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南京工业大学 821 自动控制原理 2021 年真题思维导图

强势双非共 7 题合计 150 分

难度:中等 一、填空题十道(20分)加二至七共6道大题;大题覆盖多回路梅森公式、单位负反馈系统动态性能与最小阻尼比、电动轮椅速度控制系统稳定条件、参数a广义根轨迹、由期望频率特性设计串联校正、非线性描述函数法自振

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1~10填空题(共十道)20 分#

思路
  • 十道小题以基本概念与简单计算为主:稳准快三要求、积分环节、系统型别、拉氏变换、由闭环传函反求开环判型别、单位阶跃稳态误差、根轨迹起点、相频特性、由误差响应反求参数、最大相位超前角
本卷考法
  • 由自动控制原理的基本要求填出稳定性
本卷实例
  • 关键一步:按稳、准、快三条归纳控制系统的性能要求
  • 中间结果:题干已给快速性与准确性,空缺项对应稳定性
  • 卡点:源文该句有OCR噪声,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由自动控制原理的基本要求填出稳定性
  • 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
  • 本卷考过把快速性、准确性与稳定性三者混淆
  • 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
  • 写出积分环节的传递函数表达式
本卷实例
  • 关键一步:按典型环节分类识别积分环节
  • 中间结果:积分环节传递函数为s的负一次方
  • 卡点:源文只留空白待填,未给多余条件
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 六种典型环节:比例、积分、微分、惯性、振荡、延迟
  • 惯性环节由时间常数 T 描述,T 越小响应越快
  • 振荡环节由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 共同描述
  • 延迟环节只改变相位,不改变幅值
步骤
  • 把传递函数分解为若干典型环节的乘积
  • 逐环节写出幅频与相频表达式
  • 按环节类型判断对系统性能的影响
通用考法
  • 本卷考过写出积分环节的传递函数表达式
  • 指出给定传递函数由哪些典型环节串联组成
  • 由阶跃响应曲线或 Bode 图识别环节类型
  • 比较两个系统的时间常数大小
常见易错
  • 本卷考过把积分环节与惯性环节的表达式写反
  • 把一阶微分环节 (τs+1) 与纯微分环节 s 混为一谈
  • 把延迟环节的相位滞后误当作幅值衰减
公式
本卷考法
  • 叙述系统型别的定义
本卷实例
  • 关键一步:把型别归因到开环传函中积分环节的个数
  • 中间结果:型别由开环传函中s的幂次决定
  • 卡点:型别针对开环传函而非闭环传函
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
  • 本卷考过叙述系统型别的定义
  • 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
  • 本卷考过把型别与开环增益大小混为一谈
  • 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
典型输入信号 基本概念与信号
本卷考法
  • 求指数函数的拉氏变换
本卷实例
  • 关键一步:套用指数函数的拉氏变换对
  • 中间结果:时域指数对应复域一次分式
  • 卡点:题干给定的幅值系数要一并保留
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 常用典型输入有冲激、阶跃、斜坡、抛物线(加速度)与正弦五类
  • 阶跃信号用于考查快速性与稳定性,斜坡与抛物线用于考查稳态精度
  • 正弦信号用于频域分析,冲激响应就是系统的传递函数
  • 各典型信号的拉氏变换是分析全响应的起点
步骤
  • 按题意写出输入信号的时域表达式
  • 对输入取拉氏变换得到该信号的复域形式
  • 由输入类型判断考查的是动态性能还是稳态精度
  • 把输入代入误差或响应公式计算
通用考法
  • 本卷考过求指数函数的拉氏变换
  • 写出典型输入信号的拉氏变换
  • 说明某一典型输入信号用于考查哪类性能
  • 由输入类型判断稳态误差是否为有限值
常见易错
  • 本卷考过把拉氏变换的指数符号写反
  • 把斜坡与抛物线信号的阶次写错
  • 阶跃的拉氏变换漏掉系数(幅度不为 1 时)
公式
本卷考法
  • 由单位负反馈闭环传函反求开环传函并判型别
本卷实例
  • 关键一步:由闭环与开环的关系式解出开环传函
  • 中间结果:开环传函等于闭环传函与一减闭环传函之比
  • 卡点:源文分母有OCR缺项,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由单位负反馈闭环传函反求开环传函并判型别
  • 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
  • 本卷考过把闭环传函直接当成开环传函去数积分环节
  • 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
  • 写出单位阶跃输入下稳态误差的一般表达式
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理把稳态误差写成s趋于零的极限
  • 中间结果:误差传函乘单位阶跃的拉氏变换再取极限
  • 卡点:题干只用符号G(s),未给具体传函
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
  • 本卷考过写出单位阶跃输入下稳态误差的一般表达式
  • 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
  • 本卷考过未判稳就使用终值定理
  • 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
  • 指出根轨迹的起始位置
本卷实例
  • 关键一步:按根轨迹绘制法则回忆起点与终点
  • 中间结果:根轨迹起于开环极点、终于开环零点
  • 卡点:源文只问起点,答终点会失分
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
  • 本卷考过指出根轨迹的起始位置
  • 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
  • 本卷考过把根轨迹起点与终点记反
  • 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
  • 求给定传递函数的相频特性表达式
本卷实例
  • 关键一步:令s取纯虚数后逐环节叠加相角
  • 中间结果:积分环节贡献负九十度,惯性环节贡献反正切
  • 卡点:源文该小题只有一句问法,题干偏简
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
  • 本卷考过求给定传递函数的相频特性表达式
  • 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积分环节的负九十度
  • 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
本卷考法
  • 由误差响应反求开环增益与时间常数
本卷实例
  • 关键一步:先写误差传函再取拉氏变换与给定误差函数对应
  • 中间结果:由误差函数的极点分布匹配误差传函分母系数
  • 卡点:误差传函的拉氏变换要除以输入信号的变换
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开环增益与时间常数
  • 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写成闭环传函
  • 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
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:把校正装置化为超前网络标准形式
  • 中间结果:由参数a用反正弦公式求最大超前角
  • 卡点:题干未给最大超前角出现频率,无需计算
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
  • 本卷考过把超前角公式中的分子分母取反
  • 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

