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山西大学 865 自动控制原理 2022 年真题思维导图

强势双非共 8 题合计 150 分

难度:中等 8 道大题:单选 5 题(每题 5 分共 25)、简答 3 题(每题 5 分共 15)、RC 电路终值、结构图求传函、高阶系统降阶与动态性能、180 度根轨迹、奈氏判据判稳、由对数幅频特性反求传函;三至八题均印个性化分值。

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1~5一、单选题五小题(每题5分,共25分)25 分#

思路
  • 五道小题依次考典型环节识别、负反馈闭环特征方程、传递函数基本性质、根轨迹相同的含义与超前校正的最大超前角,按基本概念逐项判断。
本卷考法
  • 由给定传递函数判断它属于哪个典型环节(第1小题)
本卷实例
  • 关键一步:把分子或分母对照典型环节的时间常数形式
  • 中间结果:一次多项式可归为一阶微分环节或惯性环节
  • 卡点:比例、积分、惯性、一阶微分四类易混,看是否含 s
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
  • 本卷考过由给定传递函数判断它属于哪个典型环节(第1小题)
  • 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
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由开环传函写单位负反馈的闭环特征方程(第2小题)
本卷实例
  • 关键一步:令分母 1 加 GH 为零即得闭环特征方程
  • 中间结果:特征方程由开环分母与分子相加整理得到
  • 卡点:负反馈取加号、正反馈取减号,符号不要写反
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
  • 本卷考过由开环传函写单位负反馈的闭环特征方程(第2小题)
  • 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
本卷考法
  • 判断关于传递函数的说法中哪一条错误(第3小题)
本卷实例
  • 关键一步:逐条对照传递函数只适用于线性定常系统等前提
  • 中间结果:传递函数只由系统自身结构与参数决定
  • 卡点:把与输入有关当成正确说法是常见误判
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
  • 本卷考过判断关于传递函数的说法中哪一条错误(第3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
  • 由两系统根轨迹相同推断其共有的特征(第4小题)
本卷实例
  • 关键一步:根轨迹描述闭环极点随增益变化的移动轨迹
  • 中间结果:根轨迹相同意味着闭环极点集合相同
  • 卡点:根轨迹相同不等于开环零点相同,两者不要混
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹是开环某一参数由 0 变到无穷时闭环极点在 s 平面上的移动轨迹
  • 同时满足相角条件与幅值条件的 s 才是根轨迹上的点
  • 相角条件决定根轨迹的形状,幅值条件决定对应的参数值
  • 常规根轨迹以开环增益 K 为可变参数
步骤
  • 写出以 K 为参变量的闭环特征方程
  • 整理成 1+KG₀(s)=0 的标准形式
  • 用相角条件判断某点是否在根轨迹上
通用考法
  • 本卷考过由两系统根轨迹相同推断其共有的特征(第4小题)
  • 判断给定点是否在根轨迹上
  • 由幅值条件求该点对应的 K
  • 说明相角条件与幅值条件各自的作用
常见易错
  • 把相角条件的 180° 写成 0°(正反馈时才用 0°)
  • 用幅值条件判点,搞混两个条件的用途
公式
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 选出在 ωc 等于 1 处提供最大相位超前角的装置(第5小题)
本卷实例
  • 关键一步:对每个装置的分子分母一次项反算最大超前角频率
  • 中间结果:最大超前角频率为两转折频率的几何平均
  • 卡点:把最大超前角频率与截止频率混为一谈
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
  • 本卷考过选出在 ωc 等于 1 处提供最大相位超前角的装置(第5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

