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上海交通大学 816 自动控制原理 2021 年真题思维导图

985 院校共 12 题合计 150 分

难度:中等 填空 10 小空 + 双选 5 小题 + 计算 5 题 + 综合 5 题,覆盖基本概念、梅森公式、稳态误差、二阶响应、非线性、参数根轨迹、频率法与状态空间

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一(1~10)一、填空:基本概念与性质25 分#

思路
  • 10 个小空各考一条基本结论,横跨定义、判据、根轨迹、描述函数、校正网络与频率特性
本卷考法
  • 自动控制的定义与实现方式
本卷实例
  • 关键一步:答出在没有人直接参与下按预定规律运行
  • 中间结果:靠控制装置使被控对象保持一定状态与性能
  • 卡点:填空限定语是无人直接参与,别漏
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
  • 本卷考过自动控制的定义与实现方式
  • 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
  • 本卷考过把被控量与操纵量搞反
  • 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
  • 传递函数只与系统本身的结构与参数有关
本卷实例
  • 关键一步:由定义判断传递函数与哪些因素有关
  • 中间结果:只与内部结构参数有关,与输入量无关
  • 卡点:外部因素指输入量与初始条件等
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
  • 本卷考过传递函数只与系统本身的结构与参数有关
  • 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这一前提
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 稳定性定义与劳斯表等比例变换性质
本卷实例
  • 关键一步:扰动消失后系统能回复到原平衡状态则稳定
  • 中间结果:劳斯表某行同乘或同除正数不影响判稳
  • 卡点:乘除的必须是正实数,负数会改变符号
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
  • 本卷考过稳定性定义与劳斯表等比例变换性质
  • 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
  • 本卷考过把恢复原平衡状态写成任意状态
  • 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
  • 根轨迹利用开环传递函数零极点分布作图
本卷实例
  • 关键一步:由根轨迹法的作图依据确定填空内容
  • 中间结果:依据是开环传递函数的零极点分布
  • 卡点:根轨迹图上读的是闭环极点位置
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
  • 本卷考过根轨迹利用开环传递函数零极点分布作图
  • 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
  • 本卷考过把开环零极点与闭环极点混为一谈
  • 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
  • 实轴根轨迹右侧开环实零极点个数和的奇偶
本卷实例
  • 关键一步:数实轴段右侧实开环零极点的总个数
  • 中间结果:一百八十度根轨迹取奇数,零度根轨迹取偶数
  • 卡点:只数实轴上的零极点,复数对不计入
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
  • 本卷考过实轴根轨迹右侧开环实零极点个数和的奇偶
  • 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
  • 本卷考过零极点个数算错导致奇偶判反
  • 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
  • 增加开环极点为何使根轨迹向右半平面弯曲
本卷实例
  • 关键一步:比较增加零点与增加极点对渐近线与分离点的影响
  • 中间结果:增加开环极点使根轨迹向右侧移动
  • 卡点:题问的是使根轨迹右弯,应填开环极点
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
  • 本卷考过增加开环极点为何使根轨迹向右半平面弯曲
  • 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
  • 本卷考过把附加零点与附加极点的影响搞反
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 描述函数的定义
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数法的谐波线性化定义作答
  • 中间结果:是非线性部件输出的一次谐波分量与正弦输入之比
  • 卡点:只取一次谐波分量,不是输出全量
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
  • 本卷考过描述函数的定义
  • 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
  • 本卷考过把描述函数写成输出全量与输入之比
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 超前校正网络最大相位超前量处的频率
本卷实例
  • 关键一步:由超前网络相频特性求导取极大值
  • 中间结果:最大超前角频率是两转折频率的几何平均
  • 卡点:公式里是根号下 a 乘 T,别漏根号
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
  • 本卷考过超前校正网络最大相位超前量处的频率
  • 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
  • 本卷考过把最大超前角频率与转折频率混用
  • 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
  • 幅频特性的定义
本卷实例
  • 关键一步:按频率特性定义判断填空内容
  • 中间结果:是正弦输入下输出与输入的幅值之比
  • 卡点:幅频看幅值之比,相频才看相位之差
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
  • 本卷考过幅频特性的定义
  • 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
  • 本卷考过把幅频特性与相频特性混为一谈
  • 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