二多回路系统与梅森公式20 分#

思路
  • 先数单回路并写出回路增益与特征式,再用梅森公式求闭环传函
本卷考法
  • 用梅森公式求多回路系统的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:逐一列写各独立回路与前向通道再组特征式
  • 中间结果:本题无互不接触回路,特征式为一减各回路增益之和
  • 卡点:图二为原卷结构图,需回原卷核对回路与引出点
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
  • 本卷考过用梅森公式求多回路系统的闭环传函
  • 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
  • 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
  • 由结构图逐层化简求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:按信号流向从最内层回路开始化简
  • 中间结果:内环等效后再与外层作串并联
  • 卡点:图二为原卷结构图,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由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
  • 本卷考过化简内环时把外环的信号当成常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

三单位负反馈系统动态性能25 分#

思路
  • 先由结构图写闭环与误差传函,再由闭环特征方程求阻尼比与自然频率,然后按定义计算动态指标,最后求最小阻尼比与不含衰减振荡的条件
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由结构图化简求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先化简局部反馈再写总闭环传函
  • 中间结果:闭环分母由前向通道与反馈通道乘积构成
  • 卡点:图三为原卷结构图,需回原卷核对各环节增益
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
  • 本卷考过由结构图化简求闭环传递函数
  • 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
  • 本卷考过把负反馈的分母写成一减GH
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式
本卷考法
  • 写出系统的误差传递函数E(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:按定义用一除以一加开环写误差传函
  • 中间结果:单位负反馈下误差传函为一加G的倒数
  • 卡点:图三为原卷结构图,需回原卷核对
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
  • 本卷考过写出系统的误差传递函数E(s)/R(s)
  • 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
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
  • 由闭环传函系数求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为二阶标准形式再比对系数
  • 中间结果:一次项系数对应二倍阻尼乘积,常数项对应自然频率平方
  • 卡点:本题含零点,属非典型二阶系统
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系数求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过把开环增益误当成闭环传函的系数
  • 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
  • 计算上升时间、超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:非典型二阶系统按性能指标定义从时域响应出发
  • 中间结果:由响应导数零点求峰值时间,再用包络线求调节时间
  • 卡点:题意要求按定义计算,不能直接代标准公式
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
  • 本卷考过计算上升时间、超调量与调节时间
  • 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
  • 本卷考过含零点时仍直接套典型二阶公式
  • 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
  • 求K变化时最小阻尼比对应的闭环极点与增益
本卷实例
  • 关键一步:把阻尼比对K求导并令其为零求极值点
  • 中间结果:阻尼比随K先减后增,最小值出现在极值点
  • 卡点:最小阻尼比时的极点由特征方程回代求得
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
  • 本卷考过求K变化时最小阻尼比对应的闭环极点与增益
  • 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
  • 本卷考过只满足单项指标就下结论未做交叉验证
  • 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

