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北京工业大学 821 自动控制原理 2025 年真题思维导图

211 院校共 11 题

难度:中等 全卷11题,未出现状态空间、电力拖动、过程控制与最优控制内容。覆盖电路复阻抗建模、多回路方框图化简、R与N双输入误差、由阶跃响应反求二阶参数、临界增益与极点实部限制、根轨迹绘制与欠阻尼范围、相角裕度极值与对数幅频、串联超前校正、由Bode图反求传函并算裕度、非线性相平面等倾线与奇点、离散系统脉冲传函与稳定性。含图题较多,卷面未标每题分值。

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1一、电路复阻抗求传递函数#

思路
  • 对电路图按复阻抗法列出分压或节点方程,消去中间变量后整理成输出与输入的比值
本卷考法
  • 由电路图用复阻抗法求 Uo(s)/Ui(s)
本卷实例
  • 关键一步:把各元件换成复阻抗,按分压或节点电流列方程
  • 中间结果:比值由两个 s 多项式相除给出,阶次随储能元件个数升高
  • 卡点:电路拓扑未读图,元件串并联方式需回原卷核对
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
  • 本卷考过由电路图用复阻抗法求 Uo(s)/Ui(s)
  • 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
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 把电路网络整理为输出对输入的网络函数
本卷实例
  • 关键一步:判断无源还是有源网络后选择分压法或虚短虚断
  • 中间结果:网络函数分母为表征网络结构的 s 多项式
  • 卡点:若含运放,负号与反馈支路需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过把电路网络整理为输出对输入的网络函数
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式

2二、方框图求闭环传递函数#

思路
  • 两小问各给一个方框图,先判断回路层数,再用逐层化简或梅森公式写出 C(s)/R(s)
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 用逐层化简求多回路方框图的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先定最内环,把内环化成等效环节后再向外化简
  • 中间结果:每化一环绕过一个比较点,最终化成单回路
  • 卡点:比较点引出的支路条数容易漏乘
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
  • 本卷考过用逐层化简求多回路方框图的闭环传函
  • 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
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
本卷考法
  • 用梅森公式数前向通路与独立回路
本卷实例
  • 关键一步:先列出全部回路,再按两两不接触逐层写特征式
  • 中间结果:特征式由单回路、两两不接触与三三不接触项累加
  • 卡点:余子式里要剔除与通路接触的回路
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数前向通路与独立回路
  • 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
  • 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
  • 把串联、并联与反馈环节等效合并
本卷实例
  • 关键一步:按串联相乘、并联相加、反馈取前向比一加开环
  • 中间结果:等效环节的分子分母次数由参与合并的环节决定
  • 卡点:反馈等效时分清正负反馈与 H(s) 的位置
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
  • 本卷考过把串联、并联与反馈环节等效合并
  • 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

3三、R 与 N 同时作用下的误差#

思路
  • 用叠加原理分别求 R 到误差与 N 到误差的传递函数,再代入给定输入与扰动信号取终值
本卷考法
  • 分别求 R 与 N 到误差的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用叠加原理,每次只保留一个输入并令另一个为零
  • 中间结果:总误差为给定误差与扰动误差的代数和
  • 卡点:求扰动通道时容易忘记把参考输入置零
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
  • 本卷考过分别求 R 与 N 到误差的传递函数
  • 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
  • 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
  • 写出误差定义下的误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按题意确定误差取在输入端还是反馈端
  • 中间结果:误差传函由前向通路与反馈通路共同决定
  • 卡点:非单位反馈时两种误差定义相差一个反馈环节
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
  • 本卷考过写出误差定义下的误差传递函数
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 求扰动作用引起的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,写出扰动到误差的传函再取终值
  • 中间结果:扰动稳态误差取决于扰动点前的前向增益
  • 卡点:扰动与给定引起的误差需分别算再叠加
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
  • 本卷考过求扰动作用引起的稳态误差
  • 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

