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哈尔滨理工大学 810 自动控制原理 2020 年真题思维导图

强势双非共 8 题合计 150 分

难度:中等 全卷 8 题。第 1 题方框图化简求闭环传函,第 2 题由动态指标反求二阶系统参数,第 3 题劳斯判据判稳,第 4 题绘根轨迹并求稳定 K 范围,第 5 题由幅频曲线反求传函并分析增益影响,第 6 题设计串联迟后校正装置,第 7 题用描述函数法分析死区继电器系统的自振,第 8 题求离散系统闭环脉冲传函与稳定 K 范围。第 1、2、4、5、6、7、8 题题面含原卷插图。

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1一、方框图化简求闭环传递函数(图)20 分#

思路
  • 先做比较点与引出点的等效移动消除交叉,再按梅森增益公式一次列全独立回路与前向通路,写出闭环传递函数。
本卷考法
  • 用梅森增益公式由信号流图求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先数清全部独立回路并写出回路增益之和
  • 中间结果:特征式另含两两不接触回路增益之积
  • 卡点:第(2)问图与本卷不一致时须按原图重数回路
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
  • 本卷考过用梅森增益公式由信号流图求闭环传函
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路结构图逐层化简求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先合并内层局部回路再逐层向外等效
  • 中间结果:逐层等效后化为单回路再套反馈公式
  • 卡点:回路层数与连接关系在原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过多回路结构图逐层化简求闭环传函
  • 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
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
比较点与引出点的移动 结构图与方框图
本卷考法
  • 移动比较点或引出点消除交叉连接
本卷实例
  • 关键一步:比较点跨越方框移动时在相应支路补偿
  • 中间结果:移动前后系统输入输出关系保持不变
  • 卡点:移动方向与乘除关系取反会导致多出支路
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 移动的判据:移动前后各支路变量关系必须保持不变
  • 比较点前移要除以所跨环节,后移要乘以所跨环节
  • 引出点前移要乘以所跨环节,后移要除以所跨环节
步骤
  • 确定要移动的点和跨越的环节
  • 按“前移用除、后移用乘”的规则补上等效环节
  • 检查移动后与原结构是否等价
通用考法
  • 本卷考过移动比较点或引出点消除交叉连接
  • 化简含交叉比较点或引出点的结构图
  • 判断某次移动是否正确
常见易错
  • 移动方向与乘除关系搞反
  • 引出点与比较点的移动规则混用

2二、二阶系统动态指标与参数(图)20 分#

思路
  • 由给定的超调量与调节时间两个指标,先用超调量公式单独解出阻尼比,再由调节时间公式解出自然频率,最后回代标准二阶闭环传函核对参数。
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
  • 由闭环传函标准式确定阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:先判断为欠阻尼再套标准二阶形式对照系数
  • 中间结果:闭环分母一次项含阻尼比与自然频率之积
  • 卡点:反馈通道有参数时对照系数易漏项
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
  • 本卷考过由闭环传函标准式确定阻尼比与自然频率
  • 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
  • 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
  • 由超调量与调节时间解出二阶动态参数
本卷实例
  • 关键一步:超调量式只含阻尼比故可先解出它
  • 中间结果:再按所给误差带取调节时间系数解自然频率
  • 卡点:所给调节时间对应的误差带须回原卷核对
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
  • 本卷考过由超调量与调节时间解出二阶动态参数
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由动态指标反求系统参数并核对可实现性
本卷实例
  • 关键一步:两指标给两方程联立解出阻尼比与自然频率
  • 中间结果:把解出的参数回代闭环分母核对量级是否合理
  • 卡点:第(2)问文字 OCR 残缺,所求须回原卷核对
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
  • 本卷考过由动态指标反求系统参数并核对可实现性
  • 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

3三、劳斯判据判稳10 分#

思路
  • 把四阶特征方程按降幂列劳斯表,逐行计算首列各元素并检查是否变号,出现符号变化即判不稳定并指出右半平面根数。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判别高阶系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:按降幂补全系数后逐行列劳斯表
  • 中间结果:首列元素出现变号即说明存在右半平面根
  • 卡点:首列某行算出负值后仍继续套用会判错结论
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
  • 本卷考过用劳斯判据判别高阶系统稳定性
  • 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
  • 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

4四、根轨迹绘制与稳定K范围(图)20 分#

思路
  • 由三个开环极点定实轴段与渐近线,求分离点,再令 s 等于 jω 求虚轴交点与临界增益,稳定范围由闭环极点全在左半平面对应的那一段给出。
本卷考法
  • 按法则定根轨迹起点、实轴段与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:由三个开环极点定三条分支的起点
  • 中间结果:渐近线交点为极点平均值、夹角按分支数分配
  • 卡点:实轴段判据的右侧零极点个数易数错
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
  • 本卷考过按法则定根轨迹起点、实轴段与渐近线
  • 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
  • 求分离点坐标并筛去不在轨迹上的根
本卷实例
  • 关键一步:列分离点方程解出实根再按轨迹段取舍
  • 中间结果:三极点系统的分离点方程为一元二次式
  • 卡点:解得的根不在轨迹段上时必须舍去
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
  • 本卷考过求分离点坐标并筛去不在轨迹上的根
  • 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 s 等于 jω 代入特征方程分离实虚部
  • 中间结果:实部为零给出交点频率,虚部为零给出临界增益
  • 卡点:只代一个频率会漏掉另一组纯虚根
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
本卷考法
  • 由根轨迹确定系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:取使闭环极点全位于左半平面的增益区间
  • 中间结果:稳定区间由零到临界增益之间构成
  • 卡点:端点是否包含要按开环极点数与虚轴关系判断
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
  • 本卷考过由根轨迹确定系统稳定的增益范围
  • 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

