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南京工业大学 821 自动控制原理 2017 年真题思维导图

强势双非共 6 题合计 150 分

难度:中等偏上 一、填空题10空(每空3分共30分)考基本概念;二至六为五道大题,覆盖多输入结构图求传函、二阶系统指标与谐振、根轨迹与稳态误差、期望特性法串联校正、描述函数法自振分析

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1~10填空题(共10空)30 分#

思路
  • 十空覆盖控制方式分类、由微分方程定阶、非线性判别、惯性时间常数与快速性、附加闭环零点对超调量的影响、由误差响应求闭环传函、积分控制作用、奈氏判据求闭环右极点数、中频段斜率、超前校正装置最大超前角
本卷考法
  • 判断雷达跟踪系统所属的控制系统类别
本卷实例
  • 关键一步:按给定值的变化规律区分控制系统类别
  • 中间结果:给定值随目标变化且未知,属随动系统
  • 卡点:题干只给一个应用场景,须据特征归类
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
  • 本卷考过判断雷达跟踪系统所属的控制系统类别
  • 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
  • 本卷考过把随动系统与恒值或程序控制系统混为一谈
  • 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
  • 由一阶微分方程判断系统阶数
本卷实例
  • 关键一步:把微分方程写成传递函数看分母最高次
  • 中间结果:分母最高次为一,故为一阶系统
  • 卡点:方程中时间常数与增益符号易混
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
  • 本卷考过由一阶微分方程判断系统阶数
  • 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
  • 本卷考过把方程右边输入系数当成阶数
  • 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
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 由微分方程含非线性运算判断系统类别
本卷实例
  • 关键一步:检查方程中是否存在变量乘积等非线性项
  • 中间结果:输入与其导数的乘积出现即为非线性系统
  • 卡点:逐年该方程后项OCR连写,已据同年宝典段校正
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
  • 本卷考过由微分方程含非线性运算判断系统类别
  • 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
  • 本卷考过只看方程阶数而忽略非线性项
  • 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
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由惯性时间常数大小判断系统快速性
本卷实例
  • 关键一步:由一阶系统调节时间与时间常数成正比判断
  • 中间结果:时间常数越大调节时间越长、快速性越差
  • 卡点:题干给出差与好两个相反选项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过由惯性时间常数大小判断系统快速性
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 本卷考过把时间常数越大快速性越好记反
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式
高阶系统的降阶与主导极点 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 判断二阶系统串入闭环零点后超调量的变化
本卷实例
  • 关键一步:由附加零点提升响应初始斜率理解其影响
  • 中间结果:串入闭环零点使超调量变大
  • 卡点:零点作用与附加极点作用方向相反,勿混
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离虚轴最近的极点起主导作用,其余极点对应快速衰减分量
  • 闭环零点会增大超调、缩短峰值时间
  • 极点实部相差 5 倍以上时可按主导极点降阶
步骤
  • 求出全部闭环极点并按距虚轴远近排序
  • 用主导极点对近似为二阶系统
  • 用零点修正式修正超调量与峰值时间
通用考法
  • 本卷考过判断二阶系统串入闭环零点后超调量的变化
  • 把高阶系统近似为二阶系统并估算性能指标
  • 判断附加闭环零点对超调量的影响
  • 说明某极点能否忽略的理由
常见易错
  • 本卷考过忽略附加零点对超调量的放大作用
  • 忽略零点对超调量的放大作用
  • 只看极点距离而不管该极点的留数大小
公式
本卷考法
  • 由误差响应反求单位反馈系统闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先由误差响应求误差传函再利用其与闭环传函关系
  • 中间结果:单位负反馈下闭环传函等于一减误差传函
  • 卡点:误差响应含两个指数项,需先合并再变换
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
  • 本卷考过由误差响应反求单位反馈系统闭环传函
  • 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
  • 本卷考过把误差传函与闭环传函混为一谈
  • 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
  • 指出积分控制作用的最大优点
本卷实例
  • 关键一步:从积分项对误差随时间累积的作用理解
  • 中间结果:积分控制可减少或消除稳态误差
  • 卡点:积分作用会降低稳定性,本题只问优点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过指出积分控制作用的最大优点
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 本卷考过把积分作用与微分作用的功能说反
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由Nyquist曲线与开环右极点数求闭环右极点个数
本卷实例
  • 关键一步:按闭环右极点数等于P减二倍净穿越次数代入
  • 中间结果:正穿越与负穿越按穿越方向分别取正负号
  • 卡点:曲线与实轴只相交未穿过时净穿越记半次
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
  • 本卷考过由Nyquist曲线与开环右极点数求闭环右极点个数
  • 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
  • 本卷考过把包围圈数的正负号定义搞反
  • 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
本卷考法
  • 指出系统设计中频段幅频特性宜取的斜率
本卷实例
  • 关键一步:由中频段以负二十穿越零分贝可获较大相角裕度
  • 中间结果:中频段幅频斜率宜设计成负二十
  • 卡点:题干只留一个斜率填空,注意单位分贝每十倍频
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
  • 本卷考过指出系统设计中频段幅频特性宜取的斜率
  • 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
  • 本卷考过把中频段斜率与高频段斜率记混
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由超前校正装置传函求最大相位超前角
本卷实例
  • 关键一步:把装置化为标准超前形式读出分度系数
  • 中间结果:最大超前角由分度系数按反正弦公式求得
  • 卡点:须先把分子分母一次项系数写成同一时间常数形式
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
  • 本卷考过由超前校正装置传函求最大相位超前角
  • 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分子分母一次项系数之比
  • 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