4四、由阶跃响应反求二阶系统参数#

思路
  • 对阶跃响应取拉氏变换再除以 1/s 得闭环传函,归一化后读出自然频率与阻尼比,最后按组合输入求稳态误差
本卷考法
  • 由阶跃响应表达式反求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:对响应取拉氏变换再除以阶跃输入的 1/s
  • 中间结果:分母由响应中两个衰减指数对应的一阶因式相乘
  • 卡点:稳态值不是一时不能直接把终值当作增益
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
  • 本卷考过由阶跃响应表达式反求闭环传函
  • 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
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
  • 由闭环传函读出阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把分母首项系数归一化后与标准二阶形式比对系数
  • 中间结果:两个闭环极点都落在负实轴上,阻尼比大于一
  • 卡点:阻尼比大于一时属过阻尼,不能套欠阻尼指标公式
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读出阻尼比与自然频率
  • 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
本卷考法
  • 求阶跃与斜坡组合输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:分别算阶跃分量与斜坡分量引起的误差再叠加
  • 中间结果:误差传函含因子 s,斜坡分量对应有限速度误差
  • 卡点:用终值定理前要先确认闭环极点都在左半平面
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
  • 本卷考过求阶跃与斜坡组合输入下的稳态误差
  • 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
  • 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

5五、临界增益与极点实部限制#

思路
  • 先由等幅振荡条件求临界 K,再把虚轴平移到 s 等于负二后重列劳斯表,由首列同号求 K 的范围
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求等幅振荡对应的临界 K
本卷实例
  • 关键一步:列闭环特征方程的劳斯表并令首列某元素为零
  • 中间结果:临界 K 对应特征根落在虚轴上
  • 卡点:等幅振荡是临界稳定,不是渐近稳定
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
  • 本卷考过用劳斯判据求等幅振荡对应的临界 K
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 移位后求闭环极点实部小于负二的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:令新变量等于原变量加二,把边界平移到虚轴再列劳斯表
  • 中间结果:移位后的首列同号条件对应原极点的实部限制
  • 卡点:平移方向容易取反,代回原变量时要验算
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
  • 本卷考过移位后求闭环极点实部小于负二的 K 范围
  • 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
  • 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

6六、根轨迹绘制与欠阻尼范围#

思路
  • 按开环零极点画根轨迹,定实轴段、渐近线与分离点,再由闭环特征方程判别式或等阻尼线求欠阻尼 Kg 范围
本卷考法
  • 按绘制法则画开环根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先判实轴段,再算渐近线交点与夹角
  • 中间结果:两条分支分别终于开环零点与无穷远
  • 卡点:实轴段右侧零极点个数要按奇数判
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
  • 本卷考过按绘制法则画开环根轨迹
  • 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
  • 求根轨迹的分离点与会合点
本卷实例
  • 关键一步:由幅值条件写出 K 的显式表达再令导数为零
  • 中间结果:分离点方程的根要按实轴段判据筛选
  • 卡点:不在根轨迹上的根要舍去
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
  • 本卷考过求根轨迹的分离点与会合点
  • 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
  • 由根轨迹求系统欠阻尼的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:欠阻尼对应一对共轭复根,取分离点到会合点之间
  • 中间结果:由闭环特征方程判别式小于零得增益不等式
  • 卡点:欠阻尼范围是开区间,端点对应重根
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
  • 本卷考过由根轨迹求系统欠阻尼的增益范围
  • 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

7七、相角裕度极值与对数幅频#

思路
  • 写出剪切频率处的幅值条件与相角裕度表达式,对频率求极值定出最大裕度对应的频率,再反解 K 并画幅频
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求相角裕度取最大时的 K 与剪切频率
本卷实例
  • 关键一步:写出剪切频率满足的幅值条件与相角裕度表达式
  • 中间结果:对频率求导为零给出只含剪切频率的方程
  • 卡点:剪切频率随 K 变化,不能先固定频率再变 K
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
  • 本卷考过求相角裕度取最大时的 K 与剪切频率
  • 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
本卷考法
  • 画对应 K 值的开环对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:按典型环节排转折频率,从低频段逐段改斜率
  • 中间结果:两个积分环节使低频段斜率为负四十每十倍频
  • 卡点:转折频率取时间常数的倒数,不要取错
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
  • 本卷考过画对应 K 值的开环对数幅频特性
  • 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