5五、由幅频曲线反求传函并分析增益影响(图)20 分#

思路
  • 由低频段斜率与起始高度定型别和增益、由各转折频率定环节,写出开环传函;再分析增大增益对稳定裕度与稳态精度造成的相反影响。
本卷考法
  • 由对数幅频曲线反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:低频段高度与斜率共同定型别与增益
  • 中间结果:按转折频率逐段还原惯性或一阶微分环节
  • 卡点:曲线刻度读数与原图相关,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曲线反求开环传递函数
  • 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
本卷考法
  • 由对数渐近线确定型别与开环增益
本卷实例
  • 关键一步:把低频段延长线与零分贝线的交点归到增益
  • 中间结果:先定型别再逐段核对各频率处幅值
  • 卡点:把延长线交点直接当增益而未折算型别
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
  • 本卷考过由对数渐近线确定型别与开环增益
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 分析增益变化对稳定裕度的影响
本卷实例
  • 关键一步:增益增大使幅频曲线上移、剪切频率右移
  • 中间结果:相角裕度随剪切频率右移而下降
  • 卡点:只看幅值变化而不看对应相角会误判裕度趋势
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
  • 本卷考过分析增益变化对稳定裕度的影响
  • 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
本卷考法
  • 分析提高增益对精度与稳定的双重作用
本卷实例
  • 关键一步:增益提高使稳态误差减小但裕度变差
  • 中间结果:精度与稳定性的矛盾是讨论增益影响的落点
  • 卡点:只答精度改善而不提稳定性风险
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过分析提高增益对精度与稳定的双重作用
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式

6六、串联迟后校正装置设计(图)20 分#

思路
  • 由开环增益要求定增益,作未校正系统对数幅频特性求剪切频率与相角裕度,按所缺裕度确定迟后网络的衰减比与转折频率,再校验校正后相角裕度。
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联迟后校正装置使其满足相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:按所需相角裕度在低频段选定新的剪切频率
  • 中间结果:由该频率处未校正幅值确定迟后网络衰减比
  • 卡点:迟后网络转折频率取高会吃掉相角裕度
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
  • 本卷考过设计串联迟后校正装置使其满足相角裕度
  • 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
本卷考法
  • 由未校正系统缺陷判断校正方式
本卷实例
  • 关键一步:口算未校正相角裕度为负说明需迟后校正
  • 中间结果:迟后校正在牺牲带宽的前提下抬高相角裕度
  • 卡点:把迟后校正误当作能提高剪切频率的手段
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过由未校正系统缺陷判断校正方式
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由幅频渐近线求剪切频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由幅值等于一求原系统剪切频率
  • 中间结果:再代入相角式求相角裕度判断是否达标
  • 卡点:两个穿越频率易用反,幅值裕度要取倒数
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
  • 本卷考过由幅频渐近线求剪切频率与相角裕度
  • 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
  • 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
  • 由开环增益要求确定待校正增益
本卷实例
  • 关键一步:按要求开环增益直接定出增益系数
  • 中间结果:增益定后未校正系统的幅频特性随之确定
  • 卡点:迟后网络低频衰减会影响总开环增益
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
  • 本卷考过由开环增益要求确定待校正增益
  • 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
  • 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

7七、死区继电器描述函数法判自振(图)20 分#

思路
  • 由给出的描述函数写负倒描述函数并求其极值点,画线性部分的幅相曲线,由两曲线相交条件列方程求自振频率与振幅,再讨论参数满足什么关系才会自振。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定表达式分析死区继电特性描述函数
本卷实例
  • 关键一步:先写负倒描述函数再分析其随振幅的变化规律
  • 中间结果:负倒描述函数存在一个极值点,决定自振能否存在
  • 卡点:描述函数只与振幅有关,勿当成频率的函数
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
  • 本卷考过由给定表达式分析死区继电特性描述函数
  • 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
  • 用描述函数法求自振频率与振幅并判稳定
本卷实例
  • 关键一步:令线性部分幅相曲线与负倒曲线相交列方程
  • 中间结果:相交条件给参数关系,交点为自振工作点
  • 卡点:未分析振幅增大方向就无法判断自振是否稳定
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
  • 本卷考过用描述函数法求自振频率与振幅并判稳定
  • 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
  • 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
  • 讨论非线性参数对自振的影响
本卷实例
  • 关键一步:由两曲线是否有交点讨论参数取值范围
  • 中间结果:参数关系不满足时负倒曲线与幅相曲线不相交
  • 卡点:曲线走向与原图相关,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
  • 本卷考过讨论非线性参数对自振的影响
  • 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

8八、离散系统闭环脉冲传函与稳定K范围(图)20 分#

思路
  • 对含零阶保持器的连续部分求开环脉冲传函,写出闭环特征多项式,用朱利判据列稳定条件,解出使系统稳定的增益范围。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由零阶保持器与连续部分求闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把保持器与连续部分合并后整体求 z 变换
  • 中间结果:闭环脉冲传函由开环除以一加开环得到
  • 卡点:无采样开关隔开的环节不能分段相乘
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
  • 本卷考过由零阶保持器与连续部分求闭环脉冲传函
  • 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
  • 求使离散系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征多项式按朱利判据列全部约束
  • 中间结果:各约束取交集即为稳定增益区间
  • 卡点:稳定条件是模小于一,勿套连续域的实部判据
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
  • 本卷考过求使离散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