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哈尔滨理工大学 810 自动控制原理 2025 年真题思维导图

强势双非共 8 题

难度:中等 全卷 8 题、满分 150 分,卷面未逐题标分值。第 1 题结构图化简求传函,第 2 题劳斯判据判等幅振荡,第 3 题一阶系统斜坡误差与二阶动态指标,第 4 题以 a 为参变量的参数根轨迹与稳定域,第 5 题由对数幅频渐近线反求传函并算剪切频率,第 6 题描述函数法判非线性稳定性,第 7 题串联滞后-超前校正选型与相位裕度,第 8 题采样系统脉冲传函与零阶保持器。含图题较多,第 1、5、6、7、8 题题面含原卷插图。

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1一、方框图变换求传递函数(图 1)#

思路
  • 对多回路结构图按最内层回路逐层化简;含交叉比较点或引出点时先做等效移动,最终化为单回路求得 C(s)/R(s)。
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递函数
本卷实例
  • 关键一步:从最内层回路入手,先求内环等效环节再参与外层化简
  • 中间结果:内环等效后化为单回路,分子分母由各支路增益组合
  • 卡点:回路层数与交叉点位于原卷插图,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
  • 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
  • 移动交叉比较点或引出点以消除交叉连接
本卷实例
  • 关键一步:按前移用除、后移用乘的规则移动点,保持变量关系不变
  • 中间结果:移动后各支路关系与原图等价,再套串并联反馈等效
  • 卡点:原图未读,哪些点需要移动需回原卷核对图
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
  • 本卷考过移动交叉比较点或引出点以消除交叉连接
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 用串并联与反馈等效公式化简无交叉回路
本卷实例
  • 关键一步:对已消除交叉的局部回路套用 G/(1+GH) 等效
  • 中间结果:各等效环节相乘相加后代入整个系统的闭环表达式
  • 卡点:反馈极性判断错会把分母写成 1-GH,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 串联环节相乘,并联环节相加(同向)或相减(反向)
  • 负反馈等效为 G/(1+GH),正反馈为 G/(1-GH)
  • 反馈等效的前提是单回路、无交叉
步骤
  • 识别环节之间的连接方式
  • 分别套用串联、并联或反馈等效公式
  • 逐层化简直到只剩一个等效环节
通用考法
  • 本卷考过用串并联与反馈等效公式化简无交叉回路
  • 多环节系统求闭环传递函数
  • 判断反馈极性对分母符号的影响
常见易错
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式

2二、劳斯判据判等幅振荡#

思路
  • 对四阶闭环特征方程列劳斯表,令 s¹ 行元素为零得临界增益,再由辅助方程求虚轴交点得振荡频率。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据确定等幅振荡的临界增益
本卷实例
  • 关键一步:把特征式按降幂排列逐行列劳斯表,注意含 K 的行
  • 中间结果:s¹ 行元素含 K 的一次式,令其为零即临界条件
  • 卡点:系数缺项要补零,含 K 的行不能直接约去
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确定等幅振荡的临界增益
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由辅助方程求临界时的振荡频率
本卷实例
  • 关键一步:临界时改用辅助方程,解出一对纯虚根得角频率
  • 中间结果:辅助方程只保留临界行的元素,对应虚轴上的根
  • 卡点:端点对应临界稳定,继续列劳斯表会出现零首列
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳定条件是一组关于参数的不等式
  • 区间端点通常对应临界稳定,即根落在虚轴上
  • 稳定域是不等式组的交集
步骤
  • 由劳斯表首列各元素大于零列出不等式组
  • 逐个解不等式并取交集
  • 检查端点是否为临界稳定
通用考法
  • 本卷考过由辅助方程求临界时的振荡频率
  • 求使系统稳定的参数上界或下界
  • 判断某参数取值是否满足稳定要求
  • 比较不同参数对稳定域大小的影响
常见易错
  • 只列出部分首列元素的不等式,漏掉某个约束
  • 取交集时把端点是否包含搞错
公式