二(1~5)二、双选:概念辨析20 分#

思路
  • 5 题双选,考控制方式分类、稳定充要条件、阻尼比与各项指标的关系以及增益对波德图的影响
本卷考法
  • 按输入量变化规律分为恒值、随动与程序控制
本卷实例
  • 关键一步:按输入量是否恒定或是否跟随变化区分控制方式
  • 中间结果:恒值、随动与程序控制三类均属按输入分类
  • 卡点:连续、离散、时变是按结构或参数分类
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
  • 本卷考过按输入量变化规律分为恒值、随动与程序控制
  • 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
  • 本卷考过把连续与离散等结构分类混入按输入分类
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 线性系统稳定的充要条件
本卷实例
  • 关键一步:由稳定性定义写出特征根应满足的条件
  • 中间结果:所有特征根实部小于零即位于开左半平面
  • 卡点:是实部小于零,不是根都落在实轴上
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
  • 本卷考过线性系统稳定的充要条件
  • 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
  • 本卷考过把闭左半平面与开左半平面混淆
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 阻尼比越小超调量越大
  • 调整时间反映系统快速性
本卷实例
  • 关键一步:由二阶动态指标随阻尼比的变化趋势判断
  • 中间结果:阻尼比减小则超调量增大、振荡加剧
  • 卡点:稳定性由实部决定,超调量才看阻尼比
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
  • 本卷考过阻尼比越小超调量越大
  • 本卷考过调整时间反映系统快速性
  • 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
  • 本卷考过把阻尼比越小误判为稳定性越好
  • 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
  • 阻尼比越小闭环谐振峰值越大
本卷实例
  • 关键一步:由谐振峰值与阻尼比的单调关系判断
  • 中间结果:阻尼比越小谐振峰值越高
  • 卡点:谐振峰值增大不等于稳定性变好
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
  • 本卷考过阻尼比越小闭环谐振峰值越大
  • 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
  • 本卷考过把开环谐振与闭环谐振混为一谈
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 阻尼比越小相位裕量越小
  • 剪切频率反映系统快速性
本卷实例
  • 关键一步:由相位裕量与阻尼比的对应关系判断趋势
  • 中间结果:阻尼比越小相位裕量也越小
  • 卡点:剪切频率大对应响应快,但抗噪能力下降
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
  • 本卷考过阻尼比越小相位裕量越小
  • 本卷考过剪切频率反映系统快速性
  • 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
  • 本卷考过把相位裕量越大说成稳定程度越差
  • 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
  • 增设比例环节只使幅频平移、相频不变
本卷实例
  • 关键一步:由比例环节的频域表达式判断对幅频与相频的影响
  • 中间结果:增益变化使对数幅频曲线上下平移
  • 卡点:比例环节相角恒为零,相频曲线不动
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
  • 本卷考过增设比例环节只使幅频平移、相频不变
  • 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
  • 本卷考过认为改变增益会改变相频特性形状
  • 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

三1三1、液位控制系统工作原理8 分#

思路
  • 按偏差的反馈控制说明液位系统如何测量、比较并调节进水阀门开度
本卷考法
  • 说明液位控制系统如何按偏差实现恒值控制
本卷实例
  • 关键一步:按给定值、被控量、执行器与偏差信号梳理控制过程
  • 中间结果:浮球测液位并与期望值比较,据此调阀门开度
  • 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
  • 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
  • 本卷考过说明液位控制系统如何按偏差实现恒值控制
  • 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
  • 本卷考过只描述现象而不指认被控量与操纵量
  • 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

三2三2、两两互不接触回路增益8 分#

思路
  • 从信号流图列全部回路,找出互不接触的回路对并写出其增益乘积
本卷考法
  • 从信号流图找出两两互不接触回路的增益乘积
本卷实例
  • 关键一步:先列全部独立回路,再两两检查是否接触
  • 中间结果:互不接触回路对的增益相乘后进特征式
  • 卡点:信号流图以图给出,回路清单需回原卷核对图
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
  • 本卷考过从信号流图找出两两互不接触回路的增益乘积
  • 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

三3三3、斜坡输入下的稳态误差8 分#

思路
  • 先判型别与稳定性,再由静态误差系数判断单位斜坡输入下的稳态误差
本卷考法
  • 判断系统型别并求静态速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:看开环传函是否含积分环节以确定系统型别
  • 中间结果:无积分环节时按定义判断速度误差系数
  • 卡点:题面传函逐年文本 OCR 缺项,需回原卷核对
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
  • 本卷考过判断系统型别并求静态速度误差系数
  • 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
  • 本卷考过把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 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
  • 求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由系统型别判断斜坡输入下误差是否发散
  • 中间结果:型别不足时斜坡误差不能用有限值表示
  • 卡点:先判稳再谈稳态误差,并核对输入是斜坡
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
  • 本卷考过求单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 本卷考过未判稳就使用终值定理
  • 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

三4三4、由阶跃响应求峰值时间8 分#

思路
  • 把给定的二阶阶跃响应表达式与欠阻尼标准形式对比,读出振荡角频率后求峰值时间
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
  • 由阶跃响应表达式读出阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把响应表达式与二阶欠阻尼标准响应逐项对比
  • 中间结果:指数衰减系数与振荡角频率分别对应 ξωn 与 ωd
  • 卡点:系数逐年与宝典印法不一致,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由阶跃响应表达式读出阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 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
  • 由阻尼振荡频率求峰值时间
本卷实例
  • 关键一步:读出衰减振荡的角频率再代入峰值时间公式
  • 中间结果:峰值时间等于 π 除以阻尼振荡角频率
  • 卡点:稳态值及其振幅不影响峰值时间
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
  • 本卷考过由阻尼振荡频率求峰值时间
  • 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
  • 本卷考过把峰值时间与上升时间混用
  • 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

