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杭州电子科技大学 861 自动控制理论(含现控) 2021 年真题思维导图

强势双非共 11 题合计 150 分

难度:中等 卷面分选择、简答、计算三大题:选择 10 小题、简答 6 小题、计算 9 小题;覆盖基本概念、劳斯与奈氏判据、根轨迹、频域校正、采样系统数字控制器、描述函数法、能观性与状态反馈极点配置

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1~10一、单项选择题十小题(每小题3分,共30分)30 分#

思路
  • 十道小题覆盖系统线性与时变判别、开环型别与阶数、二阶峰值时间、稳态误差、根轨迹渐近线交点、超前校正最大超前角、采样系统闭环脉冲传函、系统定常性判别、状态变量非奇异变换、线性变换不变特性,按基本概念逐项判断
本卷考法
  • 由开环传递函数判断系统型别与阶数(第2小题)
本卷实例
  • 关键一步:看开环传函中积分环节个数定型别,看特征方程次数定阶数
  • 中间结果:型别由积分环节个数决定,阶数由特征多项式次数决定
  • 卡点:把开环增益大小误当成系统型别
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
  • 本卷考过由开环传递函数判断系统型别与阶数(第2小题)
  • 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
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由二阶系统传函求单位阶跃响应峰值时间(第3小题)
本卷实例
  • 关键一步:把传函化为标准二阶形式后读自然频率与阻尼比
  • 中间结果:峰值时间等于阻尼频率乘以圆周率的倒数
  • 卡点:把峰值时间与上升时间公式混用
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
  • 本卷考过由二阶系统传函求单位阶跃响应峰值时间(第3小题)
  • 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
本卷考法
  • 由开环传函与组合输入求闭环稳态误差(第4小题)
本卷实例
  • 关键一步:分别按恒值分量与斜坡分量求稳态误差再相加
  • 中间结果:Ⅰ型系统对阶跃无差、对斜坡误差由速度误差系数决定
  • 卡点:组合输入时漏掉恒值分量贡献
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
  • 本卷考过由开环传函与组合输入求闭环稳态误差(第4小题)
  • 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
本卷考法
  • 由开环传函求根轨迹渐近线与实轴交点(第5小题)
本卷实例
  • 关键一步:用极点之和减零点之和除以极零个数之差求交点
  • 中间结果:渐近线交点位于实轴上,条数由极零个数之差决定
  • 卡点:渐近线夹角公式中的二 k 加一写成二 k
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
  • 本卷考过由开环传函求根轨迹渐近线与实轴交点(第5小题)
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 求超前校正装置的最大超前相角(第6小题)
本卷实例
  • 关键一步:按最大超前角与分度系数的反正弦关系求取
  • 中间结果:分度系数大于一时表达式为反正弦与反正切两种写法
  • 卡点:把反正弦与反正切两种表达式记混
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
  • 本卷考过求超前校正装置的最大超前相角(第6小题)
  • 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
  • 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
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样系统结构图写闭环脉冲传递函数(第7小题)
本卷实例
  • 关键一步:按采样开关位置分别写前向与反馈通道脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函由前向通道除以一加开环脉冲传函
  • 卡点:把无采样开关隔开的连续环节直接相乘
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
  • 本卷考过由采样系统结构图写闭环脉冲传递函数(第7小题)
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由 RLC 电路状态变量求非奇异变换矩阵 P(第9小题,借位)
本卷实例
  • 关键一步:写出两组状态变量之间的坐标变换关系式
  • 中间结果:变换矩阵由新旧状态变量对应关系直接读出
  • 卡点:把变换矩阵与其逆矩阵用反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过由 RLC 电路状态变量求非奇异变换矩阵 P(第9小题,借位)
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断线性变换后特征值与能控能观性是否保持(第10小题)
本卷实例
  • 关键一步:看变换后系统矩阵与原矩阵是否相似
  • 中间结果:相似变换下特征值、能控性、能观性均不变
  • 卡点:误以为状态变换会改变系统能控性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过判断线性变换后特征值与能控能观性是否保持(第10小题)
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式