3三、单位负反馈系统稳态误差与动态性能#

思路
  • 先写闭环与误差传函并判稳,斜坡输入用终值定理求稳态误差;再把闭环化为标准二阶形式,由阻尼比与自然频率求超调量和 5% 调节时间。
本卷考法
  • 求一型系统斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环误差传函,确认闭环稳定后用终值定理
  • 中间结果:误差传函分子含 s 的一次项,斜坡误差为增益倒数形式
  • 卡点:未先判定 T1、K1 为正就使用终值定理
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
  • 本卷考过求一型系统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
  • 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
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
  • 把闭环传函化为标准二阶形式求阻尼与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:闭环分母首项归一化后与标准式逐项比对系数
  • 中间结果:由一次项系数与常数项分别解出阻尼比与自然频率
  • 卡点:首项系数 T1 未归一化会使参数比对出错
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
  • 本卷考过把闭环传函化为标准二阶形式求阻尼与自然频率
  • 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
  • 由阻尼与自然频率求超调量和 5% 调节时间
本卷实例
  • 关键一步:分别代入超调量与调节时间公式,误差带取 5%
  • 中间结果:超调量只与阻尼比有关,调节时间与衰减系数成反比
  • 卡点:5% 与 2% 误差带的调节时间系数不同,题给 5%
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
  • 本卷考过由阻尼与自然频率求超调量和 5% 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
  • 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

4四、以 a 为参变量的参数根轨迹与稳定域#

思路
  • 把含参数 a 的特征方程整理成 1 加 a 乘等效开环传函的形式,按常规法则画参数根轨迹,依次求极点、渐近线、分离点、出射角与虚轴交点,再由虚轴交点定稳定范围。
本卷考法
  • 把含参数 a 的特征方程化为等效开环传函
本卷实例
  • 关键一步:把含参数 a 的项单独留出,其余部分作为等效开环传函
  • 中间结果:等效开环有三个极点、无零点,可套常规根轨迹法则
  • 卡点:参数 a 的系数 2 要一并提出,不能漏掉
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
  • 本卷考过把含参数 a 的特征方程化为等效开环传函
  • 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
  • 按法则定实轴段、渐近线交点与夹角
本卷实例
  • 关键一步:由三个开环极点位置定实轴根轨迹段与三条渐近线
  • 中间结果:渐近线交点为极点实部均值,夹角按奇数等分
  • 卡点:实轴段按右侧零极点总数为奇数判断,易漏复极点贡献
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
  • 本卷考过按法则定实轴段、渐近线交点与夹角
  • 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
  • 求参数根轨迹的分离点并筛选
本卷实例
  • 关键一步:用分离点方程列出关于 d 的一元二次方程并求解
  • 中间结果:两个根中只有一个落在实轴根轨迹段上
  • 卡点:不在根轨迹段上的根要舍去
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
  • 本卷考过求参数根轨迹的分离点并筛选
  • 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
出射角与入射角 根轨迹法
本卷考法
  • 求共轭复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:对复数极点列相角条件,代入其余零极点的相角贡献
  • 中间结果:两个共轭极点的出射角互为相反数
  • 卡点:累加相角时不能把该极点自身算进去
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 出射角是根轨迹离开开环极点的方向
  • 入射角是根轨迹进入开环零点的方向
  • 计算时需代入相角条件并逐项累加各零极点贡献的相角
  • 共轭复数极点的出射角互为相反数
步骤
  • 取待求极点(或零点)为参考点
  • 写出相角条件并代入该点
  • 把其余零极点的相角移到等式右边累加
  • 求反正切得到出射角或入射角
通用考法
  • 本卷考过求共轭复数极点的出射角
  • 求复数极点的出射角
  • 根据出射角画出根轨迹起始方向
  • 由入射角确定根轨迹终止方向
常见易错
  • 累加相角时把该极点自身的相角也算进去
  • 忘记判断象限导致角度差 180°
公式
本卷考法
  • 由虚轴交点求参数临界值并定稳定域
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 代入特征方程,实部与虚部分别为零
  • 中间结果:除 ω 为零外还有一对纯虚根,对应参数上界
  • 卡点:稳定域由劳斯表首列不等式组取交集,勿只取单条
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
  • 本卷考过由虚轴交点求参数临界值并定稳定域
  • 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