8八、串联超前校正设计#

思路
  • 由未校正系统相角恒为负一百八十度判断需补相位,选超前网络,按目标相角裕度定最大超前角与转折频率,再画 Bode 图
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联超前校正使相角裕度达到三十度
本卷实例
  • 关键一步:由未校正系统的相位亏损确定所需最大超前角
  • 中间结果:由最大超前角公式反求网络参数并定两个转折频率
  • 卡点:校正后剪切频率变化会带来附加相角损失
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使相角裕度达到三十度
  • 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
本卷考法
  • 说明校正的目标与性能指标折算
本卷实例
  • 关键一步:把相角裕度要求折算为频域设计目标
  • 中间结果:双积分对象的相位恒为负一百八十度,需外部补相位
  • 卡点:只盯相角裕度会忽略剪切频率的要求
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
  • 本卷考过说明校正的目标与性能指标折算
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由校正后开环特性读出相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:在幅频零分贝处读剪切频率,再在相频读对应相角
  • 中间结果:相角裕度为一百八十度加该频率处的相角
  • 卡点:幅值裕度与相角裕度对应两个不同频率
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
  • 本卷考过由校正后开环特性读出相角裕度
  • 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

9九、由 Bode 图求校正后传函与裕度#

思路
  • 从两条对数幅频特性读出转折频率与斜率、写出校正前与校正装置传函,相乘得校正后开环传函,再在图上定剪切频率算相角裕度
本卷考法
  • 由两条对数幅频特性反求各环节传函
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度定出积分环节个数与增益
  • 中间结果:各转折频率处斜率的变化量对应一阶环节的时间常数
  • 卡点:图未读,转折频率与斜率变化量需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由两条对数幅频特性反求各环节传函
  • 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
  • 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
  • 作出校正后系统的开环对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:把校正前与校正装置的幅频在图上逐段叠加
  • 中间结果:校正后低频段高度由原开环增益决定
  • 卡点:串联校正的幅频是相加,不是取包络
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
  • 本卷考过作出校正后系统的开环对数幅频特性
  • 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
  • 计算校正前后系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:分别在两条幅频曲线的零分贝处读剪切频率
  • 中间结果:由相频曲线在各自剪切频率处读出相角再求裕度
  • 卡点:校正前后剪切频率不同,要分别定位
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
  • 本卷考过计算校正前后系统的相角裕度
  • 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

10十、非线性系统等倾线与奇点#

思路
  • 把二阶微分方程写成状态方程,令相轨迹斜率等于常数得等倾线,再由平衡条件求奇点并线性化判别类型
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 写等倾线方程并判别奇点类型
本卷实例
  • 关键一步:令相轨迹斜率为参数,代回状态方程得到等倾线簇
  • 中间结果:令速度与加速度同时为零得两个平衡点
  • 卡点:在平衡点线性化后按特征值判断焦点或鞍点
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
  • 本卷考过写等倾线方程并判别奇点类型
  • 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
  • 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

11十一、离散系统脉冲传函与稳定性#

思路
  • 按采样开关位置对含保持器的连续部分整体做 z 变换,写出闭环脉冲传函,再令特征根模小于一判断稳定性
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由采样系统结构写闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先定采样开关位置,对含保持器的连续部分整体做 z 变换
  • 中间结果:闭环脉冲传函按开环除以一加开环写出
  • 卡点:无采样开关隔开的连续环节不能直接相乘,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由采样系统结构写闭环脉冲传递函数
  • 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
  • 判断离散系统在采样周期为一时的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并解出特征根
  • 中间结果:特征根都落在 z 平面单位圆内时系统稳定
  • 卡点:稳定性条件是模小于一,不是实部小于零
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
  • 本卷考过判断离散系统在采样周期为一时的稳定性
  • 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