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重庆邮电大学 805 自动控制原理 2023 年真题思维导图

强势双非共 8 题合计 150 分

难度:中等偏难 10个填空小空加7道分析计算题:覆盖双摆建模、跟踪与抗扰补偿、梅逊公式、根轨迹与广义根轨迹、相角裕度极值、正弦稳态反求二阶系统、两级超前校正

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一(1~10)一、填空题:线性性质、等幅振荡、相轨迹、正弦稳态、误差传函、误差定义、静态系数、稳定裕度、幅相曲线、非线性40 分#

思路
  • 10个独立小空覆盖线性系统性质、由等幅振荡反求参数、相轨迹方程、正弦输入求参数、扰动误差传函、偏差与误差定义、静态误差系数、稳定裕度反求K、一阶系统幅相曲线、非线性稳定性影响因素
本卷考法
  • 说明线性系统的两层含义
本卷实例
  • 关键一步:按线性系统定义拆出两条性质
  • 中间结果:即可叠加性与齐次性
  • 卡点:线性性质是传递函数成立的前提
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
  • 本卷考过说明线性系统的两层含义
  • 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
  • 本卷考过把叠加性与齐次性混为一谈
  • 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
  • 由系统以 ω=2 持续振荡反求 K 与 b
本卷实例
  • 关键一步:把 s=j2 代入特征方程令实虚部为零
  • 中间结果:由实虚部两式联立解 K、b
  • 卡点:等幅振荡对应劳斯表首列出现零
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
  • 本卷考过由系统以 ω=2 持续振荡反求 K 与 b
  • 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
  • 本卷考过系数缺项时不补零直接套判据
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 写出 T>0 与 T<0 时二阶方程的相轨迹方程
本卷实例
  • 关键一步:由 Tx''+x'=0 消去时间得 dẋ/dx
  • 中间结果:积分得两条斜率相反的直线族
  • 卡点:相轨迹与根轨迹要区分
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 T>0 与 T<0 时二阶方程的相轨迹方程
  • 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
本卷考法
  • 由正弦输入与稳态输出反求一阶系统参数 K、T
本卷实例
  • 关键一步:由输出幅值为1、相移为-90°列两个方程
  • 中间结果:联立解出 K 与 T
  • 卡点:输入角频率为10 rad/s须代入
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
  • 本卷考过由正弦输入与稳态输出反求一阶系统参数 K、T
  • 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
  • 本卷考过只比较幅值而漏掉相角条件
  • 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
本卷考法
  • 说明一阶系统幅相曲线的圆心与半径
本卷实例
  • 关键一步:把 G(jω) 化为实部虚部的圆方程
  • 中间结果:把幅相特性化成圆方程后可直接读圆心与半径
  • 卡点:ω 从0到∞走半圆方向要判清
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
  • 本卷考过说明一阶系统幅相曲线的圆心与半径
  • 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
  • 本卷考过把圆心误取在原点
  • 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
本卷考法
  • 求扰动单独作用下的误差传递函数与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:令 R=0,由结构图求 N 到 E 的传函
  • 中间结果:E(s)/N(s) 为有理分式
  • 卡点:用终值定理前须先判稳
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
  • 本卷考过求扰动单独作用下的误差传递函数与稳态误差
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 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
  • 说明偏差信号与误差信号的定义
本卷实例
  • 关键一步:按输入端与输出端两种定义区分
  • 中间结果:偏差为输入与反馈之差,误差为期望与实际的差
  • 卡点:非单位反馈时两者差一个H(s)
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
  • 本卷考过说明偏差信号与误差信号的定义
  • 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
  • 本卷考过把两种误差定义混用
  • 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
  • 求单位负反馈系统的静态位置与速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:先判断系统型别为1型
  • 中间结果:由 Kp、Kv 的极限定义分别求
  • 卡点:型别决定阶跃误差是否为零
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
  • 本卷考过求单位负反馈系统的静态位置与速度误差系数
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求满足给定幅值裕度与相角裕度的开环增益 K
本卷实例
  • 关键一步:幅值裕度20dB对应 1/|G(ωg)|=10
  • 中间结果:相角裕度60°对应 ∠G(ωc)=-120°
  • 卡点:分别反解两种指标下的K
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
  • 本卷考过求满足给定幅值裕度与相角裕度的开环增益 K
  • 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 ωc 与 ωg 两个频率用反
  • 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
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 说明非线性系统稳定性还与哪些因素有关
本卷实例
  • 关键一步:区分线性与非线性系统稳定性判据
  • 中间结果:非线性稳定性还与初始条件、输入信号有关
  • 卡点:不能仅由结构参数判定
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
  • 本卷考过说明非线性系统稳定性还与哪些因素有关
  • 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
  • 本卷考过套用线性系统稳定性的结论
  • 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