2二、简答题三小题(每题5分,共15分)15 分#

思路
  • 三小问分别考自动控制的定义、用劳斯判据判断给定特征方程系统的稳定性、以及组合输入下的稳态误差,计算误差前先判稳。
本卷考法
  • 表述自动控制的定义(第1小题)
本卷实例
  • 关键一步:从无人直接参与、按预定规律运行两方面作答
  • 中间结果:核心是使被控量按预定要求自动变化
  • 卡点:只答反馈概念而漏掉无人直接参与会答不全
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
  • 本卷考过表述自动控制的定义(第1小题)
  • 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
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 对给定四阶特征方程用劳斯判据判断稳定性(第2小题)
本卷实例
  • 关键一步:按四阶系数列劳斯表并观察首列符号变化
  • 中间结果:首列出现负值说明右半平面存在正实根
  • 卡点:系数缺项时要补零,符号变化次数等于右半平面根数
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
  • 本卷考过对给定四阶特征方程用劳斯判据判断稳定性(第2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
  • 由开环传函判断系统型别并求静态误差系数(第3小题)
本卷实例
  • 关键一步:按开环中积分环节个数确定系统型别
  • 中间结果:Ⅰ型系统的速度误差系数由开环增益决定
  • 卡点:把开环增益直接当成静态误差系数是常见错误
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
  • 本卷考过由开环传函判断系统型别并求静态误差系数(第3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
本卷考法
  • 求组合输入 3t 加 t 平方下的稳态误差(第3小题)
本卷实例
  • 关键一步:把组合输入拆成斜坡与抛物线两项分别求误差
  • 中间结果:加速度误差分量与静态加速度误差系数有关
  • 卡点:未先判稳就用终值定理会得出错误结论
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
  • 本卷考过求组合输入 3t 加 t 平方下的稳态误差(第3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

3三、RC 无源网络求电容电压终值15 分#

思路
  • 由 RC 无源网络写电容电压与电源电压的关系,结合电容初始电压作拉氏变换,再由终值定理求电容电压的稳态值。
本卷考法
  • 由 RC 无源网络求电容电压对电源电压的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按电容电压与电阻压降之和等于电源电压列方程
  • 中间结果:得到一阶惯性形式传函,时间常数为阻容乘积
  • 卡点:电路以图给出,电容与电阻接法需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由 RC 无源网络求电容电压对电源电压的传递函数
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
本卷考法
  • 由微分方程与电容初始电压求全响应并取终值
本卷实例
  • 关键一步:把初始电容电压代入拉氏变换写成含初值的像函数
  • 中间结果:初值项使响应多出与初值成正比的衰减分量
  • 卡点:漏掉初始条件对应项会算错电容电压的过渡过程
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
  • 本卷考过由微分方程与电容初始电压求全响应并取终值
  • 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

4四、由结构图求传递函数15 分#

思路
  • 由结构图找出全部前向通路与闭合回路,用梅森公式写出输出对输入的传递函数,并写出主要化简步骤。
本卷考法
  • 用梅森公式由结构图求 C(s) 比 R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先枚举单独回路,再写各前向通路及其余子式
  • 中间结果:特征式为 1 减去各回路增益之和
  • 卡点:结构图以图给出,支路增益需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用梅森公式由结构图求 C(s) 比 R(s)
  • 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
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化简多回路结构图
本卷实例
  • 关键一步:按并联支路相加、反馈环取模的方式逐层化简
  • 中间结果:含前馈支路时化简结果分子为两条通路增益之和
  • 卡点:前馈支路易被漏掉,只按反馈环化简会出错
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化简多回路结构图
  • 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

5五、高阶系统降阶与动态性能指标20 分#

思路
  • 先判断闭环传函中的偶极子并约去,把系统近似为二阶形式,读出阻尼比与自然频率后按公式求超调量、峰值时间与调节时间。
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
  • 识别闭环偶极子并作主导极点降阶
本卷实例
  • 关键一步:比较零点与极点到虚轴的距离,判断能否对消
  • 中间结果:约去偶极子后高阶系统近似为典型二阶系统
  • 卡点:零点比极点更靠近虚轴时不能当成偶极子约去
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
  • 本卷考过识别闭环偶极子并作主导极点降阶
  • 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
  • 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
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
  • 由降阶后的传函读阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把降阶后的特征式对照标准二阶形式
  • 中间结果:常值项对应自然频率的平方
  • 卡点:降阶前须先把 s 平方项系数归一化
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
  • 本卷考过由降阶后的传函读阻尼比与自然频率
  • 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
  • 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
  • 求降阶系统的超调量、峰值时间与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比代入超调量与调节时间的标准公式
  • 中间结果:峰值时间由阻尼振荡频率的倒数乘 π 得到
  • 卡点:调节时间要看清题目给的是 2% 还是 5% 误差带
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
  • 本卷考过求降阶系统的超调量、峰值时间与调节时间
  • 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
  • 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

