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南开大学 810 自动控制原理 2020 年真题思维导图

985 院校共 7 题

难度:中等 自动控制原理七个大题:五个简答小题、由微分方程求传函与全响应、串联超前校正、四重极点根轨迹、非最小相位系统奈氏判稳、离散系统稳定与稳态误差、结构图稳定域与前馈补偿。第四、六、七题由结构图给出。

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一一、简答题#

思路
  • 五个简答小题:自动控制的基本要求与时域性能指标、阻尼比与特征根及稳定性的关系、梅森公式各符号含义、前馈校正的定义与作用、(a)(b)两种结构方案的调整与特点比较。
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 第1问:说自动控制的基本要求并给出三种时域性能指标
本卷实例
  • 关键一步:由稳、准、快三条基本要求引出时域性能指标
  • 中间结果:上升时间、峰值时间、调节时间与超调量是常用时域指标
  • 卡点:稳态误差属准确性指标,不要混进动态性能指标
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
  • 本卷考过第1问:说自动控制的基本要求并给出三种时域性能指标
  • 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
  • 本卷考过把稳态误差当动态性能指标
  • 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
  • 第2问:按阻尼比取值讨论特征根位置与稳定性的关系
本卷实例
  • 关键一步:由特征根表达式按阻尼比取值范围分类讨论
  • 中间结果:阻尼比在零到一之间为共轭复根、等于一为重根、大于一为两实根
  • 卡点:阻尼比为零时等幅振荡,小于零时发散
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
  • 本卷考过第2问:按阻尼比取值讨论特征根位置与稳定性的关系
  • 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
  • 本卷考过只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
  • 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
本卷考法
  • 第3问:写出梅森公式并说明各符号含义
本卷实例
  • 关键一步:写梅森公式并逐项解释各符号的物理含义
  • 中间结果:总增益等于各前向通路增益乘余子式之和除以特征式
  • 卡点:余子式要去掉与前向通路接触的回路
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
  • 本卷考过第3问:写出梅森公式并说明各符号含义
  • 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
  • 本卷考过不接触回路找漏或重复计数
  • 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
本卷考法
  • 第4问:说明什么是前馈校正及其作用
  • 第5问:比较测速反馈与比例-微分两种方案的特点
本卷实例
  • 关键一步:分别从接在给定通道与扰动通道两种情况说明前馈作用
  • 中间结果:前馈可对指定通道实现误差为零,但要逐通道设计
  • 卡点:方案比较要落到阻尼来源、开环增益与噪声抑制三点
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
  • 本卷考过第4问:说明什么是前馈校正及其作用
  • 本卷考过第5问:比较测速反馈与比例-微分两种方案的特点
  • 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
  • 本卷考过前馈补偿器求出的表达式含高阶微分却直接采用
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 第5问:由(a)(b)两种结构方案分别求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按串联、并联与反馈等效分别化简两种结构方案
  • 中间结果:两种方案的闭环特征方程相同但分子不同
  • 卡点:比较动态性能前先把闭环传函统一成标准二阶形式
  • 卡点:两种结构方案以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过第5问:由(a)(b)两种结构方案分别求闭环传递函数
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 本卷考过化简内环时把外环的信号当成常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

