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天津工业大学 811 自动控制理论(含现控) 2022 年真题思维导图

强势双非共 8 题

难度:中等 全卷 8 个大题,卷首未印共 N 题、两源均未逐题标分。八题依次为方框图双输入求传函、含参数方框图的二阶性能与斜坡稳态误差、串联滞后校正设计、非线性系统相平面相轨迹、传函化三种标准型状态方程、李雅普诺夫第二法求参数范围、参数根轨迹与稳定及重根条件、最小相位系统奈氏判稳。三处以上题面为原卷插图,需回原卷核对。

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1一、方框图双输入求闭环传函(原卷有图)#

思路
  • 对参考与扰动分别用梅森公式求 C/R 与 C/N,再按叠加写出 C(s) 表达式。
本卷考法
  • 求参考输入与扰动输入两条通道的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:分别令 R 为零与 N 为零,拆成两条独立通道
  • 中间结果:两条通道共用同一个闭环特征式
  • 卡点:方框图以原卷插图给出,回路走向需回原卷核对
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
  • 本卷考过求参考输入与扰动输入两条通道的闭环传函
  • 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未把参考输入置零
  • 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
本卷考法
  • 用梅森公式写特征式与各前向通路
本卷实例
  • 关键一步:先数全部单独回路写出特征式,再逐条找前向通路
  • 中间结果:无互不接触回路时特征式为一加各回路增益之和
  • 卡点:扰动到输出的前向通路可能不止一条
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写特征式与各前向通路
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 按反馈等效写各回路的闭环增益
本卷实例
  • 关键一步:每个反馈回路按分子比一加回路增益处理
  • 中间结果:并联前向支路在分子相加
  • 卡点:化简结果应与整体信号流图自洽
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
  • 本卷考过按反馈等效写各回路的闭环增益
  • 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
  • 本卷考过负反馈分母误写成减回路增益
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
公式

2二、方框图参数与二阶性能及稳态误差(原卷有图)#

思路
  • 化简结构图得开环与闭环传函,按参数求阻尼比与自然频率,再算超调量、调节时间与斜坡稳态误差。
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 化简含局部反馈的结构图求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先合并内环再与外环串联
  • 中间结果:闭环特征式含参数 α 与 k1 的一次项系数
  • 卡点:结构图以原卷插图给出,需回原卷核对
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
  • 本卷考过化简含局部反馈的结构图求闭环传函
  • 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
  • 本卷考过化简内环时把外环输入当常数
  • 把负反馈的分母写成 1-GH
  • 并联环节相减时符号取反
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
  • 由闭环特征多项式求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把特征多项式与二阶标准式逐项对应
  • 中间结果:常数项开根得自然频率,一次项系数对应二倍乘积
  • 卡点:k1 变化时自然频率与阻尼比同时改变
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
  • 本卷考过由闭环特征多项式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
  • 本卷考过二阶项系数未归一就取常数项
  • 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
  • 求超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:按欠阻尼公式代入阻尼比与自然频率
  • 中间结果:超调量只由阻尼比决定
  • 卡点:调节时间按百分之五误差带取三倍半除实部
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
  • 本卷考过调节时间按不同误差带取了错误系数
  • 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
  • 求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写出误差传函后用终值定理求极限
  • 中间结果:单位斜坡误差等于误差传函对应常数之比
  • 卡点:该题误差按参考减输出定义
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
  • 本卷考过求单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由给定阻尼比反求结构参数 α
本卷实例
  • 关键一步:由期望阻尼比套入二倍乘积关系反解 α
  • 中间结果:α 只出现在一次项系数中,可单独解出
  • 卡点:两小问的参数定义要区分清楚
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
  • 本卷考过由给定阻尼比反求结构参数 α
  • 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
  • 本卷考过解出 α 后未代回重算稳态误差
  • 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