5五、由 Bode 渐近线反求传函与剪切频率(图 2)#

思路
  • 由低频段斜率定型别、由延长线交点定增益,逐段读转折频率写 G(s);再在对应频段用幅值为一求剪切频率并逐点叠加画相频曲线,最后把幅频整体上移 10dB 重求剪切频率。
本卷考法
  • 由对数幅频渐近线反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先读低频段斜率定型别,再由延长线与零分贝交点定增益
  • 中间结果:每个斜率变化对应一个积分、惯性或一阶微分环节
  • 卡点:转折频率与增益读数位于原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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渐近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
  • 由转折频率逐段算幅值并绘制相频曲线
本卷实例
  • 关键一步:按转折频率从小到大逐段改变渐近线斜率
  • 中间结果:相频曲线由各典型环节相角代数相加得到
  • 卡点:剪切频率落在哪一段要先判断,再选对应近似式
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
  • 本卷考过由转折频率逐段算幅值并绘制相频曲线
  • 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
本卷考法
  • 识别积分、惯性与一阶微分等典型环节
本卷实例
  • 关键一步:按各段斜率变化的正负判断对应环节类型
  • 中间结果:惯性环节使斜率下降,一阶微分环节使斜率上升
  • 卡点:斜率变化为 -40 也可能是振荡环节,需结合图示核对
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
  • 本卷考过识别积分、惯性与一阶微分等典型环节
  • 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
  • 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

6六、描述函数法判非线性系统稳定性(图 3)#

思路
  • 先写非线性环节的负倒描述函数并定其随 A 的变化方向,再由线性部分频率特性求相位穿越点与负实轴交点,最后比较两曲线位置判断稳定性。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出负倒描述函数并定其随 A 的变化方向
本卷实例
  • 关键一步:把给定描述函数取负倒数,分析 A 趋零与趋无穷的极限
  • 中间结果:负倒描述函数轨迹沿负实轴从负无穷收缩到原点
  • 卡点:画的是负倒描述函数而不是描述函数本身,方向不能反
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
  • 本卷考过写出负倒描述函数并定其随 A 的变化方向
  • 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
  • 由两曲线交点位置判断系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求线性部分与负实轴交点,再比较其与负倒轨迹的位置
  • 中间结果:线性部分相位为负一百八十度时的幅值给出交点横坐标
  • 卡点:线性部分位于原卷插图,增益与极点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由两曲线交点位置判断系统稳定性
  • 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
  • 根据曲线穿越方向说明稳定性结论
本卷实例
  • 关键一步:看负倒描述函数是否从稳定区穿入不稳定区
  • 中间结果:两曲线相交且走向指向不稳定区时系统不稳定
  • 卡点:交点存在只说明可能有自振,还要看走向定稳定性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过根据曲线穿越方向说明稳定性结论
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振

