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东北大学 839 控制原理 2017 年真题思维导图

985 院校共 8 题合计 150 分

难度:中等 8 题 150 分;第 1 题简答,其后为结构图求总输出、高阶系统近似、微分负反馈参数根轨迹、奈氏判据与幅值裕度、最小相位校正环节反求、描述函数法自振、离散系统稳定与稳态误差各 1 题

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一简答:开闭环与采样定理10 分#

思路
  • 2 小问:开环与闭环控制系统的差别及适用对象、采样定理
本卷考法
  • 比较开环与闭环控制系统的差别并说明适用对象
本卷实例
  • 关键一步:从有无反馈、抗扰能力、控制精度与结构复杂度逐项对比
  • 中间结果:扰动大、精度要求高时用闭环,简单场合用开环
  • 卡点:只答差别不答适用对象,第二问答不全
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
  • 本卷考过比较开环与闭环控制系统的差别并说明适用对象
  • 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
  • 简述采样定理
本卷实例
  • 关键一步:写出采样角频率须大于信号最高角频率的两倍
  • 中间结果:不满足两倍关系时频谱发生混叠
  • 卡点:把大于两倍写成相等,漏掉信号最高频率这一前提
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
  • 本卷考过简述采样定理
  • 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

二结构图求给定与扰动总输出20 分#

思路
  • 结构框图给定,求输入与扰动同时作用下的总输出,分别求两路传函后叠加
本卷考法
  • 求给定与扰动同时作用下的总输出
本卷实例
  • 关键一步:分别令输入或扰动为零求两路传函再叠加
  • 关键一步:叠加前先确认系统为线性系统
  • 中间结果:两路传函共用同一特征多项式
  • 卡点:未把另一输入置零就直接叠加,图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求给定与扰动同时作用下的总输出
  • 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
  • 用梅森增益公式求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:找全部前向通路与回路,判接触关系后写特征式
  • 中间结果:回路增益的负号不能丢
  • 卡点:不接触回路找漏或重复计数
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 信号流图适合处理多回路、比较点复杂系统
  • 特征式 Δ=1-ΣL+ΣLL-ΣLLL+…
  • 每条前向通路的余子式要剔除与它接触的回路
  • 不接触回路才会计入高阶乘积项
步骤
  • 由结构图改画信号流图,标出各节点
  • 找出全部单独回路,求特征式 Δ
  • 找出全部前向通路 P_k
  • 对每条通路求余子式 Δ_k
  • 代入公式求总传输
通用考法
  • 本卷考过用梅森增益公式求闭环传递函数
  • 由信号流图求 C(s)/R(s)
  • 结构图先用梅森公式化简再作性能分析
  • 判断某条回路是否与给定前向通路接触
常见易错
  • 不接触回路找漏或重复计数
  • 余子式中未剔除与通路接触的回路
  • 把前向通路的增益写成了回路增益
公式

三高阶系统近似与动态指标20 分#

思路
  • 闭环为四阶,用近似方法按主导极点降为二阶,再求最大超调量、调节时间与峰值时间
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
  • 用近似方法处理高阶系统并估算动态指标
本卷实例
  • 关键一步:比较各极点与零点到虚轴的距离,把可对消的零极点或远离虚轴的极点忽略
  • 关键一步:降为二阶后再套动态指标公式
  • 中间结果:闭环传函有一对靠近的零极点可近似对消
  • 卡点:忽略零点对超调量的放大作用
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
  • 本卷考过用近似方法处理高阶系统并估算动态指标
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 求最大超调量、调节时间与峰值时间
本卷实例
  • 关键一步:先由降阶后的二阶系统确定阻尼比与自然频率
  • 关键一步:再代入三个动态性能指标公式
  • 中间结果:三个指标都只由阻尼比与自然频率决定
  • 卡点:峰值时间与上升时间混用
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
  • 本卷考过求最大超调量、调节时间与峰值时间
  • 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