3三、串联滞后校正装置设计#

思路
  • 由斜坡稳态误差要求定开环增益,算未校正系统相角裕度,按滞后校正步骤选新截止频率与转折频率。
本卷考法
  • 由单位斜坡稳态误差要求确定开环增益
本卷实例
  • 关键一步:按一型系统斜坡误差等于速度误差系数倒数列式
  • 中间结果:由误差上界定出开环增益的下限
  • 卡点:滞后校正保持低频增益故先定增益
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确定开环增益
  • 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
  • 本卷考过把稳态误差要求错误套到其他型别公式
  • 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
  • 计算校正前相角裕度并判断主要缺陷
本卷实例
  • 关键一步:求未校正系统截止频率并代入相频表达式
  • 中间结果:相角裕度不足而截止频率较高说明适合滞后校正
  • 卡点:要先明确指标是相角裕度还是带宽
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 校正是在系统中引入附加装置以改善性能
  • 串联校正、反馈校正与复合校正是三种基本形式
  • 时域指标与频域指标存在对应关系
  • 校正通常以相角裕度、开环增益与穿越频率为目标
步骤
  • 由指标要求确定目标相角裕度与穿越频率
  • 画出未校正系统的 Bode 图
  • 比较未校正特性与目标要求的差距
  • 选择校正方式并计算校正装置参数
通用考法
  • 本卷考过计算校正前相角裕度并判断主要缺陷
  • 说明串联校正与反馈校正的适用场合
  • 把时域指标折算为频域指标
  • 分析未校正系统的主要缺陷
常见易错
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率混用
  • 把截止频率与相位穿越频率混用
  • 只盯相角裕度而忽略带宽要求
公式
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联滞后校正装置并写出传函
本卷实例
  • 关键一步:在满足相角裕度的频率处令幅值下降量为衰减量
  • 中间结果:衰减量定衰减系数,转折频率按新截止频率的十分之一与十倍取
  • 卡点:新截止频率处要留出补偿角
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
  • 本卷考过设计串联滞后校正装置并写出传函
  • 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
  • 本卷考过转折频率取得过高抵消增益改善
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 校验校正后的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:把校正后开环传函在新截止频率处求相角
  • 中间结果:相角裕度等于一百八十度加该相角
  • 卡点:忽略截止频率变化会高估相角裕度
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
  • 本卷考过校验校正后的相角裕度
  • 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
  • 本卷考过校验时仍用校正前的开环传函
  • 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

4四、非线性系统相平面法画相轨迹(原卷有图)#

思路
  • 按饱和环节分区写出误差微分方程,用相轨迹斜率方程分区积分,由初始条件拼接出完整相轨迹。
本卷考法
  • 写出饱和非线性环节的分区输出表达式
本卷实例
  • 关键一步:按误差绝对值是否超过给定值把特性分成三段
  • 中间结果:线性区输出正比于误差,饱和区输出为常数
  • 卡点:阶跃输入下初始误差位于饱和区
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
  • 本卷考过写出饱和非线性环节的分区输出表达式
  • 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
  • 本卷考过误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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 用作相变量在相平面上分区积分画相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:用二阶导比一阶导消去时间并分区积分
  • 中间结果:饱和区相轨迹接近直线,线性区呈对数形式
  • 卡点:相轨迹在分区边界要平滑对接
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过用作相变量在相平面上分区积分画相轨迹
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 本卷考过相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 说明非线性系统相轨迹的主要特点
本卷实例
  • 关键一步:按分区线性化后逐段拼接相轨迹
  • 中间结果:各区奇点类型由该区特征根决定
  • 卡点:非线性相轨迹形状随初始条件改变
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
  • 本卷考过说明非线性系统相轨迹的主要特点
  • 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
  • 本卷考过把线性系统的结论直接照搬到非线性系统
  • 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

5五、传递函数化三种标准型状态方程#

思路
  • 把传函化为首一真分式,分别按能控标准型、能观标准型与对角型的构造规则写出状态方程与输出方程。
本卷考法
  • 由传递函数写能控标准型与能观标准型
本卷实例
  • 关键一步:先把 s 平方项系数归一化并分离直接项
  • 中间结果:能控型友矩阵系数取分母低次到高次并取负
  • 卡点:输出方程要按分子系数排列
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 同一传递函数可对应无穷多个状态空间实现
  • 常用能控标准型、能观标准型与对角标准型
  • 能控标准型的 A 阵为友矩阵形式
  • 最小实现要求系统既能控又能观
步骤
  • 把传递函数化为真分式,分离直接项 D
  • 按标准型规则写出 A、B、C、D
  • 必要时用线性变换换成其他标准型
通用考法
  • 本卷考过由传递函数写能控标准型与能观标准型
  • 由传递函数写出能控标准型
  • 由传递函数写出能观标准型
  • 判断给定的实现是否为最小实现
常见易错
  • 本卷考过友矩阵中系数符号写反
  • 真分式化分时直接项 D 处理错误
  • 友矩阵中系数符号写反
公式
本卷考法
  • 由传递函数部分分式展开写对角型状态方程
本卷实例
  • 关键一步:把真分式按极点作部分分式展开
  • 中间结果:对角型状态矩阵由各极点组成,输入矩阵为各留数
  • 卡点:有重极点时对角型需改为约当型
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 同一传递函数可对应无穷多个状态空间实现
  • 常用能控标准型、能观标准型与对角标准型
  • 能控标准型的 A 阵为友矩阵形式
  • 最小实现要求系统既能控又能观
步骤
  • 把传递函数化为真分式,分离直接项 D
  • 按标准型规则写出 A、B、C、D
  • 必要时用线性变换换成其他标准型
通用考法
  • 本卷考过由传递函数部分分式展开写对角型状态方程
  • 由传递函数写出能控标准型
  • 由传递函数写出能观标准型
  • 判断给定的实现是否为最小实现
常见易错
  • 本卷考过部分分式分解时漏项或系数算错
  • 真分式化分时直接项 D 处理错误
  • 友矩阵中系数符号写反
公式
本卷考法
  • 比较三种实现对应的传递函数是否一致
本卷实例
  • 关键一步:由状态空间表达式写出特征式与传递函数比对
  • 中间结果:同一传函的不同最小实现给出相同传递函数
  • 卡点:注意对角型输入矩阵的留数要与极点对应
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由状态空间求传递函数为 C(sI-A)^{-1}B+D
  • 传递函数只反映能控能观子系统,含零极点对消
  • 系统的特征值等于传递函数的极点
  • 同一传递函数对应的状态空间实现不唯一
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 按公式求 G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D
  • 与已知传递函数比对,判断是否发生零极点对消
通用考法
  • 本卷考过比较三种实现对应的传递函数是否一致
  • 由状态空间表达式求传递函数
  • 判断状态空间实现是否存在零极点对消
  • 比较不同实现对应的传递函数是否相同
常见易错
  • 本卷考过以为不同实现对应的传函不同
  • 漏掉直接传递项 D
  • 把特征值个数与传递函数极点数直接等同而不检查对消
公式