6六、180 度根轨迹绘制20 分#

思路
  • 由开环传函写零极点分布,按 180 度根轨迹法则求实轴段、分离点、复数极点出射角与虚轴交点,画出草图并写出主要步骤。
本卷考法
  • 按法则确定 180 度根轨迹的分支、实轴段与走向
本卷实例
  • 关键一步:由极点数与零点数定分支数,按奇偶判实轴段
  • 中间结果:一个零点两个极点时复数部分根轨迹呈圆弧
  • 卡点:实轴段判据的零极点个数要算对,不能只看一边
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 180 度根轨迹的分支、实轴段与走向
  • 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
  • 求根轨迹的分离点坐标
本卷实例
  • 关键一步:由开环零极点列分离点方程并筛出有效根
  • 中间结果:舍去不在根轨迹上的解后方可定出分离点
  • 卡点:解出的根必须代回实轴段条件筛选
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坐标
  • 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
  • 求复数极点的出射角
本卷实例
  • 关键一步:按相角条件减去其余零极点贡献的相角
  • 中间结果:出射角由其共轭极点与零点位置共同决定
  • 卡点:累加相角时不要把该极点自身的相角算进去
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
  • 判断根轨迹是否与虚轴相交及对应临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令闭环特征式中 s 等于 jω 后分离实部与虚部
  • 中间结果:由实虚部方程解出的正频率判断有无交点
  • 卡点:只代一个 ω 就下结论容易漏掉另一组解
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
  • 本卷考过判断根轨迹是否与虚轴相交及对应临界增益
  • 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

7七、奈奎斯特判据判稳20 分#

思路
  • 先写开环频率特性的幅频与相频表达式并画幅相曲线,数开环右半平面极点数与曲线对临界点的包围次数,再由奈奎斯特判据判断闭环稳定性。
本卷考法
  • 求开环传函的幅频与相频表达式并绘制幅相曲线
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω 后分离实部与虚部求幅值和相角
  • 中间结果:积分环节使低频幅值趋于无穷、相角从 −180 度起
  • 卡点:相角累加时不要漏掉两个积分环节的 −180 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
  • 本卷考过求开环传函的幅频与相频表达式并绘制幅相曲线
  • 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
  • 由开环右半平面极点数与包围次数判闭环稳定
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再定对临界点的包围次数
  • 中间结果:闭环右半平面极点数等于开环极点数减两倍包围次数
  • 卡点:包围方向与负穿越的定义容易反,须先统一正方向
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
  • 本卷考过由开环右半平面极点数与包围次数判闭环稳定
  • 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

8八、由对数幅频特性反求开环传函20 分#

思路
  • 由最小相位系统的对数渐近幅频特性读低频段高度与各转折频率,按斜率变化定环节类型,写出开环传函并检验与曲线是否吻合。
本卷考法
  • 由对数渐近幅频特性反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先由低频段斜率定系统型别与开环增益
  • 中间结果:各转折频率处的斜率变化对应相应典型环节
  • 卡点:低频段高度要按型别折算,不能直接读成交点增益
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
  • 本卷考过由对数渐近幅频特性反求开环传递函数
  • 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
  • 由转折频率处的斜率变化识别所含典型环节
本卷实例
  • 关键一步:按斜率每次变化 −20 或 −40 判断一阶或二阶环节
  • 中间结果:出现 −40 变化时要区分两个一阶与一个二阶
  • 卡点:把 −40 的斜率变化直接写成一个惯性环节会出错
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
  • 本卷考过由转折频率处的斜率变化识别所含典型环节
  • 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
本卷考法
  • 利用最小相位条件确定开环传函的零点相位
本卷实例
  • 关键一步:最小相位系统的幅频与相频一一对应,可由幅频唯一确定
  • 中间结果:无右半平面零极点,故各环节符号取正
  • 卡点:非最小相位时不能用幅频唯一确定传函
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过利用最小相位条件确定开环传函的零点相位
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