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南京邮电大学 812 自动控制理论(含现控) 2021 年真题思维导图

强势双非共 10 题

难度:中等 全卷 10 道大题:第一题 10 个判断小问,其余九道为计算与分析题。覆盖根轨迹绘制与阻尼比定参、奈奎斯特判据、Bode 相角裕度、离散采样系统稳定性与稳态误差、状态反馈极点配置、李雅普诺夫稳定性和非线性线性化。未考离散数字控制器、最优控制与电力拖动。

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1一、判断题(10 小问)#

思路
  • 十小问逐条判断,先把题干翻译成对应的教材结论再判正误:极点与模态、超调与调节时间、特征方程系数与稳定、附加零点与根轨迹、稳态误差与稳定、积分环节与扰动、低频段与性能、离散采样周期、状态转移矩阵可逆、状态反馈与能控性。
本卷考法
  • 判断闭环极点为左半平面两个实根时是否无超调
本卷实例
  • 关键一步:从极点决定响应模态、零点只改模态权重切入
  • 中间结果:两个实根本身不保证无超调,还要看零点与重根
  • 卡点:题干把模态类别与模态权重混在一起表述
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 极点决定响应由哪些模态组成,零点决定各模态的权重
  • 左半平面极点对应衰减,右半平面对应发散,虚轴对应等幅振荡
  • 离虚轴最近的极点为主导极点,主导响应的形状
  • 共轭复极点产生振荡,实极点产生单调分量
步骤
  • 求特征方程得到全部闭环极点
  • 按实数/共轭复数分类,写出对应模态
  • 找出主导极点对,近似为低阶系统
  • 结合零点判断各模态权重大小
通用考法
  • 本卷考过判断闭环极点为左半平面两个实根时是否无超调
  • 由极点分布写出响应的大致形式
  • 判断系统是单调还是振荡、是否收敛
  • 用主导极点概念把高阶系统近似为二阶系统
常见易错
  • 只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 判断超调量不变时减小自然频率对过程快慢的影响
本卷实例
  • 关键一步:由超调量只与阻尼比有关,先固定阻尼比
  • 中间结果:阻尼比不变时调节时间与自然频率成反比
  • 卡点:不要把超调量与调节时间的自变量混为一谈
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
  • 本卷考过判断超调量不变时减小自然频率对过程快慢的影响
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 判断闭环特征方程某项系数为负与稳定性的关系
本卷实例
  • 关键一步:由劳斯判据或稳定必要条件逐项看系数符号
  • 中间结果:系数不全为正时系统不能稳定
  • 卡点:系数全为正只是必要条件,不能据此判稳
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
  • 本卷考过判断闭环特征方程某项系数为负与稳定性的关系
  • 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
  • 判断增加开环负实数零点对根轨迹走向的影响
本卷实例
  • 关键一步:把附加零点看作根轨迹新的终止点
  • 中间结果:附加负实零点使根轨迹向左半平面弯曲
  • 卡点:零点在右半平面时结论相反,需先判零点位置
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过判断增加开环负实数零点对根轨迹走向的影响
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反
本卷考法
  • 判断稳态误差趋于无穷是否等价于系统不稳定
本卷实例
  • 关键一步:先分型别看典型输入下的稳态误差
  • 中间结果:0 型系统跟踪斜坡时误差为无穷但仍可稳定
  • 卡点:把稳态精度与稳定性两个概念混为一谈
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
  • 本卷考过判断稳态误差趋于无穷是否等价于系统不稳定
  • 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
本卷考法
  • 判断前向通道串联积分环节对阶跃扰动的影响
本卷实例
  • 关键一步:写出扰动到输出的传递函数再看型别
  • 中间结果:积分环节提高扰动误差的型别,可抑制阶跃扰动
  • 卡点:提高型别可能破坏稳定,不能只说误差变小
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过判断前向通道串联积分环节对阶跃扰动的影响
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式
本卷考法
  • 判断开环幅频特性低频段与系统性能的关系
本卷实例
  • 关键一步:把低频段斜率与高度对应到型别与开环增益
  • 中间结果:低频段主要反映稳态精度,稳定性还要看中高频段
  • 卡点:题干把稳态性能写成稳定性能,表述含混
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
  • 本卷考过判断开环幅频特性低频段与系统性能的关系
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 判断采样周期减小对离散系统跟随精度的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较采样周期变化对离散误差系数的影响
  • 中间结果:采样周期减小时离散系统更接近连续系统
  • 卡点:结论建立在系统仍然稳定的前提下
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过判断采样周期减小对离散系统跟随精度的影响
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
公式
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 判断线性定常系统状态转移矩阵是否可逆
本卷实例
  • 关键一步:由状态转移矩阵的逆对应反向时间矩阵切入
  • 中间结果:状态转移矩阵行列式恒不为零,故可逆
  • 卡点:时变系统结论不同,题干限定了线性定常
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过判断线性定常系统状态转移矩阵是否可逆
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断状态反馈能否改变系统的能控性
本卷实例
  • 关键一步:比较状态反馈前后能控性判别矩阵的秩
  • 中间结果:状态反馈不改变能控性,但可能改变能观性
  • 卡点:能控性与能观性的变化结论不能互推
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
  • 本卷考过判断状态反馈能否改变系统的能控性
  • 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