四电动轮椅速度控制系统20 分#

思路
  • 先由三环结构图求闭环传函与特征方程,再用劳斯判据求使头盔头摆到轮椅车速稳定驱动的参数安全条件
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由三环结构图求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按信号流向逐层化简内环与外环
  • 中间结果:闭环分母为三个一阶环节乘积再加开环增益
  • 卡点:图四为原卷结构图,需回原卷核对各环
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
  • 本卷考过由三环结构图求闭环传递函数
  • 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
  • 本卷考过化简时漏掉局部反馈的负号
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由三阶闭环特征方程列劳斯表判稳
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程后再列劳斯表
  • 中间结果:令劳斯表首列全部同号得到稳定条件
  • 卡点:答案段该处OCR严重错乱,须回原卷核对
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
  • 本卷考过由三阶闭环特征方程列劳斯表判稳
  • 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
  • 本卷考过首列出现零时未用ε法处理
  • 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
  • 求使系统稳定驱动的参数安全条件
本卷实例
  • 关键一步:把各首列元素大于零整理成参数不等式组
  • 中间结果:稳定条件是各不等式取交集
  • 卡点:题干未给具体时间常数数值,只能给条件式
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驱动的参数安全条件
  • 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
  • 本卷考过只列部分首列不等式而漏掉约束
  • 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

五广义根轨迹与参数a稳定范围20 分#

思路
  • 先把含参数a的特征式等效成以a为变量的根轨迹,再画渐近线与分离点并求虚轴交点,然后定等幅振荡的a与频率、稳态误差约束下的a范围,最后由已知闭环极点求其余极点
本卷考法
  • 把含参数a的特征式化为参数根轨迹并绘制
本卷实例
  • 关键一步:把含a项单列后用特征式除以不含a项构造等效开环传函
  • 中间结果:等效变换前后闭环特征方程必须一致
  • 卡点:参数a不是开环增益但仍沿用同一套绘制法则
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的特征式化为参数根轨迹并绘制
  • 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a完整地提到分子位置
  • 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
  • 按法则确定实轴段与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:由等效开环零极点定实轴段与渐近线交点
  • 中间结果:三个开环极点对应三条轨迹分支
  • 卡点:无开环零点,三条渐近线交于实轴上一点
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
  • 本卷考过按法则确定实轴段与渐近线
  • 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
  • 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
  • 求等效根轨迹的分离点
本卷实例
  • 关键一步:对各开环极点列分离点方程并整理
  • 中间结果:分离点方程整理后为一元二次方程
  • 卡点:本题方程根为复数应舍去
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
  • 本卷考过求等效根轨迹的分离点
  • 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参数
本卷实例
  • 关键一步:令特征式取纯虚数后拆成实部与虚部两式
  • 中间结果:由实部虚部方程解出振荡频率与临界参数
  • 卡点:临界稳定时出现一对共轭纯虚根
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参数
  • 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就下结论而漏掉另一组交点
  • 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
  • 求等幅振荡时参数a的值与振荡频率
本卷实例
  • 关键一步:等幅振荡对应闭环极点落在虚轴上
  • 中间结果:由虚轴交点处的幅值条件反求参数a
  • 卡点:振荡频率由纯虚根的虚部给出
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
  • 本卷考过求等幅振荡时参数a的值与振荡频率
  • 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
  • 本卷考过把等幅振荡对应到阻尼比为零以外的状态
  • 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
本卷考法
  • 由斜坡输入下的稳态误差上界反求a的范围
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理把斜坡稳态误差写成关于a的表达式
  • 中间结果:稳态误差表达式随a增大而减小
  • 卡点:还需与稳定范围取交集才有实际意义
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下的稳态误差上界反求a的范围
  • 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
  • 本卷考过未判稳就使用终值定理求稳态误差
  • 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