四微分负反馈广义根轨迹20 分#

思路
  • 以微分反馈系数为参变量作参数根轨迹,再由根轨迹说明微分反馈的作用与衰减振荡时的取值范围
本卷考法
  • 以微分反馈系数为参变量绘制系统的参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成 1 加 τ 乘等效开环传函为零的根轨迹标准形式
  • 关键一步:再按 180 度根轨迹法则作图
  • 中间结果:等效开环的零极点由原系统与反馈通道共同决定
  • 卡点:整理时未把参变量完整提到分子,图需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 可变参数不是开环增益时称为参数根轨迹
  • 方法是用等效开环传递函数把参数提到标准位置
  • 正反馈系统或零度根轨迹的相角条件是 0°+360°l
步骤
  • 把特征方程整理成 1+αG*(s)=0 的形式
  • 把 α 以外部分视为等效开环传递函数
  • 按常规根轨迹法则绘制
  • 注意相角条件是否变成 0°
通用考法
  • 本卷考过以微分反馈系数为参变量绘制系统的参数根轨迹
  • 以时间常数或其他参数为变量绘制根轨迹
  • 绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 比较零度与 180 度根轨迹的差别
常见易错
  • 整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 零度根轨迹仍沿用 180° 相角条件
公式
本卷考法
  • 说明微分反馈的作用及衰减振荡时的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:由根轨迹走向看参变量增大时闭环极点实部与虚部的变化
  • 关键一步:用共轭复根条件确定取值范围
  • 中间结果:由等阻尼线或复根判据求参变量临界值
  • 卡点:把等阻尼线画成垂直线,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
  • 本卷考过说明微分反馈的作用及衰减振荡时的取值范围
  • 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

五奈氏判据与幅值裕度20 分#

思路
  • 开环为积分环节串联两个惯性环节,用奈氏判据求稳定时增益范围,再在给定参数下求幅值裕度
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈氏判据求系统稳定时开环增益的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:开环含一个积分环节,先补画无穷大半径圆弧
  • 关键一步:求曲线与负实轴交点,令交点位于临界点右侧得稳定条件
  • 中间结果:相角为负 180 度处对应幅值须小于 1
  • 卡点:含积分环节未补画圆弧,包围圈数就算错
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
  • 本卷考过用奈氏判据求系统稳定时开环增益的取值范围
  • 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
  • 确定给定参数下系统的幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:先求相位穿越频率,再代入幅频求该处幅值的倒数
  • 中间结果:幅值裕度以分贝表示时由该处幅值取对数再取负
  • 卡点:幅值裕度该取倒数却没有取,结论就反了
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
  • 本卷考过确定给定参数下系统的幅值裕度
  • 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

六最小相位校正环节反求20 分#

思路
  • 由最小相位校正环节的对数幅频特性反求其传函,再选可实现该特性的 RC 网络并写出时间常数与放大系数
本卷考法
  • 由对数幅频特性曲线反求最小相位校正环节的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定增益,再按各段转折频率写零极点
  • 关键一步:最小相位系统的幅频可唯一确定相频与传函
  • 中间结果:转折频率与斜率变化一一对应
  • 卡点:把延长线交点当增益而未折算型别,图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由对数幅频特性曲线反求最小相位校正环节的传递函数
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 选择能实现该校正环节的 RC 网络并写出参数
本卷实例
  • 关键一步:比较分子与分母转折频率的先后判断超前或滞后网络
  • 关键一步:再由无源网络传函对照求时间常数与放大系数
  • 中间结果:时间常数由转折频率取倒数得到
  • 卡点:把超前与滞后网络的零极点位置写反,图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过选择能实现该校正环节的 RC 网络并写出参数
  • 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

七非线性系统自振分析20 分#

思路
  • 非线性环节描述函数为常数项加随幅值变化项,用描述函数法判断是否存在自振并求频率与振幅
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出非线性环节的描述函数与负倒特性
本卷实例
  • 关键一步:描述函数含常数项与随幅值变化项,负倒特性是复平面上的轨迹
  • 关键一步:轨迹按幅值增大的方向标注走向
  • 中间结果:负倒特性随幅值变化的走向决定能否与幅相曲线相交
  • 卡点:把描述函数当成频率的函数,图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过写出非线性环节的描述函数与负倒特性
  • 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
  • 判断系统是否存在自振并求自振频率与振幅
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分频率特性等于负倒描述函数,实部与虚部分别相等
  • 关键一步:先解频率再解幅值,并按幅值增大方向判交点稳定性
  • 中间结果:交点存在且稳定才是自持振荡
  • 卡点:未判交点稳定性就下结论,图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过判断系统是否存在自振并求自振频率与振幅
  • 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

八离散系统稳定与稳态误差20 分#

思路
  • 采样离散系统两小问:一组参数下判稳,另一组参数下求单位斜坡输入时的稳态误差
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 给定增益与采样周期时判断离散系统是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:求闭环脉冲传函的特征方程,看特征根是否都在单位圆内
  • 中间结果:二阶离散系统可用朱利判据或 w 变换判稳
  • 卡点:把离散稳定条件写成实部小于零,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
  • 本卷考过给定增益与采样周期时判断离散系统是否稳定
  • 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
  • 求单位斜坡输入下离散系统的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再用 z 域终值定理求误差极限
  • 关键一步:斜坡输入对应速度误差系数,由开环脉冲传函在 z 等于 1 处的值求
  • 中间结果:稳态误差与开环脉冲传函的型别和增益有关
  • 卡点:直接用 s 域误差系数公式,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
  • 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