转速或转角对电压的传递函数
通用考法
  • 本卷考过由电机电气与机械方程建立执行机构模型
  • 求直流电机转速或位置对电枢电压的传递函数
  • 分析机电时间常数与电气时间常数的数量级关系
常见易错
  • 漏掉反电动势与电磁转矩的耦合项
  • 把电气时间常数与机电时间常数混淆
公式
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由各环节传函逐级合成开环与闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:把放大器、电机、减速器与反馈相乘相接
  • 中间结果:开环为含减速比的积分惯性环节
  • 卡点:减速比按两齿轮齿数之比的倒数折算
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
  • 本卷考过由各环节传函逐级合成开环与闭环传函
  • 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
本卷考法
  • 求位置随动系统跟踪等速信号的静态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再对等效速度输入用速度误差系数
  • 中间结果:静态误差与开环增益的倒数成正比
  • 卡点:输入含常值与等速项要分别按型别处理
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
  • 本卷考过求位置随动系统跟踪等速信号的静态误差
  • 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、热电阻传感器一阶系统辨识14 分#

思路
  • 由实测响应数据判断一阶系统并求时间常数与增益,再把匀速升温过程折算成斜坡输入求某高度处的真实温度。
被控对象的动态特性 过程控制与检测仪表
本卷考法
  • 由阶跃响应的实测数据写出对象传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由数据算稳态值与 63.2% 对应时刻
  • 中间结果:时间常数由一阶响应的特征时刻反求
  • 卡点:数据取自表格,需按相邻点插值估算
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
  • 本卷考过由阶跃响应的实测数据写出对象传递函数
  • 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
  • 由响应数据反求一阶系统传函的增益与时间常数
本卷实例
  • 关键一步:用稳态温度差与初始温度差之比求增益
  • 中间结果:传函为一阶惯性环节形式
  • 卡点:单位与量纲要沿数据表原样保留
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
  • 本卷考过由响应数据反求一阶系统传函的增益与时间常数
  • 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
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 用一阶系统跟踪斜坡输入求动态偏差
本卷实例
  • 关键一步:把匀速上升的环境温度看成斜坡输入
  • 中间结果:稳态时示数与真实温度存在固定滞后差
  • 卡点:固定滞后差等于时间常数乘温度变化率
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
  • 本卷考过用一阶系统跟踪斜坡输入求动态偏差
  • 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

4四、二阶系统动态指标与速度反馈#

思路
  • 对图(a)典型二阶系统求四项动态指标,再对图(b)加入速度反馈后由超调量要求反求速度反馈系数。
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由二阶参数求上升、峰值、超调与调整时间
本卷实例
  • 关键一步:先由闭环传函求阻尼比与自然频率
  • 中间结果:四项指标均由两参数代入公式得到
  • 卡点:调节时间要按题意取相应误差带系数
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
  • 本卷考过由二阶参数求上升、峰值、超调与调整时间
  • 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
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
  • 由闭环特征方程化为标准二阶形式
本卷实例
  • 关键一步:把二次项系数归一后逐项对照标准式
  • 中间结果:一次项对应阻尼比乘自然频率
  • 卡点:分母常数项开方时要取正值
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
  • 本卷考过由闭环特征方程化为标准二阶形式
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 分析速度反馈接入后闭环传函的变化
本卷实例
  • 关键一步:把速度反馈看成对阻尼项的直接补偿
  • 中间结果:速度反馈只改变一次项不改变常数项
  • 卡点:反馈极性接反会使阻尼变负导致不稳定
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
  • 本卷考过分析速度反馈接入后闭环传函的变化
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量要求反求速度反馈系数
本卷实例
  • 关键一步:由超调量反解阻尼比
  • 中间结果:令阻尼比表达式等于所求值即可解出反馈系数
  • 卡点:反解阻尼比时要取合理的一个解
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量要求给出 ξ 的下界,调节时间要求给出 ξωn 的下界
  • 多个指标同时给出时需求参数可同时满足的公共区域
  • 指标之间往往相互制约,需权衡取舍
步骤
  • 把每个指标要求翻译成对 ξ 或 ωn 的不等式
  • 在参数平面上画出各不等式的可行域
  • 取交集并选取合适的参数值
  • 回代验证全部指标是否满足
通用考法
  • 本卷考过由超调量要求反求速度反馈系数
  • 由超调量和调节时间要求设计开环增益与阻尼
  • 求满足指标要求的参数取值范围
  • 判断给定指标组合是否可实现
常见易错
  • 只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 把 ξ 的可行域方向取反
公式