1~6二、简答题六小题(每小题5分,共30分)30 分#

思路
  • 六道小题覆盖劳斯判据判稳与右半平面极点数、由脉冲响应求传函、惯性环节频率特性与奈氏图、校正装置伯德图、离散特征方程判稳、状态能控性矩阵,按定义计算
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据判断稳定性并求右半平面极点数目(第1小题)
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并观察首列符号变化次数
  • 中间结果:首列符号变化次数等于右半平面根的个数
  • 卡点:系数缺项时不补零就列劳斯表
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断稳定性并求右半平面极点数目(第1小题)
  • 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
本卷考法
  • 由单位脉冲响应求系统传递函数(第2小题)
本卷实例
  • 关键一步:对脉冲响应各项分别取拉氏变换再通分
  • 中间结果:脉冲响应的拉氏变换就是系统传递函数
  • 卡点:把脉冲响应与阶跃响应的关系用反
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
  • 本卷考过由单位脉冲响应求系统传递函数(第2小题)
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 写惯性环节的幅频与相频表达式并绘奈奎斯特图(第3小题)
本卷实例
  • 关键一步:把频率特性分解为幅值与相角两个表达式
  • 中间结果:幅值随频率单调下降,相角由零趋于负九十度
  • 卡点:把惯性环节相角范围写成零到正九十度
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
  • 本卷考过写惯性环节的幅频与相频表达式并绘奈奎斯特图(第3小题)
  • 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
  • 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
  • 画校正装置的对数幅频特性(第4小题)
本卷实例
  • 关键一步:由分子分母时间常数定两个转折频率
  • 中间结果:幅频渐近线由低频水平段与负二十斜率段组成
  • 卡点:把转角频率处的斜率变化量记错
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
  • 本卷考过画校正装置的对数幅频特性(第4小题)
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由离散系统闭环特征方程判断 K 等于 5 时稳定性(第5小题)
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程系数代入后求根或作双线性变换
  • 中间结果:特征根模均小于一时系统稳定
  • 卡点:把离散稳定条件写成实部小于零
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
  • 本卷考过由离散系统闭环特征方程判断 K 等于 5 时稳定性(第5小题)
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 求状态方程的能控性矩阵 Qc(第6小题)
本卷实例
  • 关键一步:由输入矩阵与系统矩阵依次构造各列
  • 中间结果:能控性矩阵由 B、AB、A 平方 B 按列拼接
  • 卡点:只算到 A 的零次幂乘 B 就下结论
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过求状态方程的能控性矩阵 Qc(第6小题)
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式

三1三、计算题第1题:梅森公式求传递函数10 分#

思路
  • 由系统结构图改画信号流图,数出全部单独回路写特征式,再找前向通路及其余子式,用梅森公式求输出对输入的传递函数
本卷考法
  • 用信号流图与梅森公式求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先找全部回路写特征式,再列前向通路及其余子式
  • 中间结果:传函等于前向通路增益乘余子式之和除以特征式
  • 卡点:信号流图以图给出,回路与前向通路需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用信号流图与梅森公式求系统传递函数
  • 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

三2三、计算题第2题:由T(s+1)的n次方求稳定K范围10 分#

思路
  • 对 n 等于一、二、三三种情况分别写闭环特征方程,用劳斯判据求使系统稳定的开环增益范围
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 对 n 等于一二三三种情况分别用劳斯判据判稳(第1、2、3问)
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征方程后列劳斯表,令首列全部为正
  • 中间结果:n 为一与二时稳定对增益的要求不同
  • 卡点:n 大于二时未注意需补零项再列劳斯表
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
  • 本卷考过对 n 等于一二三三种情况分别用劳斯判据判稳(第1、2、3问)
  • 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
  • 求使系统稳定的开环增益取值范围
本卷实例
  • 关键一步:把劳斯判据得到的各不等式联立取交集
  • 中间结果:稳定域由关于增益的若干不等式共同限定
  • 卡点:只取其中一个不等式,漏掉其余约束
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
  • 本卷考过求使系统稳定的开环增益取值范围
  • 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