六由期望频率特性设计串联校正25 分#

思路
  • 先由期望Bode图反求未校正传函与校正装置,再判断超前或滞后并求校正后相角裕量
本卷考法
  • 由期望Bode图反求未校正系统开环传函
本卷实例
  • 关键一步:读低频段斜率与各转折频率处的斜率变化
  • 中间结果:一个积分环节加两个惯性环节构成开环传函
  • 卡点:图六为原卷Bode图,需回原卷核对转折频率与高度
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
  • 本卷考过由期望Bode图反求未校正系统开环传函
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 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
  • 绘制未校正系统的开环对数幅频渐近曲线
本卷实例
  • 关键一步:按转折频率从小到大逐段确定斜率
  • 中间结果:低频段由积分环节决定,斜率为负二十分贝每十倍频
  • 卡点:需将期望图全部内容抄绘到答题纸同坐标下
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
  • 本卷考过绘制未校正系统的开环对数幅频渐近曲线
  • 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
本卷考法
  • 由期望特性与未校正特性之差求校正装置
本卷实例
  • 关键一步:用期望开环特性除以未校正特性得到校正装置
  • 中间结果:校正装置由两个一阶微分与两个惯性环节组成
  • 卡点:校正后截止频率由期望图读出,需回原卷核对
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未校正特性之差求校正装置
  • 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
  • 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
滞后-超前校正 系统校正
本卷考法
  • 判断该校正装置是超前还是滞后校正
本卷实例
  • 关键一步:比较校正装置各零极点与转折频率的高低
  • 中间结果:低频段衰减而中高频段超前,属滞后超前型
  • 卡点:判据是零极点相对位置而非装置名称
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
  • 本卷考过判断该校正装置是超前还是滞后校正
  • 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
  • 本卷考过把滞后超前校正误判为单纯超前校正
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正后系统的相角裕量
本卷实例
  • 关键一步:先由校正后幅频确定截止频率再代入相频求裕度
  • 中间结果:相角裕度由一百八十度加截止频率处相角得到
  • 卡点:截止频率取期望图读数,需回原卷核对
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的相角裕量
  • 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
  • 本卷考过把截止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

七非线性系统描述函数法分析自振20 分#

思路
  • 先画线性部分的Nyquist曲线并求与负实轴交点,再把负倒描述函数画在同图上判断交点性质,最后由交点求自振振幅与频率
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出继电型非线性的描述函数并说明适用条件
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义对非线性环节输出取一次谐波
  • 中间结果:理想继电特性的描述函数与振幅成反比
  • 卡点:描述函数法要求非线性环节前有明显的低通特性
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
  • 本卷考过写出继电型非线性的描述函数并说明适用条件
  • 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
  • 用描述函数法判断周期运动稳定性并求自振参数
本卷实例
  • 关键一步:把负倒描述函数曲线与线性部分幅相曲线画在同图
  • 中间结果:两曲线交点给出自振频率与振幅
  • 卡点:负倒描述函数落在负实轴且随振幅增大而左移
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判断周期运动稳定性并求自振参数
  • 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
本卷考法
  • 分析继电特性对系统自振的影响
本卷实例
  • 关键一步:由负倒描述函数随振幅的走向判断能否自振
  • 中间结果:继电特性的负倒描述函数落在负实轴上
  • 卡点:不同非线性特性的负倒描述函数形状不同
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
  • 本卷考过分析继电特性对系统自振的影响
  • 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
  • 本卷考过认为饱和总是使系统更稳定
  • 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