二多输入结构图求给定与扰动传函16 分#

思路
  • 先用梅森公式由同一特征式分别求给定输入与扰动输入到输出的前向通道,再由结构图逐层化简作互校,注意扰动传函须把参考输入置零
本卷考法
  • 由结构图用梅森公式求给定输入到输出的传函
本卷实例
  • 关键一步:分别列写从给定输入到输出的前向通道与余子式
  • 中间结果:特征式由两条互不接触回路之外的部分组成
  • 卡点:第二题结构图接线为原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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森公式求给定输入到输出的传函
  • 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
  • 本卷考过余子式中未剔除与前向通路接触的回路
  • 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
本卷考法
  • 求扰动作用下的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,仅保留扰动到输出的通道
  • 中间结果:扰动传函与给定传函共用同一特征多项式
  • 卡点:两输入同时存在时须分别置零后叠加
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
  • 本卷考过求扰动作用下的闭环传函
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 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

三二阶系统指标与谐振23 分#

思路
  • 由阶跃响应曲线读超调量与峰值时间反求阻尼比与自然频率,再回代求系统参数,进而求谐振峰值与谐振频率,讨论参数增大对动态指标的影响并给出改善稳定性又不改变稳态误差的措施
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由单位阶跃响应指标反求二阶系统参数
本卷实例
  • 关键一步:先由超调量反求阻尼比再由峰值时间求自然频率
  • 中间结果:阻尼比与自然频率确定后回代求开环参数
  • 卡点:阶跃响应曲线为原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过由单位阶跃响应指标反求二阶系统参数
  • 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
  • 本卷考过由响应曲线读错超调量或峰值时间
  • 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
本卷考法
  • 求二阶系统谐振峰值与谐振频率
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比校核谐振是否成立
  • 中间结果:谐振频率与谐振峰值由阻尼比和自然频率确定
  • 卡点:谐振峰值可同时写成倍数与分贝两种形式
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
  • 本卷考过求二阶系统谐振峰值与谐振频率
  • 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
  • 本卷考过当阻尼比大于零点七零七时仍套谐振峰值公式
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 讨论参数增加时峰值时间与超调量的变化
本卷实例
  • 关键一步:把峰值时间与超调量都写成该参数的函数
  • 中间结果:另一参数不变而该参数增大时阻尼比减小
  • 卡点:两指标一个减小一个增加,须分别说明
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
  • 本卷考过讨论参数增加时峰值时间与超调量的变化
  • 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
  • 本卷考过把自然频率与阻尼比的变化方向弄反
  • 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
  • 提出提高稳定性且不改变稳态误差的措施
本卷实例
  • 关键一步:引入开环零点或采用比例微分控制
  • 中间结果:增加零点可提高相角裕度而不改变系统型别
  • 卡点:逐年试题段缺第三问,已据同年宝典段补出
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过提出提高稳定性且不改变稳态误差的措施
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 本卷考过靠增大增益提高精度反而降低稳定性
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式