二1二、1 双摆系统的动力学建模与传递函数15 分#

思路
  • 对左右两摆分别列转动方程,把弹簧在摆杆中点处的作用力投影到切向,在小角线性化下整理成两式并求 Θ1(s)/F(s)
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 对双摆系统分别列写转动运动方程
本卷实例
  • 关键一步:先写弹簧变形 Δx=l/2·sinθ1-l/2·sinθ2
  • 中间结果:分别对两摆列合外力矩方程
  • 卡点:两摆方程含相互耦合项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 依据牛顿第二定律或达朗贝尔原理列方程
  • 三种基本元件:质量 m、粘性阻尼 f、弹簧 k
  • 同一方向取正,反向取负,逐项列出合力
步骤
  • 选定正方向并作受力分析
  • 分别写出质量、阻尼、弹簧对应的力
  • 按 F=ma 列写运动方程
  • 取拉氏变换整理成传递函数
通用考法
  • 本卷考过对双摆系统分别列写转动运动方程
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 两质量块经弹簧阻尼连接的系统建模
常见易错
  • 本卷考过漏掉弹簧中点位移的正负号与力臂
  • 阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
公式
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 在摆角很小时把方程线性化
本卷实例
  • 关键一步:取 sinθ≈θ、cosθ≈1 并略去高阶小量
  • 中间结果:消去高阶项后得到两摆角的耦合二阶方程
  • 卡点:近似前提是摆角位移很小
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过在摆角很小时把方程线性化
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 本卷考过未说明小角近似就直接删掉非线性项
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
本卷考法
  • 由线性化方程求传递函数 Θ1(s)/F(s)
本卷实例
  • 关键一步:对两式取拉氏变换并联立消去 Θ2
  • 中间结果:联立消去 Θ2 后整理成 Θ1/F 的有理分式
  • 卡点:结构图以图2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
  • 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
  • 本卷考过由线性化方程求传递函数 Θ1(s)/F(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
  • 本卷考过拉氏变换时漏掉初始条件为零的前提
  • 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

二2二、2 使跟踪误差为零且不受扰动影响的校正装置设计15 分#

思路
  • 用叠加定理分别求输入单独与扰动单独作用下的传函,令跟踪误差为零、N到C传函为零,反解 G1(s)、G2(s)
本卷考法
  • 设计补偿装置使输出跟踪阶跃指令误差为零
本卷实例
  • 关键一步:令输入单独作用下的误差传函分子为零
  • 中间结果:由不变性条件反解 G1(s)
  • 卡点:校验所得装置物理可实现
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
  • 本卷考过设计补偿装置使输出跟踪阶跃指令误差为零
  • 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
  • 本卷考过求出的补偿器含高阶微分不可实现仍硬用
  • 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
本卷考法
  • 求扰动作用下系统输出与误差的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:令 R=0 由梅森公式写 N 到 C/E 的传函
  • 中间结果:要求 N 到 C 的传函恒为零
  • 卡点:由不变性条件反解校正装置,注意其可实现性
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
  • 本卷考过求扰动作用下系统输出与误差的传递函数
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 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
  • 用叠加定理分离输入与扰动两条通道
本卷实例
  • 关键一步:系统为线性,可分别令另一输入为零
  • 中间结果:两通道传函分别求解再叠加
  • 卡点:结构图以图3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
  • 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
  • 本卷考过用叠加定理分离输入与扰动两条通道
  • 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未验证线性
  • 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