二二、微分方程求传函与全响应#

思路
  • 由输入输出微分方程求传递函数与动态指标,再在非零初始条件下求斜坡输入的输出响应拉氏变换。
本卷考法
  • 第1问:由输入输出微分方程求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对微分方程取零初始条件拉氏变换再整理成比值
  • 中间结果:传递函数为标准二阶有理分式形式
  • 卡点:整理时先把输入项移到等号右边
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
  • 本卷考过第1问:由输入输出微分方程求传递函数
  • 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
  • 本卷考过忽略零初始条件,把初始值带进变换结果
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 第2问:求单位阶跃下的超调量与峰值时间
本卷实例
  • 关键一步:把标准二阶参数代入超调量与峰值时间公式
  • 中间结果:由微分方程系数定出阻尼比与自然频率
  • 卡点:只有典型二阶系统才能直接套用性能指标公式
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
  • 本卷考过第2问:求单位阶跃下的超调量与峰值时间
  • 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
  • 本卷考过把开环增益误当成闭环传递函数的系数
  • 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
  • 第3问:求非零初始条件下斜坡输入的输出响应拉氏变换
本卷实例
  • 关键一步:对斜坡输入取拉氏变换并代入非零初始条件
  • 中间结果:输出响应的拉氏变换含初值引入的附加项
  • 卡点:非零初值下不能只写零状态响应
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
  • 本卷考过第3问:求非零初始条件下斜坡输入的输出响应拉氏变换
  • 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
  • 本卷考过只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 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

三三、串联超前校正设计#

思路
  • 由静态速度误差系数要求反求增益,画校正前对数幅频特性,再设计串联超前校正同时满足相角裕度与幅值裕度要求。
本卷考法
  • 由静态速度误差系数要求反求校正前开环增益
本卷实例
  • 关键一步:由静态速度误差系数定义反解开环增益
  • 中间结果:校正前后稳态误差不变,故增益先定
  • 卡点:反解出增益后要回代校验系统是否稳定
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
  • 本卷考过由静态速度误差系数要求反求校正前开环增益
  • 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
  • 本卷考过把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 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
  • 画校正前系统的开环对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:按转折频率逐段画对数渐近幅频特性
  • 中间结果:由低频段高度与斜率可读出增益与型别
  • 卡点:逐段改斜率要累加而不是替换
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
  • 本卷考过画校正前系统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
  • 本卷考过低频段起始高度没有乘上型别对应的斜率
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联超前校正同时满足相角裕度与幅值裕度要求
本卷实例
  • 关键一步:由相角裕度缺口定最大超前角再求网络参数
  • 中间结果:校正后截止频率与相角裕度都提高
  • 卡点:补偿角要计入截止频率变化引起的相角损失
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
  • 本卷考过设计串联超前校正同时满足相角裕度与幅值裕度要求
  • 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
  • 本卷考过计算补偿角时忽略截止频率变化带来的附加相角损失
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 校验校正后系统的相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:分别用截止频率与相位穿越频率求两个裕度
  • 中间结果:相角裕度看截止频率处的相角补到负一百八十度的差值
  • 卡点:截止频率与相位穿越频率两个频率别用反
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
  • 本卷考过校验校正后系统的相角裕度与幅值裕度
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率混用
  • 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

四四、四重极点根轨迹与极点估算#

思路
  • 开环为四个重极点串联,第1问画根轨迹并确定不稳定增益范围,第2问由阻尼比 0.707 估算增益并求全部闭环极点。
本卷考法
  • 第1问:画出四重极点系统的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按开环零极点定实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:四个重极点使实轴上无根轨迹段,分离点方程无解
  • 卡点:重极点处的根轨迹分支数与出射角要单独分析
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
  • 本卷考过第1问:画出四重极点系统的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 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
  • 第1问:确定使闭环系统不稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:用劳斯辅助方程求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 中间结果:临界增益对应一对共轭虚根,超过即不稳定
  • 卡点:只代一个频率会漏掉另一组虚轴交点
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
  • 本卷考过第1问:确定使闭环系统不稳定的增益范围
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论,漏掉另一组交点
  • 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
  • 第2问:估算阻尼比 0.707 时的增益并求闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比作等阻尼线求与根轨迹的交点
  • 中间结果:交点回代幅值条件定出该点增益
  • 卡点:复数极点求出后还要回代得到其余闭环极点
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
  • 本卷考过第2问:估算阻尼比 0.707 时的增益并求闭环极点
  • 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
  • 本卷考过由极点位置估指标时忽略零点的作用
  • 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