5五、根轨迹绘制与最佳阻尼比13 分#

思路
  • 由结构图求开环传函画根轨迹,用相角条件判断给定点是否在轨迹上,再由最佳阻尼比定出对应增益。
本卷考法
  • 绘制系统根轨迹并求渐近线等参数
本卷实例
  • 关键一步:由开环零极点定实轴段与渐近线
  • 中间结果:先定走向再标注特殊点
  • 卡点:渐近线夹角与交点的计算不能混
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
  • 本卷考过绘制系统根轨迹并求渐近线等参数
  • 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
本卷考法
  • 用相角条件判断给定点是否在根轨迹上
本卷实例
  • 关键一步:把该点代入各零极点相角并求和
  • 中间结果:相角满足奇数次 180 度即在该点上
  • 卡点:根轨迹上须同时满足相角条件与幅值条件
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹是开环某一参数由 0 变到无穷时闭环极点在 s 平面上的移动轨迹
  • 同时满足相角条件与幅值条件的 s 才是根轨迹上的点
  • 相角条件决定根轨迹的形状,幅值条件决定对应的参数值
  • 常规根轨迹以开环增益 K 为可变参数
步骤
  • 写出以 K 为参变量的闭环特征方程
  • 整理成 1+KG₀(s)=0 的标准形式
  • 用相角条件判断某点是否在根轨迹上
通用考法
  • 本卷考过用相角条件判断给定点是否在根轨迹上
  • 判断给定点是否在根轨迹上
  • 由幅值条件求该点对应的 K
  • 说明相角条件与幅值条件各自的作用
常见易错
  • 把相角条件的 180° 写成 0°(正反馈时才用 0°)
  • 用幅值条件判点,搞混两个条件的用途
公式
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界参数
本卷实例
  • 关键一步:令闭环特征方程实部虚部分别为零
  • 中间结果:联立解出交点频率与临界增益
  • 卡点:不能只代一个 ω 就下结论
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参数
  • 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
  • 求最佳阻尼比状态下对应的增益
本卷实例
  • 关键一步:由最佳阻尼比作等阻尼线与根轨迹求交
  • 中间结果:交点处用幅值条件反求增益
  • 卡点:最佳阻尼比是给定值,不要与临界阻尼混
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
  • 本卷考过求最佳阻尼比状态下对应的增益
  • 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

6六、四阶系统根轨迹特殊点求解14 分#

思路
  • 对给定四阶开环传函绘根轨迹,计算分离汇合点、虚轴交点及各自对应的根轨迹增益。
本卷考法
  • 绘制四阶系统根轨迹并定走向
本卷实例
  • 关键一步:开环零极点为两对共轭与一个原点极点
  • 中间结果:实轴根轨迹段按零极点个数判定
  • 卡点:无实轴段时根轨迹全在复平面
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
  • 本卷考过绘制四阶系统根轨迹并定走向
  • 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
  • 求分离汇合点坐标及对应根轨迹增益
本卷实例
  • 关键一步:用 dK/ds 等于零列驻点方程
  • 中间结果:解出驻点后需逐一代入相角条件筛选
  • 卡点:重复整数重根要说明是不是分离点
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
  • 本卷考过求分离汇合点坐标及对应根轨迹增益
  • 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:令特征方程中实部与虚部分别为零
  • 中间结果:由 ω 方程解出交点频率再反求增益
  • 卡点:虚轴交点频率需取正值物理频率
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

7七、复合控制前馈校正实现不变性12 分#

思路
  • 无前馈时由稳定增益边界确定开环参数,加入速度前馈后求误差传函,令速度信号下稳态误差为零反求校正装置。
本卷考法
  • 求参考输入到误差的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按结构图写出误差对输入的传函
  • 中间结果:无前馈时误差传函由反馈回路决定
  • 卡点:误差取给定减输出还是减反馈需按题意
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
  • 本卷考过求参考输入到误差的传递函数
  • 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
  • 由速度信号下的稳态误差为零反求前馈装置
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用终值定理求稳态误差
  • 中间结果:令速度项误差系数为零解出前馈参数
  • 卡点:前馈系数需与无前馈时的增益边界联立
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
  • 本卷考过由速度信号下的稳态误差为零反求前馈装置
  • 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
  • 说明前馈补偿对稳态误差与稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:前馈只加在给定通道不进入特征方程
  • 中间结果:前馈能消除给定引起的稳态误差
  • 卡点:前馈不改变系统稳定性,勿混淆
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
  • 本卷考过说明前馈补偿对稳态误差与稳定性的影响
  • 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