二3二、3 用梅逊公式求系统传递函数15 分#

思路
  • 由结构图找全部前向通路与三个回路,判断回路是否接触,写出特征式与前向通路余子式并求 C(s)/R(s)
本卷考法
  • 由结构图用梅逊增益公式求 C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先标出全部前向通路 P1~P4
  • 中间结果:再由三个回路写 Δ=1+2G1+G1G2
  • 卡点:注意余子式只剔除与前向通路接触的回路,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
  • 本卷考过由结构图用梅逊增益公式求 C(s)/R(s)
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 逐层化简多回路结构图并核对梅逊结果
本卷实例
  • 关键一步:由内到外逐层合并反馈回路
  • 中间结果:可先求内环等效传函再作并联合并
  • 卡点:交叉耦合回路不能直接串并联
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
  • 本卷考过逐层化简多回路结构图并核对梅逊结果
  • 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信号当常数
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

二4二、4 根轨迹与广义根轨迹及闭环极点相同条件15 分#

思路
  • 分别把两系统特征方程整理成常规与参数根轨迹形式,画 (a)(b) 的根轨迹,再由两闭环特征多项式相同求 K、P
本卷考法
  • 绘制 (a) 系统 K 从0到∞的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由 Φ=K/(s²+Ks+K) 写等效开环 1+K(s+1)/s²=0
  • 中间结果:标出开环极点与零点并按法则画图
  • 卡点:注意实轴段与渐近线,需回原卷核对图
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 (a) 系统 K 从0到∞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
  • 绘制 (b) 系统以 P 为参数的广义根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由 D(s)=s(s+P)+4 写 1+P·s/(s²+4)=0
  • 中间结果:参数 P 已提到分子位置
  • 卡点:零度与180°相角条件要区分
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
  • 本卷考过绘制 (b) 系统以 P 为参数的广义根轨迹
  • 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地提到分子
  • 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
  • 由两系统闭环极点相同反求参数 K 与 P
本卷实例
  • 关键一步:两系统均为二阶,比较特征多项式系数
  • 中间结果:由 s²+Ks+K 与 s²+Ps+4 对应相等
  • 卡点:两系统都是二阶,须比较完整特征多项式系数
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
  • 本卷考过由两系统闭环极点相同反求参数 K 与 P
  • 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
  • 本卷考过只比较首项系数而忽略整体多项式
  • 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

二5二、5 相角裕度最大值与对应开环增益15 分#

思路
  • 写出相角裕度关于 ω 的表达式,对 ω 求极值得到最大相角裕度的条件,再由幅值条件 |G|=1 求对应的 K
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求相角裕度最大值及对应的 K
本卷实例
  • 关键一步:写 γ=arctanT1ω+arctanT2ω
  • 中间结果:令 dγ/dω=0 得 ω²T1T2=1
  • 卡点:开环为2型系统,最大相角裕度与转折频率有关
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
  • 本卷考过求相角裕度最大值及对应的 K
  • 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 ωc 与 ωg 两个频率用反
  • 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
本卷考法
  • 由幅值条件确定最大相角裕度对应的增益 K
本卷实例
  • 关键一步:把 ω=1/√(T1T2) 代入 |G(jω)|=1
  • 中间结果:由幅值条件解出 K 的表达式
  • 卡点:型别为2型,低频斜率为-40dB/dec
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
  • 本卷考过由幅值条件确定最大相角裕度对应的增益 K
  • 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的 -20v dB/dec
  • 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