五五、非最小相位系统奈氏判稳#

思路
  • 开环含一个右半平面极点与一个右半平面零点,画奈氏图判断闭环稳定性,并讨论增益减小时稳定性的变化与临界增益。
本卷考法
  • 第1问:画非最小相位系统的奈氏图
  • 第2问:分析增益减小时稳定性的变化
本卷实例
  • 关键一步:写开环频率特性并分析起点、终点与负实轴交点
  • 中间结果:非最小相位环节使相角随频率增大而反向变化
  • 卡点:由曲线与负实轴交点位置判断临界增益
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
  • 本卷考过第1问:画非最小相位系统的奈氏图
  • 本卷考过第2问:分析增益减小时稳定性的变化
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉积分环节的负九十度
  • 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
  • 第1问:由奈氏图判断闭环系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数再看曲线包围情况
  • 中间结果:按包围圈数与右半平面极点数判闭环稳定性
  • 卡点:开环含右半平面极点时不能直接套用最小相位结论
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
  • 本卷考过第1问:由奈氏图判断闭环系统稳定性
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数
  • 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

六六、离散系统稳定与稳态误差#

思路
  • 含零阶保持器的离散系统,求闭环脉冲传函,判断参数下的稳定性,求临界增益,再分别求三类输入下的稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 第1问:求系统的闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把零阶保持器与连续部分合并后取 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函整理成 z 的二次有理分式
  • 卡点:零阶保持器要一并计入开环脉冲传函
  • 卡点:离散系统结构以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过第1问:求系统的闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 本卷考过忘记把零阶保持器计入脉冲传函
  • 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
  • 第2问:判断给定参数下系统的稳定性
  • 第3问:求系统临界稳定时的增益
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程用朱利判据或 w 变换判稳
  • 中间结果:稳定条件给出增益的上界
  • 卡点:z 域稳定条件是模小于 1 而非实部小于零
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
  • 本卷考过第2问:判断给定参数下系统的稳定性
  • 本卷考过第3问:求系统临界稳定时的增益
  • 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
  • 本卷考过把稳定条件写成实部小于零而不是模小于 1
  • 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
  • 第4问:求单位阶跃、速度和加速度输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由误差脉冲传函按输入类型分别用终值定理
  • 中间结果:系统不稳定时稳态误差不存在,要先判稳
  • 卡点:不同输入类型对应不同的误差系数
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
  • 本卷考过第4问:求单位阶跃、速度和加速度输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 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、结构图稳定域与前馈补偿#

思路
  • 由系统结构图求稳定增益范围,再分别设计给定通道与扰动通道的补偿器,使各自单独作用下稳态误差为零。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 第1问:求使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由结构图求特征多项式再用劳斯判据求稳定域
  • 中间结果:闭环特征方程为 s 的二次多项式
  • 卡点:只列出部分首列不等式会漏掉约束
  • 卡点:系统结构以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过第1问:求使系统稳定的增益范围
  • 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
  • 本卷考过系数有缺项时不补零,直接套用判据
  • 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
  • 第2、3问:分别求给定与扰动单独作用下的误差传函
本卷实例
  • 关键一步:分别令参考输入与扰动单独作用求两条误差传函
  • 中间结果:误差对给定的传函含反馈通道与补偿通道
  • 卡点:求扰动误差时要把参考输入置零
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
  • 本卷考过第2、3问:分别求给定与扰动单独作用下的误差传函
  • 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
  • 本卷考过两个输入同时存在时直接叠加却未验证系统的线性性
  • 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
  • 第2、3问:设计补偿器使给定与扰动单独作用时稳态误差为零
本卷实例
  • 关键一步:按不变性原理令对应误差传函的分子为零反解补偿器
  • 中间结果:给定补偿与扰动补偿分别由两条通道传函反解
  • 卡点:补偿器要检查是否物理可实现
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
  • 本卷考过第2、3问:设计补偿器使给定与扰动单独作用时稳态误差为零
  • 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
  • 本卷考过忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
  • 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