三3三、计算题第3题:根轨迹绘制与稳定K范围10 分#

思路
  • 由开环传函画根轨迹,求渐近线、实轴上的根轨迹段与虚轴交点,再由虚轴交点对应临界增益确定系统稳定的增益范围
本卷考法
  • 由开环传函按法则绘制根轨迹草图(渐近线与实轴段)
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴根轨迹段,再由极零个数差求渐近线
  • 中间结果:渐近线条数与夹角由极零个数之差确定
  • 卡点:实轴段判据右侧零极点个数算错
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
  • 本卷考过由开环传函按法则绘制根轨迹草图(渐近线与实轴段)
  • 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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令特征方程中 s 等于 jω 并分实部虚部为零求解
  • 中间结果:交点频率与临界增益成对给出
  • 卡点:只代一个频率值就下结论,漏掉另一组交点
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 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
  • 由根轨迹确定使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由根轨迹落在左半平面部分对应的增益区间取值
  • 中间结果:稳定增益范围由临界增益限定
  • 卡点:把根轨迹增益与开环增益混为一谈
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使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

三4三、计算题第4题:奈氏图绘制与判稳10 分#

思路
  • 由开环传函写幅频与相频表达式,按步骤绘奈奎斯特图,再由曲线对临界点的包围与开环右半平面极点数用奈氏判据判稳
本卷考法
  • 写开环幅频与相频表达式并按步骤绘制奈奎斯特图(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:求起点终点幅值与相角,再判断是否穿越负实轴
  • 中间结果:起点相角由积分环节个数决定,终点幅值趋于零
  • 卡点:未说明起点终点与走向就下结论
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
  • 本卷考过写开环幅频与相频表达式并按步骤绘制奈奎斯特图(第1问)
  • 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
  • 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
  • 用奈氏判据判断系统稳定性(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:数开环右半平面极点数,再数曲线对负一临界点的包围
  • 中间结果:包围情况与右半平面极点数满足关系时闭环稳定
  • 卡点:开环含积分环节时未补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过用奈氏判据判断系统稳定性(第2问)
  • 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
  • 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

三5三、计算题第5题:由Bode图判校正类型10 分#

思路
  • 由固有部分与串联校正装置的对数幅频渐近曲线写出校正后开环传函表达式,再按高低频段幅值关系判断校正类型
本卷考法
  • 由对数幅频渐近曲线写出校正后开环传函(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:按各段斜率变化识别环节,由转折频率定时间常数
  • 中间结果:低频段高度与斜率确定型别与增益
  • 卡点:转折频率与各段高度以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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曲线写出校正后开环传函(第1问)
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正装置幅频特性判断是否为超前校正(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:比较校正装置高频与低频段幅值的大小
  • 中间结果:高频幅值抬高对应超前校正
  • 卡点:只看某一频率处的幅值就下结论
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
  • 本卷考过由校正装置幅频特性判断是否为超前校正(第2问)
  • 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
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正装置幅频特性判断是否为滞后校正(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:比较校正装置低频与高频段幅值的大小
  • 中间结果:低频幅值抬高对应滞后校正
  • 卡点:把滞后网络两个转折频率的顺序写反
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
  • 本卷考过由校正装置幅频特性判断是否为滞后校正(第2问)
  • 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