2二、由单位脉冲响应求传函与带初值响应#

思路
  • 先对单位脉冲响应取拉氏变换得闭环传函并写出微分方程;把非零初始条件代入拉氏变换的微分定理求全响应;再反求开环传函,按型别求单位斜坡输入下的稳态误差。
本卷考法
  • 由单位脉冲响应求闭环传递函数与微分方程
本卷实例
  • 关键一步:对单位脉冲响应取拉氏变换得闭环传函
  • 中间结果:闭环传函分母的系数对应系统微分方程系数
  • 卡点:单位脉冲响应的拉氏变换才是闭环传函
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由单位脉冲响应求闭环传递函数与微分方程
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
公式
本卷考法
  • 含非零初值的单位阶跃全响应求解
本卷实例
  • 关键一步:对微分方程作拉氏变换时保留初值产生的项
  • 中间结果:全响应由零输入自由响应与零状态响应叠加
  • 卡点:把非零初值当零初始条件会漏掉自由响应
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 全响应由零输入响应与零状态响应两部分叠加而成
  • 零输入响应的形式由特征根决定,系数由初始条件定
  • 零状态响应用卷积或拉氏变换法求,也可查典型输入的响应表
  • 初值条件要区分零时刻前后的跳变,含输入导数项的方程会在零时刻产生跳变
步骤
  • 写出微分方程并取拉氏变换,把初始条件作为等效输入移到等号右端
  • 分别求零输入解与零状态解,再相加得全响应
  • 用初始条件定常数,必要时用终值核对稳态值
  • 检查求得的解在零时刻是否等于给定初值
通用考法
  • 本卷考过含非零初值的单位阶跃全响应求解
  • 由微分方程与初始条件求系统的全响应
  • 分别求零输入响应与零状态响应
  • 判断给定初值下响应是否单调或是否有极值
常见易错
  • 只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 分子含输入导数时忽略零时刻的跳变,导致初值对不上
公式
本卷考法
  • 由闭环传函反求开环后求单位斜坡稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先由闭环传函解出开环传函并判断稳定性
  • 中间结果:开环分母含一个积分环节,属 I 型系统
  • 卡点:未判稳就直接套终值定理是常见错点
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
  • 本卷考过由闭环传函反求开环后求单位斜坡稳态误差
  • 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

3三、由斜坡稳态误差要求求增益范围#

思路
  • 先由开环传函写出闭环特征方程并列劳斯表求稳定增益范围,再按 I 型系统速度误差系数写出斜坡误差要求,最后取稳定与误差两个区间的交集。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 列劳斯表求三阶系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并按降幂排列列劳斯表
  • 中间结果:令劳斯表首列元素同号得到增益不等式组
  • 卡点:别漏掉常数项给出的增益下界
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
  • 本卷考过列劳斯表求三阶系统稳定的增益范围
  • 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
  • 由单位斜坡稳态误差要求反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:按 I 型系统写出速度误差系数与误差的关系
  • 中间结果:由误差上限得到开环增益的下界
  • 卡点:误差范围与稳定范围必须取交集
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
  • 本卷考过由单位斜坡稳态误差要求反求开环增益
  • 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

