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安徽大学 831 控制原理 2016 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等 全卷十题,依次为多回路结构图求闭环传函、二阶系统阶数与阻尼及阶跃响应、持续振荡条件求参数、含初值二阶系统阶跃响应、零度根轨迹与衰减振荡K范围、频率特性物理意义求稳态输出与误差、奈氏判据判稳、串联超前校正设计、复合校正前馈与串联校正设计、采样系统临界增益与响应。均为计算题,无选择填空;卷面未印大题分值,仅部分小题印分。

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1一、多回路结构图求闭环传函#

思路
  • 把结构图改画为信号流图,找出三条独立回路与从R到C的前向通路,用梅森增益公式求Φ(s)=C(s)/R(s)。
本卷考法
  • 由多回路结构图用梅森公式求Φ(s)=C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先数回路写特征式,再数前向通路及其余子式
  • 中间结果:两条回路互不接触,特征式含不接触回路乘积修正
  • 卡点:不接触回路容易漏计,结构图需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由多回路结构图用梅森公式求Φ(s)=C(s)/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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 多回路结构图逐层化简
本卷实例
  • 关键一步:从最内层反馈环开始等效再向外合并
  • 中间结果:化简后分母含三条回路增益与二次修正项
  • 卡点:比较点与引出点位置需回原卷核对图
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
  • 本卷考过多回路结构图逐层化简
  • 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
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 串联、并联与反馈等效
本卷实例
  • 关键一步:把并联支路先相加,再套负反馈公式
  • 中间结果:前向通路可写成两个并联环节之和
  • 卡点:负反馈分母写成1加GH而不是1减GH
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
  • 本卷考过串联、并联与反馈等效
  • 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

2二、二阶系统阶数阻尼与阶跃响应#

思路
  • 先写闭环传函与特征方程判断阶数与稳定性,再化为二阶标准形式求阻尼比并判断是否存在振荡周期,最后部分分式反变换求单位阶跃响应。
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
  • 第(1)(2)问由闭环传函求阶数与阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:先写闭环特征方程,再把传函化为二阶标准形式
  • 中间结果:由ωn平方与二倍ξωn两个关系解阻尼比
  • 卡点:不能直接用开环传函,必须先求闭环
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
  • 本卷考过第(1)(2)问由闭环传函求阶数与阻尼比
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 第(1)问判断闭环系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求闭环特征根或列劳斯表检查首列
  • 中间结果:两个特征根均为负实根时系统稳定
  • 卡点:开环有右半平面极点不影响闭环判稳结论
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
  • 本卷考过第(1)问判断闭环系统稳定性
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 第(2)问判断是否存在振荡周期与频率
本卷实例
  • 关键一步:阻尼比大于等于1时响应单调,无振荡周期
  • 中间结果:过阻尼时响应由两个实指数模态叠加
  • 卡点:一见二阶就套欠阻尼公式会答错
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
  • 本卷考过第(2)问判断是否存在振荡周期与频率
  • 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
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 第(3)问求单位阶跃响应
本卷实例
  • 关键一步:部分分式展开后逐项拉氏反变换
  • 中间结果:响应等于1加两个衰减指数项的组合
  • 卡点:部分分式系数可用留数法,注意稳态项为1
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
  • 本卷考过第(3)问求单位阶跃响应
  • 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
  • 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

3三、持续振荡条件求参数#

思路
  • 写闭环特征方程,令s=j2代入并分为实部与虚部两个方程,联立解出k与a。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由持续振荡条件确定两个未知参数
本卷实例
  • 关键一步:令闭环特征方程有纯虚根s=j2,实部与虚部分别为零
  • 中间结果:把三次特征方程整理为待定系数形式
  • 卡点:纯虚根频率由题给2弧度每秒,勿代错
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
  • 本卷考过由持续振荡条件确定两个未知参数
  • 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
赫尔维茨判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用赫尔维茨或劳斯判据理解临界条件
本卷实例
  • 关键一步:临界稳定对应特征方程出现纯虚根
  • 中间结果:两个方程可解两个未知量
  • 卡点:只令虚部为零会漏掉实部约束
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由特征方程系数构造赫尔维茨行列式
  • 各阶主子式全部大于零 ⇔ 系统稳定
  • 与劳斯判据等价,适合阶数较低时使用
步骤
  • 由特征方程系数写出赫尔维茨行列式
  • 依次计算各阶主子式
  • 令全部主子式大于零得到稳定条件
通用考法
  • 本卷考过用赫尔维茨或劳斯判据理解临界条件
  • 用赫尔维茨判据判断稳定性
  • 比较两种代数判据的适用场合
常见易错
  • 行列式构造时系数下标写错
  • 只验证到二阶主子式就下结论
公式
本卷考法
  • 由虚轴交点求临界参数
本卷实例
  • 关键一步:把s=jω代入特征方程消去ω
  • 中间结果:临界参数与振荡频率成对出现
  • 卡点:解完要回代原特征方程验证
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
  • 本卷考过由虚轴交点求临界参数
  • 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
  • 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