三5三5、描述函数法判 A、B 点稳定性8 分#

思路
  • 在幅相平面上看负倒描述函数曲线穿越 Nyquist 曲线的方向,判断 A、B 两点周期运动的稳定性
本卷考法
  • 由 Nyquist 曲线与负倒描述函数交点判断自振稳定
本卷实例
  • 关键一步:沿 A 增大方向看负倒描述函数曲线穿过 Nyquist 曲线的方向
  • 中间结果:由穿越方向区分不稳定极限环与稳定自振
  • 卡点:两曲线以图给出,交点与方向需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由 Nyquist 曲线与负倒描述函数交点判断自振稳定
  • 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
  • 本卷考过未标注 A 增大方向就判断稳定性
  • 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

四1四1、以 a 为参变量的根轨迹10 分#

思路
  • 把闭环特征方程整理成以 a 为等效增益的形式,写出等效开环传函再按法则画根轨迹
本卷考法
  • 求以 a 为参变量的等效开环传函并画参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成 1 加 a 乘等效开环传函等于零
  • 中间结果:参数 a 与等效根轨迹增益成正比
  • 卡点:等效开环传函的分母为原开环去掉 a 后的部分
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
  • 本卷考过求以 a 为参变量的等效开环传函并画参数根轨迹
  • 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
  • 本卷考过整理时没有把参数完整提到分子位置
  • 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
  • 画参数根轨迹并定分离点与虚轴交点
本卷实例
  • 关键一步:由等效开环极点定实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:三个极点含一对重极点,分离点由重根条件求
  • 卡点:重极点处根轨迹分叉,需单独处理
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
  • 本卷考过画参数根轨迹并定分离点与虚轴交点
  • 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
  • 本卷考过渐近线夹角公式中的二 k 加一写成二 k
  • 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

四2四2、由相角裕度反求 τ10 分#

思路
  • 写出截止频率处的相角裕度表达式并令其等于给定值,再联立幅值条件解出时间常数
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相位裕量等于给定值反求微分时间常数
本卷实例
  • 关键一步:写出相角裕度表达式并令其等于给定值
  • 中间结果:再结合该频率处幅值条件联立求解
  • 卡点:开环含两个积分环节,起始相角为负一百八十度
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
  • 本卷考过由相位裕量等于给定值反求微分时间常数
  • 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用反
  • 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

四3四3、串联超前校正设计15 分#

思路
  • 先由速度误差系数定开环增益,再按裕度差求最大超前角与网络参数,最后校验校正后裕度
本卷考法
  • 由稳态速度误差系数要求确定开环增益
本卷实例
  • 关键一步:由速度误差系数要求反推开环增益下限
  • 中间结果:增益取满足误差要求的下限值
  • 卡点:增益还要满足稳定与裕度要求
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
  • 本卷考过由稳态速度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
  • 本卷考过数错积分环节个数导致型别判错
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按给定非标准形式超前网络设计校正装置
本卷实例
  • 关键一步:先由速度误差系数定增益,再由裕度差求超前角
  • 中间结果:由幅值条件定校正后截止频率再反求网络参数
  • 卡点:题给校正传函是非标准形式,不能直接套公式
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
  • 本卷考过按给定非标准形式超前网络设计校正装置
  • 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
  • 本卷考过计算补偿角时忽略截止频率提高带来的相角损失
  • 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

四4四4、相平面法分析误差方程15 分#

思路
  • 由结构图列误差微分方程,令导数为零求奇点,再按特征根类型画相平面图
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 由误差微分方程画相轨迹并判断奇点类型
本卷实例
  • 关键一步:由结构图列误差微分方程,令导数为零求奇点
  • 中间结果:按特征根为两负实根或共轭复根分情况判断
  • 卡点:题图给出系统结构,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由误差微分方程画相轨迹并判断奇点类型
  • 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
  • 本卷考过相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 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

四5四5、状态转移矩阵与状态方程解15 分#

思路
  • 由 sI 减 A 求逆并取拉氏反变换得到状态转移矩阵,再用卷积积分求非齐次状态方程的解
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态转移矩阵并计算非齐次状态方程的解
本卷实例
  • 关键一步:由 sI 减 A 求逆再取拉氏反变换得状态转移矩阵
  • 中间结果:非齐次解等于零输入项加卷积积分项
  • 卡点:卷积积分的上下限与输入形式要对应
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
  • 本卷考过求状态转移矩阵并计算非齐次状态方程的解
  • 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
  • 本卷考过矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 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