7七、串联滞后-超前校正选型与相位裕度(图 4)#

思路
  • 从幅频图设出校正前后传函,用同一频率处两条幅频相等定校正装置增益比,写出校正装置后由零极点分布判断校正类型;开环增益等于一时求幅值穿越频率,再代相频曲线求相位裕度。
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正前后幅频特性比求校正装置并判类型
本卷实例
  • 关键一步:设出校正前后传函,两者相除消去公共增益得校正装置
  • 中间结果:校正装置同时含滞后与超前环节,故为滞后-超前校正
  • 卡点:交点频率与转折频率位于原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 兼顾稳态精度与动态性能,适合指标要求较高的场合
  • 低频段用滞后部分提高增益,中高频段用超前部分提高裕度
  • 设计时先确定超前部分,再确定滞后部分
步骤
  • 按稳态精度要求确定开环增益
  • 选择新的截止频率并计算超前部分参数
  • 计算为把低频增益抬到要求值所需的滞后部分参数
  • 合并写出校正装置并校验
通用考法
  • 本卷考过由校正前后幅频特性比求校正装置并判类型
  • 设计滞后-超前校正装置
  • 说明为何单一校正无法满足指标
  • 分析校正后系统的低频与高频特性
常见易错
  • 先设计滞后部分导致截止频率反复调整
  • 两部分的转折频率分布重叠,互相削弱
公式
本卷考法
  • 说明串联校正改善稳态与动态性能的着眼点
本卷实例
  • 关键一步:从稳态精度与相角裕度两方面说明校正目的
  • 中间结果:滞后部分抬高低频增益,超前部分补中高频相角
  • 卡点:不能只盯相角裕度而忽略低频增益要求
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
  • 本卷考过说明串联校正改善稳态与动态性能的着眼点
  • 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
本卷考法
  • 由期望特性与校正前特性相减求校正装置
本卷实例
  • 关键一步:在同一频率处令校正前后幅频相等,用近似求增益比
  • 中间结果:相减所得校正装置的低频分子为中高频时间常数组合
  • 卡点:近似计算后要核对所得频率是否落在假设频段
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
  • 本卷考过由期望特性与校正前特性相减求校正装置
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由幅值穿越频率求校正后相位裕度
本卷实例
  • 关键一步:先由幅值为一求剪切频率,再代入相频求相位裕度
  • 中间结果:相位裕度为一百八十度加该频率处的相角
  • 卡点:剪切频率试算时要判断落在哪个时间常数频段
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
  • 本卷考过由幅值穿越频率求校正后相位裕度
  • 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

8八、采样系统脉冲传函与零阶保持器(图 5)#

思路
  • 对含零阶保持器的采样系统把连续部分整体做 z 变换求开环脉冲传函,再按单位负反馈公式写闭环脉冲传函;说明保持器作用后,去掉保持器重新对连续部分做 z 变换。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含零阶保持器的结构图求开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把保持器与连续部分合并做 z 变换,再用反馈公式
  • 中间结果:开环脉冲传函分母含 z-1 与 z-e^{-2T} 两个因子
  • 卡点:采样开关位置决定脉冲传函写法,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
  • 本卷考过由含零阶保持器的结构图求开环与闭环脉冲传函
  • 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
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 说明零阶保持器在离散化中的作用
本卷实例
  • 关键一步:把保持器写成 (1-e^{-Ts})/s 与连续部分乘积再取 z 变换
  • 中间结果:因子 1-z^{-1} 与连续部分的 z 变换相乘
  • 卡点:去掉保持器后不能再乘 1-z^{-1} 因子
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散化状态方程由状态转移矩阵在采样周期处的取值构成
  • 输入矩阵是状态转移矩阵与输入矩阵乘积在采样周期上的积分
  • 带零阶保持器时即按上述积分式离散化,输出矩阵不变
步骤
  • 求连续系统的状态转移矩阵
  • 把采样周期代入得到离散状态矩阵
  • 对输入矩阵做积分得到离散输入矩阵
  • 写出差分形式的离散状态方程并按递推求采样点上的响应
通用考法
  • 本卷考过说明零阶保持器在离散化中的作用
  • 求连续系统在给定采样周期下的离散化状态方程
  • 由给出的状态响应反求系统矩阵再离散化
  • 计算采样点上的状态与输出序列
常见易错
  • 把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
  • 积分上限写成采样周期以外的量,或忘记乘输入矩阵
公式
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用部分分式与常用 z 变换对求脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把 1/[s²(s+2)] 展开为部分分式再逐项查表
  • 中间结果:各部分分式分别对应 1/s²、1/s 与 1/(s+2)
  • 卡点:e^{-aT} 中的 T 不能漏掉,部分分式分解不可漏项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过用部分分式与常用 z 变换对求脉冲传函
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式
本卷考法
  • 说明零阶保持器的作用与相位滞后
本卷实例
  • 关键一步:从连续信号恢复与频率特性两方面说明保持器作用
  • 中间结果:零阶保持器把每个采样值保持一个采样周期后输出
  • 卡点:保持器带来半个采样周期的延迟,答题时要提到
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
  • 本卷考过说明零阶保持器的作用与相位滞后
  • 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