4四、含初值的二阶系统阶跃响应#

思路
  • 由闭环传函写二阶微分方程,作带初值的拉氏变换,把初值项移到方程右端,分离零状态与零输入分量后反变换。
本卷考法
  • 由闭环传函与初值c(0)=-1、ċ(0)=0求单位阶跃全响应
本卷实例
  • 关键一步:对微分方程作带初值拉氏变换,初值项移到右端
  • 中间结果:C(s)由零状态项与含初值的零输入项叠加
  • 卡点:初值项符号易错,分子出现s的一次项与常数项
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
  • 本卷考过由闭环传函与初值c(0)=-1、ċ(0)=0求单位阶跃全响应
  • 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
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由部分分式反变换求阶跃响应
本卷实例
  • 关键一步:把零状态项展开为三个一阶极点项
  • 中间结果:响应等于稳态1加两个衰减指数项
  • 卡点:部分分式系数用留数法求,注意稳态值为1
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
  • 本卷考过由部分分式反变换求阶跃响应
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 由极点分布判断全响应模态
本卷实例
  • 关键一步:两个负实极点对应两个衰减指数模态
  • 中间结果:零输入分量也是同一组模态的线性组合
  • 卡点:零输入与零状态分别反变换后再相加
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
  • 本卷考过由极点分布判断全响应模态
  • 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

5五、零度根轨迹与衰减振荡K范围#

思路
  • 把开环写成负号提出的形式识别为正反馈零度根轨迹,求实轴段、分离点与虚轴交点;再由响应为衰减振荡对应根轨迹离开实轴到虚轴之间确定k范围。
本卷考法
  • 第(1)问绘制G(s)=k(1-s)/[s(s+2)]的零度根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把开环改写为负k乘(s-1)除以s(s+2),按零度根轨迹处理
  • 中间结果:开环零点在s=1,实轴段为[-2,0]与[1,正无穷)
  • 卡点:零度根轨迹相角条件为0度,勿用180度
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
  • 本卷考过第(1)问绘制G(s)=k(1-s)/[s(s+2)]的零度根轨迹
  • 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
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 第(1)问求分离点
本卷实例
  • 关键一步:由分离点方程求根并筛去不在实轴根轨迹上的解
  • 中间结果:两个候选分离点一在段内一在段外
  • 卡点:舍去不在实轴根轨迹段上的分离点
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
  • 本卷考过第(1)问求分离点
  • 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
本卷考法
  • 第(2)问求单位阶跃响应衰减振荡时的k范围
本卷实例
  • 关键一步:衰减振荡对应闭环极点为共轭复根,介于分离点与虚轴之间
  • 中间结果:由幅值条件求分离点与虚轴交点两处临界增益
  • 卡点:根轨迹增益与题目k差一个负号,勿直接抄
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
  • 本卷考过第(2)问求单位阶跃响应衰减振荡时的k范围
  • 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、频率特性物理意义求稳态输出与误差#

思路
  • 把ω=2代入闭环频率特性求幅频与相频,写出稳态输出;再由误差传函为1减Φ(s)求误差的幅频与相频,写出稳态误差。
本卷考法
  • 由闭环频率特性求正弦输入的稳态输出
本卷实例
  • 关键一步:把输入角频率代入闭环传函求模与相角
  • 中间结果:稳态输出幅值为输入幅值乘闭环幅频
  • 卡点:相角为输入相位加闭环相频,注意负号
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
  • 本卷考过由闭环频率特性求正弦输入的稳态输出
  • 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
本卷考法
  • 单位反馈下由误差传函求稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:误差传函为1减Φ(s),代入同一角频率求模与相角
  • 中间结果:误差也是与输入同频率的正弦量
  • 卡点:误差定义要按E=R-C,不能写成R/H-C
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
  • 本卷考过单位反馈下由误差传函求稳态误差
  • 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
  • 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
  • 由闭环特征方程判断系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征方程并检查系数或求根
  • 中间结果:特征根均在左半平面时稳态响应有意义
  • 卡点:未判稳就写稳态正弦量会出错
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方程判断系统稳定性
  • 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

7七、奈氏判据判稳#

思路
  • 由开环传函求ω趋于0、无穷与穿越负实轴时的特征值,概略画奈氏曲线;再数开环右半平面极点数P并用Z=P-2N判断闭环稳定性。
本卷考法
  • 第(1)问由开环传函画概略奈氏曲线
本卷实例
  • 关键一步:分别求起点、终点与负实轴交点处的幅值和相角
  • 中间结果:开环有一个右半平面极点,曲线起点相角特殊
  • 卡点:起点相位需按不稳定环节单独判断
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
  • 本卷考过第(1)问由开环传函画概略奈氏曲线
  • 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
  • 第(2)问用奈氏判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数P,再由曲线对负1点的正负穿越求N
  • 中间结果:用Z=P-2N判断闭环右半平面极点数
  • 卡点:含积分环节时要补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过第(2)问用奈氏判据判断闭环稳定性
  • 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
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由临界增益理解稳定性变化
本卷实例
  • 关键一步:令曲线穿过负1点求临界k
  • 中间结果:以临界k为界分别数正负穿越
  • 卡点:正负穿越符号定义要按教材统一
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
  • 本卷考过由临界增益理解稳定性变化
  • 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、串联超前校正设计#