6六、李雅普诺夫第二法确定参数范围#

思路
  • 取正定二次型李雅普诺夫函数,沿系统轨线求全导数,由导数负定且径向无界定出大范围渐近稳定的参数范围。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 构造李雅普诺夫函数判断平衡点的大范围渐近稳定
本卷实例
  • 关键一步:取二次型函数并沿状态方程求全导数
  • 中间结果:导数可整理成含参数的二次型,按其负定条件定范围
  • 卡点:还要检查状态范数趋于无穷时函数是否也趋于无穷
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
  • 本卷考过构造李雅普诺夫函数判断平衡点的大范围渐近稳定
  • 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
  • 本卷考过只判断函数正定未检查导数符号
  • 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
本卷考法
  • 由参数范围说明非线性系统稳定性的改善
本卷实例
  • 关键一步:把导数负定的条件化成对参数的约束
  • 中间结果:满足约束时平衡状态在全平面渐近稳定
  • 卡点:参数取边界值时导数非负定,结论要单独说明
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过由参数范围说明非线性系统稳定性的改善
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 本卷考过仅调整参数而不检查是否出现新的自振点
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振

7七、参数根轨迹与稳定、重根条件(原卷有图)#

思路
  • 把闭环特征方程整理成标准根轨迹形式,按法则画轨迹,由劳斯表求稳定范围、由分离点求重根增益。
本卷考法
  • 画含右半平面零点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先写成幅值与相角条件再标开环零极点
  • 中间结果:实轴段与渐近线由零极点分布决定
  • 卡点:开环传函需先合并为 5k*(s-1) 比 (s+2) 平方乘 (s+5)
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
  • 本卷考过画含右半平面零点的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过忽略开环右半平面零点对轨迹的吸引
  • 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
  • 由分离点求系统具有重根时的增益
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程把增益写成 s 的显式再令导数为零
  • 中间结果:分离点方程两根中只有一根落在实轴轨迹段
  • 卡点:落在轨迹上的那个根才是真分离点
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
  • 本卷考过由分离点求系统具有重根时的增益
  • 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
  • 本卷考过两个分离点对应的增益取错
  • 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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征方程列劳斯表并由辅助方程求交点
  • 中间结果:首列全为正时系统稳定
  • 卡点:该题临界点处辅助方程的根为零
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稳定增益范围
  • 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
  • 本卷考过辅助方程给出的交点未与增益对应
  • 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
  • 由根轨迹确定闭环稳定的增益区间
本卷实例
  • 关键一步:取轨迹全部位于左半平面对应的增益区间
  • 中间结果:稳定性由轨迹穿越虚轴处的增益界定
  • 卡点:增益区间端点要对应特征方程的具体情况
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闭环稳定的增益区间
  • 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
  • 本卷考过把重根对应的增益误当成稳定上界
  • 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

8八、最小相位系统奈氏判稳(原卷有图)#

思路
  • 由开环幅相曲线数包围临界点的圈数与开环右半平面极点数,用奈氏判据判稳,再由交点增益求稳定范围。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈氏判据判断系统闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再数曲线包围临界点的圈数
  • 中间结果:由包围圈数与极点数之差确定右半平面闭环极点数
  • 卡点:正负穿越要按曲线走向分别统计
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闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过三个积分环节未补画无穷大半径圆弧
  • 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
  • 由开环幅相曲线读取交点的幅值信息
本卷实例
  • 关键一步:由低频与高频段相角判断起点与终点走向
  • 中间结果:曲线与负实轴交点决定临界增益
  • 卡点:幅相曲线由原卷插图给出,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由开环幅相曲线读取交点的幅值信息
  • 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
  • 本卷考过把曲线起点与终点的相角记反
  • 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
  • 由最小相位条件说明幅频与相频的关系
本卷实例
  • 关键一步:先确认系统无右半平面零极点
  • 中间结果:最小相位系统的幅频与相频可互相推导
  • 卡点:含积分环节时起始相角要按型别取
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
  • 本卷考过由最小相位条件说明幅频与相频的关系
  • 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
  • 本卷考过以为幅频特性可唯一确定任意系统的传函
  • 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