4四、由超调量与调节时间反求参数(含图)#

思路
  • 由超调量反解阻尼比,再由调节时间反解阻尼比与自然频率的乘积得自然频率;把闭环传函化成标准二阶形式比对系数求 K、a;再求阻尼振荡频率、峰值时间与单位阶跃稳态输出。
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求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反解阻尼比,再由调节时间求乘积
  • 中间结果:阻尼比与自然频率确定后即可求阻尼振荡频率
  • 卡点:调节时间公式要按 5% 误差带取系数
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求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 由性能指标反求闭环传函中的两个参数
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为标准二阶形式并逐项比对系数
  • 中间结果:一次项系数对应两倍阻尼比乘自然频率
  • 卡点:结构图未读,前向通道与反馈连接需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由性能指标反求闭环传函中的两个参数
  • 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
  • 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
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
  • 求单位阶跃输入下的闭环稳态输出
本卷实例
  • 关键一步:用终值定理求闭环传函在零频率处的增益
  • 中间结果:稳态输出等于直流增益乘输入幅值
  • 卡点:系统稳定是使用终值定理的前提
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
  • 本卷考过求单位阶跃输入下的闭环稳态输出
  • 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

5五、三阶系统根轨迹与阻尼比定 K*#

思路
  • 标出三个开环极点后按法则画根轨迹:判实轴段、求渐近线与出射角、求虚轴交点;第 2 问按阻尼比作等阻尼线,与根轨迹交点即主导极点,再用幅值条件求 K*。
本卷考法
  • 按法则绘制三个开环极点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标零极点,再判实轴段并求渐近线
  • 中间结果:实轴根轨迹段由该段右侧零极点总数为奇数判断
  • 卡点:渐近线夹角公式分子是二 k 加一
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三个开环极点的根轨迹
  • 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
  • 判断并求根轨迹的分离点
本卷实例
  • 关键一步:对根轨迹增益求导或按重根条件列分离点方程
  • 中间结果:本题分离点方程无实根,根轨迹无分离点
  • 卡点:方程根要按实轴段筛选,不在段上应舍去
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
  • 本卷考过判断并求根轨迹的分离点
  • 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
  • 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
  • 求复数开环极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:按相角条件累加其余零极点的相角
  • 中间结果:出射角由相角条件反解,另一支按对称性取反
  • 卡点:不要把该极点自身的相角算进累加
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
  • 本卷考过求复数开环极点的出射角
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:把 s 等于 jω 代入闭环特征方程并分离实虚部
  • 中间结果:由虚部方程解频率,再代回实部方程求临界增益
  • 卡点:除正频率交点外还有原点解,需按题意取舍
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
  • 由给定阻尼比确定主导极点并求 K*
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比得到等阻尼线与根轨迹的交点
  • 中间结果:交点即主导极点,再由幅值条件求 K*
  • 卡点:求得的极点要验证是复数主导极点
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
  • 本卷考过由给定阻尼比确定主导极点并求 K*
  • 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

6六、开环幅相曲线与奈奎斯特判稳#

思路
  • 写出开环频率特性后由起点、终点和与负实轴的交点画出概略幅相曲线;量出交点处幅值,按奈奎斯特判据列不等式求闭环稳定时的增益范围。
本卷考法
  • 由开环传函写幅频与相频并画概略幅相曲线
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 jω 代入开环传函求幅频与相频
  • 中间结果:由相角等于负一百八十度求穿越频率与交点幅值
  • 卡点:三个惯性环节使相角最终趋于负二百七十度
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
  • 本卷考过由开环传函写幅频与相频并画概略幅相曲线
  • 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
  • 由幅相曲线用奈奎斯特判据求稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数再定判据形式
  • 中间结果:曲线不包围负一对应闭环稳定,据此列幅值不等式
  • 卡点:开环无右半平面极点时才可用简化判据
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
  • 本卷考过由幅相曲线用奈奎斯特判据求稳定增益范围
  • 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

7七、由最大速度与位置误差定增益及相角裕度#

思路
  • 先把最大输出速度换算成统一单位,按 I 型系统的速度误差系数列出位置误差要求求最小增益;再按开环传函画 Bode 图,由幅频条件求截止频率后计算相角裕度。
本卷考法
  • 由位置允许误差与最大速度求最小开环增益
本卷实例
  • 关键一步:把最大速度与允许位置误差换算为速度误差系数要求
  • 中间结果:I 型系统速度误差系数等于开环增益
  • 卡点:角度与转速单位要统一后再列不等式
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
  • 本卷考过由位置允许误差与最大速度求最小开环增益
  • 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
本卷考法
  • 绘制开环对数幅频特性并求截止频率
本卷实例
  • 关键一步:由低频段高度与两个转角频率逐段改变斜率
  • 中间结果:幅频特性过零分贝处的频率即截止频率
  • 卡点:逐段改斜率要累加而不是替换
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特性并求截止频率
  • 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
  • 由截止频率求系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:把截止频率代入相频表达式求相角
  • 中间结果:相角裕度等于一百八十度加截止频率处相角
  • 卡点:三个惯性环节的相角要全部计入
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
  • 本卷考过由截止频率求系统的相角裕度
  • 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