三6三、计算题第6题:数字控制器设计10 分#

思路
  • 由连续对象与零阶保持器求广义对象脉冲传函,再由给定的闭环脉冲传函按数字控制器公式反求控制器 D(z)
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的广义对象脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把连续对象部分分式展开后查 z 变换表,再乘保持器因子
  • 中间结果:广义对象脉冲传函分母为 z 减一与 z 减指数衰减因子
  • 卡点:漏乘零阶保持器的一减 z 的负一次幂
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
  • 本卷考过求含零阶保持器的广义对象脉冲传递函数
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由给定闭环脉冲传函反求数字控制器 D(z)
本卷实例
  • 关键一步:按数字控制器等于闭环脉冲传函除以广义对象与偏差传函之积
  • 中间结果:控制器表达式由给定闭环传函与广义对象之比得到
  • 卡点:忽略数字控制器必须物理可实现这一约束
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最少拍系统指在典型输入下经过有限拍达到无稳态误差
  • 设计需要满足可实现性与稳定性约束
  • 最少拍系统的闭环脉冲传递函数由输入类型确定
  • 最少拍设计通常导致很大的控制量,需加限制
步骤
  • 确定输入类型及对应的误差传函形式
  • 按无稳态误差要求构造闭环脉冲传递函数
  • 由 D(z)=Φ(z)/[G(z)(1-Φ(z))] 求数字控制器
  • 检验可实现性、稳定性与控制量大小
通用考法
  • 本卷考过由给定闭环脉冲传函反求数字控制器 D(z)
  • 设计最少拍数字控制器
  • 比较不同输入类型下的最少拍数
  • 分析最少拍系统存在的问题
常见易错
  • 忽略 D(z) 必须是物理可实现的因果系统
  • 闭环传函构造时未满足稳定性约束条件
公式

三7三、计算题第7题:描述函数法判稳10 分#

思路
  • 由给定非线性环节描述函数写负倒描述函数,再与线性部分的幅相曲线画在同一复平面,由曲线关系判断系统稳定性
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定非线性环节描述函数写负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义求非线性环节的基波等效表达式
  • 中间结果:负倒描述函数由描述函数的负倒数表示
  • 卡点:把负倒描述函数与描述函数本身混用
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
  • 本卷考过由给定非线性环节描述函数写负倒描述函数
  • 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
  • 用描述函数法分析系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把负倒描述函数与线性部分幅相曲线画在同一复平面比较
  • 中间结果:两曲线不相交则系统稳定,相交则可能有自持振荡
  • 卡点:未标注幅值增大的方向就判断稳定性
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分析系统稳定性
  • 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

三8三、计算题第8题:系统能观性分析10 分#

思路
  • 由给定系统框图写状态空间表达式,构造能观性矩阵并判断其秩,从而分析系统的能观性
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统框图分析系统的状态能观性
本卷实例
  • 关键一步:由状态方程求能观性矩阵并判断其秩
  • 中间结果:能观性矩阵由 C、CA、CA 平方按行拼接
  • 卡点:把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过由系统框图分析系统的状态能观性
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式

三9三、计算题第9题:状态反馈极点配置10 分#

思路
  • 由超调量与峰值时间指标确定阻尼比与自然频率,取一组期望闭环极点,再由期望特征多项式与闭环特征多项式系数比较求状态反馈阵
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由超调量与峰值时间指标反求阻尼比与自然频率(第1问)
本卷实例
  • 关键一步:把两项指标联立求阻尼比与自然频率的可取值
  • 中间结果:由指标得出一组满足要求的阻尼比与自然频率
  • 卡点:只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
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
  • 本卷考过由超调量与峰值时间指标反求阻尼比与自然频率(第1问)
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 由期望闭环极点求状态反馈增益阵(第2问)
本卷实例
  • 关键一步:写出期望特征多项式,再与含反馈阵的闭环特征式比较系数
  • 中间结果:由系数对应关系解出状态反馈增益阵
  • 卡点:未验证能控性就直接做极点配置
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态反馈 u=-Kx+v 可任意配置闭环极点,前提是系统完全能控
  • 状态反馈不改变系统的零点
  • 极点配置通过比较期望与实际的闭环特征多项式求解 K
  • 状态反馈可能改变能观性
步骤
  • 先验证系统能控
  • 写出希望配置的极点并求期望特征多项式
  • 求闭环系统特征多项式 det(sI-A+BK)
  • 比较系数解出反馈增益阵 K
通用考法
  • 本卷考过由期望闭环极点求状态反馈增益阵(第2问)
  • 设计状态反馈使闭环极点位于指定位置
  • 判断给定极点是否可通过状态反馈配置
  • 分析状态反馈对系统性能的影响
常见易错
  • 未验证能控性就直接做极点配置
  • 特征多项式比较系数时符号写反
公式