思路
  • 先由校正后开环增益要求求未校正系统的截止频率与相角裕度,确定需要补偿的超前角;再用最大超前角公式求a、由幅频条件求新截止频率与时间常数,最后校验。
本卷考法
  • 先算未校正系统截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由K=12写开环传函,令模为1求截止频率
  • 中间结果:未校正相角裕度小于指标要求,需要超前校正
  • 卡点:截止频率会因校正而变化,补偿角要加附加损失
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
  • 本卷考过先算未校正系统截止频率与相角裕度
  • 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
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联超前校正装置
本卷实例
  • 关键一步:由最大超前角求a,再由幅频条件求新截止频率与T
  • 中间结果:最大超前角发生在两转折频率几何中点
  • 卡点:a与超前角公式方向勿取反,T由几何中心求
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
  • 本卷考过设计串联超前校正装置
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 校正后重新求相角裕度并校验
本卷实例
  • 关键一步:用校正后开环传函求新的截止频率与相角裕度
  • 中间结果:校验值应大于等于40度指标
  • 卡点:只算参数不校验可能不满足指标
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
  • 本卷考过校正后重新求相角裕度并校验
  • 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

9九、复合校正前馈与串联校正设计#

思路
  • 设串联校正装置Gc2使系统成为一型以满足阶跃跟踪零误差,再由扰动到输出的传函恒为零解出前馈补偿器Gc1,并检查闭环稳定性。
本卷考法
  • 设计前馈补偿装置Gc1使输出不受扰动N影响
本卷实例
  • 关键一步:令N到C的传函分子恒为零,比较系数求Gc1
  • 中间结果:扰动不变性给出Gc1等于(s加K1)除以K1
  • 卡点:前馈补偿器含微分时需说明可实现条件
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过设计前馈补偿装置Gc1使输出不受扰动N影响
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式
本卷考法
  • 设计串联校正Gc2使阶跃跟踪误差为零
本卷实例
  • 关键一步:跟踪阶跃无差要求系统至少为一型,取Gc2含积分环节
  • 中间结果:串联校正后开环型别提升,稳态误差为零
  • 卡点:提升型别后要重新检查稳定性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 提高开环增益可减小有差系统的误差,但会削弱稳定性
  • 增加积分环节可提高型别,代价是相位滞后与超调增大
  • 采用复合控制或前馈补偿可在不影响稳定性的前提下减小误差
  • 采用扰动补偿可提高扰动不变性
步骤
  • 判断误差来源是输入型别不足还是增益太小
  • 按需选择提高增益、增加积分或加入补偿器
  • 校验补偿后系统仍然稳定
  • 重新计算稳态误差确认达标
通用考法
  • 本卷考过设计串联校正Gc2使阶跃跟踪误差为零
  • 分析提高开环增益对误差与稳定性的双重影响
  • 设计前馈补偿器实现给定信号不变性
  • 说明为何单纯提高增益不可行
常见易错
  • 只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 把增加积分环节的影响单一化,忽略超调
公式
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由劳斯判据求参数稳定条件
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征多项式并列出首列不等式
  • 中间结果:稳定条件化为K1、K2、T的不等式
  • 卡点:稳定性约束与前馈参数要一起满足
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
  • 本卷考过由劳斯判据求参数稳定条件
  • 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

10十、采样系统临界增益与阶跃响应#

思路
  • 对含零阶保持器的连续部分求开环脉冲传函,写闭环特征方程并由极点模小于1求K范围;再令K=1求闭环脉冲传函与单位阶跃响应序列,并由静态位置误差系数求稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 第(1)问求含零阶保持器的开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先对(1-e的负Ts)除以s乘G(s)作z变换
  • 中间结果:T=1时结果含e的负1次对应的常数系数
  • 卡点:不能直接对G(s)作z变换,必须带零阶保持器
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
  • 本卷考过第(1)问求含零阶保持器的开环脉冲传函
  • 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
  • 第(1)问由闭环极点模小于1求临界增益
本卷实例
  • 关键一步:写闭环特征方程,令特征根在单位圆内
  • 中间结果:临界增益对应极点落在单位圆上
  • 卡点:临界增益要区分稳定开区间端点
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
  • 本卷考过第(1)问由闭环极点模小于1求临界增益
  • 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
  • 第(3)问求阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由静态位置误差系数Kp求ess
  • 中间结果:阶跃误差为1除以(1加Kp)
  • 卡点:第(3)问未说明在K=1条件下,不能直接代K=1
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
  • 本卷考过第(3)问求阶跃输入下的稳态误差
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 第(2)问求单位阶跃响应c(kT)
本卷实例
  • 关键一步:由闭环脉冲传函乘R(z)后长除或反变换
  • 中间结果:输出序列在采样点上的值
  • 卡点:长除时按z的负幂次排列,勿漏首项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过第(2)问求单位阶跃响应c(kT)
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式