四根轨迹与稳态误差约束35 分#

思路
  • 先由开环传函按法则绘制根轨迹并求渐近线、分离点与虚轴交点,判断衰减振荡对应的增益范围,最后由斜坡输入稳态误差上界反求增益范围并与稳定范围取交集
本卷考法
  • 按法则绘制闭环根轨迹并求渐近线
本卷实例
  • 关键一步:开环三个极点无零点,按法则确定实轴段与渐近线
  • 中间结果:渐近线交点为极点和的算术平均
  • 卡点:开环传函先化成尾一标准型再读极点
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
  • 本卷考过按法则绘制闭环根轨迹并求渐近线
  • 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
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹的分离点及对应增益
本卷实例
  • 关键一步:由分离点方程解出满足实轴段条件的根
  • 中间结果:两分离点分别对应不同的根轨迹增益
  • 卡点:须判断哪个分离点落在实轴根轨迹段上
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
  • 本卷考过求根轨迹的分离点及对应增益
  • 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
  • 本卷考过求出方程根后不筛选而保留不在轨迹上的解
  • 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:令劳斯表某行全零得到临界增益与纯虚根
  • 中间结果:由辅助方程解出虚轴交点频率
  • 卡点:衰减振荡增益范围与稳定增益范围须区分
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
  • 本卷考过只代一个频率而漏掉另一组交点
  • 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
  • 由斜坡输入稳态误差上界反求增益范围
本卷实例
  • 关键一步:按型别写速度误差系数并把误差写成增益的函数
  • 中间结果:误差上界给出增益的下界
  • 卡点:最终范围须与根轨迹判稳所得范围取交集
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
  • 本卷考过由斜坡输入稳态误差上界反求增益范围
  • 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
  • 本卷考过未与稳定范围取交集就下结论
  • 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

五期望特性法串联校正25 分#

思路
  • 由原开环传函画对数幅频渐近曲线,把期望特性写成原特性与校正装置特性之积用作差法求校正装置传函,判断为超前校正,再求校正后剪切频率与相角裕度并说明响应速度变化
本卷考法
  • 绘制开环对数幅频渐近特性曲线
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函写出低频段斜率与转折频率
  • 中间结果:低频段延长线与横轴的交点由开环增益确定
  • 卡点:期望对数幅频特性图为原卷插图,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过绘制开环对数幅频渐近特性曲线
  • 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
  • 本卷考过低频段起始高度没有乘上型别的斜率
  • 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
  • 由期望频率特性用作差法求校正装置传函
本卷实例
  • 关键一步:把校正后特性写成原特性与校正装置特性之积
  • 中间结果:校正装置传函由期望特性除以原特性得到
  • 卡点:校正装置须写成物理可实现的超前一滞后形式
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
  • 本卷考过由期望频率特性用作差法求校正装置传函
  • 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
  • 本卷考过相减后得到的特性不可物理实现却未检查
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正装置传函判断校正类型并说明原因
本卷实例
  • 关键一步:比较校正装置零点与极点转折频率的高低
  • 中间结果:零点转折频率低于极点转折频率为超前校正
  • 卡点:也可由校正装置相角恒为正来佐证
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传函判断校正类型并说明原因
  • 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
  • 本卷考过把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正后系统剪切频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由校正后幅频等于零解出剪切频率
  • 中间结果:相角裕度为一百八十度加剪切频率处相角
  • 卡点:剪切频率落在两转折频率之间需分段近似
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
  • 本卷考过求校正后系统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
  • 本卷考过把剪切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

六描述函数法分析自振21 分#

思路
  • 先由线性部分求频率特性并把起点终点、象限与负实轴交点画进Nyquist图,再求负倒描述函数并与线性部分曲线画在同图判断自振,在交点上由自振条件求振荡频率与振幅
本卷考法
  • 求线性部分频率特性的起点终点与实轴交点
本卷实例
  • 关键一步:令虚部为零求与负实轴相交的频率
  • 中间结果:起点幅值由直流增益确定,终点趋于原点
  • 卡点:相位穿越负一百八十度时与负实轴相交
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
  • 本卷考过求线性部分频率特性的起点终点与实轴交点
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉三个惯性环节的负九十度
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 由给定描述函数求负倒描述函数及其走向
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义写出负倒描述函数
  • 中间结果:负倒描述函数为随振幅线性变化的负实数
  • 卡点:需说明振幅增大时负倒描述函数单调减小
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
  • 本卷考过由给定描述函数求负倒描述函数及其走向
  • 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
  • 本卷考过把描述函数当成频率的函数
  • 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
  • 由两曲线交点判断自振并求频率与振幅
本卷实例
  • 关键一步:在同一复平面画负倒描述函数与线性部分曲线
  • 中间结果:两曲线有交点即满足自振条件
  • 卡点:交点处负倒描述函数由不稳定区穿向稳定区
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判断自振并求频率与振幅
  • 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
  • 本卷考过画的是描述函数而不是负倒描述函数
  • 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