8八、采样系统稳定性与稳态误差#

思路
  • 由零阶保持器与被控对象求开环脉冲传函,写出闭环特征方程后按极点模小于一求采样周期范围;再取给定采样周期求闭环脉冲传函与单位阶跃稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环与闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:对被控对象作 z 变换时计入零阶保持器
  • 中间结果:开环脉冲传函为含采样周期指数项的有理分式
  • 卡点:不要把两个连续环节无采样地直接相乘
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
  • 本卷考过求含零阶保持器的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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 由闭环特征根模小于一求采样周期范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程解出唯一的闭环极点
  • 中间结果:极点模小于一给出关于采样周期指数的不等式
  • 卡点:离散稳定条件是极点模小于一而非实部为负
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
  • 本卷考过由闭环特征根模小于一求采样周期范围
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求给定采样周期下单位阶跃的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用终值定理求离散稳态误差
  • 中间结果:稳态误差由 z 趋于一时开环脉冲传函决定
  • 卡点:离散系统不能直接套用 s 域误差系数公式
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过求给定采样周期下单位阶跃的稳态误差
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
公式

9九、状态反馈极点配置与状态变量图#

思路
  • 先算能控性矩阵确认满秩,写出期望特征多项式;再令加入状态反馈后的特征多项式与期望式逐项相等解出反馈增益阵;最后按反馈结构画出状态变量图。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 验证能控性并用状态反馈配置极点求增益阵
本卷实例
  • 关键一步:先算能控性矩阵的秩再设反馈增益阵
  • 中间结果:令闭环特征多项式与期望多项式系数相等
  • 卡点:未验证能控性就直接配置极点是错点
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
  • 本卷考过验证能控性并用状态反馈配置极点求增益阵
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态反馈结构画系统状态变量图
本卷实例
  • 关键一步:按状态方程写出各状态变量的积分关系
  • 中间结果:反馈增益阵的每个分量分别接到对应状态
  • 卡点:状态变量图要标出反馈支路的加减号
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
  • 本卷考过由状态反馈结构画系统状态变量图
  • 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

10十、非线性系统原点稳定性(含图)#

思路
  • 先在原点求雅可比矩阵作线性化,按特征值符号判断;再取正定二次型作李雅普诺夫函数,解矩阵方程得 P 阵,由主子式定号得结论。
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 在原点对非线性状态方程作线性化
本卷实例
  • 关键一步:对两个非线性函数分别求偏导得雅可比矩阵
  • 中间结果:原点处线性化系统矩阵由雅可比矩阵给出
  • 卡点:逐年状态方程被 OCR 打乱,已按宝典补全
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过在原点对非线性状态方程作线性化
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用李雅普诺夫方程判断原点处的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:取正定 Q 阵解转置 P 加 P 乘 A 等于负 Q
  • 中间结果:由 P 的主子式符号判断 P 的正负定
  • 卡点:P 负定说明原点不稳定,别与稳定结论混淆
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 第一法通过线性化系统的特征值判断原系统的局部稳定性
  • 第二法用李雅普诺夫函数直接判断稳定性,无需解方程
  • 李雅普诺夫函数正定且其导数为负定则渐近稳定
  • 线性定常系统中李雅普诺夫方程有正定解等价于系统稳定
步骤
  • 选取或构造李雅普诺夫函数
  • 沿系统轨迹求其对时间的导数
  • 判断函数与导数的正负定性
  • 据此得出稳定性结论
通用考法
  • 本卷考过用李雅普诺夫方程判断原点处的稳定性
  • 用李雅普诺夫方程判断系统稳定性
  • 构造李雅普诺夫函数证明渐近稳定
  • 分析非线性系统的稳定性范围
常见易错
  • 李雅普诺夫方程中 P、Q 的角色混用
  • 只判断 V 正定就下结论而未检查导数
公式