8八、最小相位系统校正前后频域综合25 分#

思路
  • 由校正前后对数幅频特性反求两个传函,画校正前幅相曲线求负实轴交点与增益裕度,再定校正装置并算相角裕度与扰动衰减。
本卷考法
  • 由校正前后对数幅频特性反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按各段斜率与转折频率逐一写出环节
  • 中间结果:低频段高度确定开环增益
  • 卡点:斜率变化档数要与环节个数一致
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
  • 本卷考过由校正前后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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由幅相曲线与负实轴交点求增益裕度
本卷实例
  • 关键一步:标出与负实轴交点后数包围次数
  • 中间结果:增益裕度由交点幅值的倒数取分贝表示
  • 卡点:含积分环节时要补画无穷大圆弧
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
  • 本卷考过由幅相曲线与负实轴交点求增益裕度
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正后系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由校正后幅频求截止频率
  • 中间结果:截止频率处相角与负 180 度之差即裕度
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率别用反
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
  • 本卷考过求校正后系统的相角裕度
  • 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
  • 由校正前后曲线相减确定串联校正装置
本卷实例
  • 关键一步:两条对数幅频曲线相减得校正装置特性
  • 中间结果:校正装置为超前或滞后-超前网络
  • 卡点:求出的装置需检查物理可实现性
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
  • 本卷考过由校正前后曲线相减确定串联校正装置
  • 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
  • 求正弦扰动通过系统后的增益衰减量
本卷实例
  • 关键一步:把扰动频率代入校正后幅频表达式
  • 中间结果:衰减量由输入输出幅值比的分贝差表示
  • 卡点:先确认扰动频率落在哪一频段
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
  • 本卷考过求正弦扰动通过系统后的增益衰减量
  • 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

9九、采样系统稳定范围与重根条件10 分#

思路
  • 求开环脉冲传函,用稳定性条件确定增益范围,再由指定数字控制器与三重根条件反求控制器系数与重根。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把保持器与连续对象合并作 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函含采样周期指数参数
  • 卡点:零阶保持器的 (1-z^-1) 因子不能漏
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
  • 本卷考过求含零阶保持器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
  • 由稳定性条件求使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征根写成关于增益的显式
  • 中间结果:由特征根模小于 1 解出增益区间
  • 卡点:z 域稳定条件是模小于 1
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
  • 本卷考过由稳定性条件求使系统稳定的增益范围
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环特征方程的三重根条件确定控制器系数
本卷实例
  • 关键一步:把含控制器系数的闭环特征式写成重根因式
  • 中间结果:比较同类项系数可解出控制器参数
  • 卡点:重根因式展开后要与原多项式逐项对齐
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
  • 本卷考过由闭环特征方程的三重根条件确定控制器系数
  • 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

10十、描述函数法反求自振参数10 分#

思路
  • 由输出自振振幅与角频率反求非线性环节输入振幅,再由交点条件联立求时间常数与增益参数。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求非线性环节的负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:由理想继电特性的描述函数取负倒数
  • 中间结果:负倒描述函数为负实轴上的射线段
  • 卡点:随笔口幅值变化方向的标注不能漏
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
  • 本卷考过求非线性环节的负倒描述函数
  • 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
  • 按交点的穿越方向判断自振稳定性
本卷实例
  • 关键一步:判断交点处幅值增大方向是否指向曲线外侧
  • 中间结果:线性曲线穿出负倒曲线为稳定自振
  • 卡点:曲线以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过按交点的穿越方向判断自振稳定性
  • 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
本卷考法
  • 由自振条件联立求系统参数
本卷实例
  • 关键一步:令线性环节相角等于负 180 度求振荡频率
  • 中间结果:由幅值条件与频率条件联立解出参数
  • 卡点:输出振幅需经线性环节折算成非线性输入振幅
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过由自振条件联立求系统参数
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式