二6二、6 由正弦稳态响应反求二阶系统与性能指标15 分#

思路
  • 设闭环为典型二阶形式,由给定正弦输入的幅值比与相移列方程组解出参数,再求超调量、调节时间、截止频率与相角裕度
本卷考法
  • 由正弦稳态响应的幅值与相移反求闭环参数
本卷实例
  • 关键一步:先由 f=5/π 求 ω=2πf=10 rad/s
  • 中间结果:由 |Φ(j10)|=2、∠Φ(j10)=-90°列式
  • 卡点:两个方程须联立,幅值与相角要同时满足
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
  • 本卷考过由正弦稳态响应的幅值与相移反求闭环参数
  • 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
  • 本卷考过频率与角频率的换算写错
  • 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
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
  • 写出闭环传递函数并判断系统型别
本卷实例
  • 关键一步:由求得的 ωn、ξ 写标准二阶闭环传函
  • 中间结果:确认是I型典型欠阻尼二阶系统
  • 卡点:开环与闭环参数关系要对应
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
  • 本卷考过写出闭环传递函数并判断系统型别
  • 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
  • 本卷考过把开环型别与闭环阶数混为一谈
  • 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
  • 写出超调量表达式并求调节时间
本卷实例
  • 关键一步:按二阶欠阻尼超调量与 ξ 的关系式写出
  • 中间结果:按5%误差带对应的调节时间公式代入 ξ、ωn
  • 卡点:欠阻尼下超调量随阻尼比减小而增大
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
  • 本卷考过写出超调量表达式并求调节时间
  • 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
  • 本卷考过超调量公式中漏乘100%
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求系统的截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由开环 |G(jω)|=1 求 ωc
  • 中间结果:按 γ=180°+∠G(ωc) 求相角裕度
  • 卡点:开环传函需与闭环参数对应换算
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
  • 本卷考过求系统的截止频率与相角裕度
  • 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
  • 本卷考过把开环增益误当成闭环参数
  • 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

二7二、7 两级超前网络串联校正与伯德图绘制20 分#

思路
  • 先判未校正系统稳定性并求相角裕度,再证明两级超前网络在保持 Ka=10 的条件下达到35°相角裕度,最后画校正前后伯德图
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 判断未校正系统稳定性并求相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由特征多项式缺项直接判不稳定
  • 中间结果:由 |G|=1 求得未校正系统的截止频率
  • 卡点:相角裕度为负说明未校正系统闭环不稳定
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
  • 本卷考过判断未校正系统稳定性并求相角裕度
  • 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
  • 本卷考过特征多项式缺项仍按常规判稳
  • 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
  • 设计两级超前网络使相角裕度达到35°
本卷实例
  • 关键一步:由 r=1/a·(aTs+1)/(Ts+1) 写单级超前传函
  • 中间结果:两级串联使最大超前角加倍
  • 卡点:由校正后 γ=35°与 Ka=10 联立求 a、T
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
  • 本卷考过设计两级超前网络使相角裕度达到35°
  • 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
本卷考法
  • 用期望特性法核验校正装置并写其传函
本卷实例
  • 关键一步:按期望中频段宽度反推各转折频率
  • 中间结果:由 R1、R2、C 参数写出校正装置传函
  • 卡点:校正装置闭环增益为1可保证 Ka 不变
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 期望特性法直接按指标画出希望的开环对数幅频特性
  • 用期望特性减去未校正特性得到校正装置特性
  • 关键是确定低频段高度、中频段宽度与高频段斜率
  • 中频段斜率一般取 -20 dB/dec 并保持足够宽度
步骤
  • 按稳态要求确定低频段斜率与高度
  • 按相角裕度要求确定中频段宽度与截止频率
  • 按抗噪要求确定高频段斜率
  • 相减求得校正装置并检验可实现性
通用考法
  • 本卷考过用期望特性法核验校正装置并写其传函
  • 用期望特性法设计校正装置
  • 说明中频段宽度与相角裕度的关系
  • 由校正装置特性反写传递函数
常见易错
  • 本卷考过期望特性的中频段取窄导致裕度不足
  • 期望特性的中频段取窄导致裕度不足
  • 相减后得到的特性不可物理实现却未检查
公式
本卷考法
  • 绘制校正前后的对数幅频与相频特性
本卷实例
  • 关键一步:校正前低频段过(1,20dB),斜率-40dB/dec
  • 中间结果:校正后叠加两对转折频率
  • 卡点:Bode图以图6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
  • 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对数幅频与相频特性
  • 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
  • 本卷考过逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 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