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北京交通大学 801 控制原理 2015 年真题思维导图

211 院校共 8 题合计 150 分

难度:中等 8 大题规模;第一题 10 道选择覆盖零度根轨迹、阻尼比、系统型别、改善精度措施、低频段斜率、一阶相频、缺项判稳、比例反馈、增加零点与滞后校正;第二至第八题为结构图化简、由幅频曲线与阶跃响应反求传函、扰动稳态误差、正负反馈根轨迹、根轨迹过指定极点求零点与主导极点、串联超前校正、采样系统稳定域。频域与根轨迹占比偏高。

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1一、选择题(1 至 10)20 分#

思路
  • 十道选择逐题独立。
本卷考法
  • 判断零度根轨迹实轴上哪一段属于根轨迹
  • 说明零度根轨迹所用的相角条件
本卷实例
  • 关键一步:零度根轨迹对应正反馈,相角条件为 2kπ
  • 关键一步:实轴某段右侧开环实数零极点个数之和为偶数则该段属根轨迹
  • 中间结果:右侧实数零极点个数之和为偶数
  • 卡点:把 0 度根轨迹的相角条件误当 180 度,导致奇偶判断取反
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
  • 本卷考过判断零度根轨迹实轴上哪一段属于根轨迹
  • 本卷考过说明零度根轨迹所用的相角条件
  • 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
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
  • 由闭环极点落在虚轴上判断阻尼比取值
本卷实例
  • 关键一步:二阶系统极点实部为零即阻尼比乘自然频率为零
  • 关键一步:根分布在虚轴上说明实部为零
  • 中间结果:阻尼比等于零,系统为无阻尼等幅振荡
  • 卡点:把虚轴上的极点误判为欠阻尼或临界阻尼
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
  • 本卷考过由闭环极点落在虚轴上判断阻尼比取值
  • 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
  • 由斜坡输入下稳态误差为常数反推系统型别
本卷实例
  • 关键一步:斜坡误差为有限常数说明速度误差系数有限且非零
  • 关键一步:系统型别由开环积分环节个数决定
  • 中间结果:I 型系统斜坡误差为有限常数
  • 卡点:把有限常数误当成零,或把型别与误差系数对应记反
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
  • 本卷考过由斜坡输入下稳态误差为常数反推系统型别
  • 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
  • 判断哪些措施不能改善系统稳态精度
本卷实例
  • 关键一步:改善精度靠提高型别、提高增益或复合控制
  • 关键一步:比例微分只改变动态,不增加积分环节
  • 中间结果:单纯加比例微分环节不能改善稳态精度
  • 卡点:把比例微分环节当成能提高型别的措施
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
  • 本卷考过判断哪些措施不能改善系统稳态精度
  • 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
本卷考法
  • 由系统型别写出低频段渐近线斜率
本卷实例
  • 关键一步:低频段斜率等于负二十乘开环积分环节个数
  • 中间结果:I 型系统低频段斜率为负二十 dB/dec
  • 卡点:把斜率倍数与型别的对应关系记错
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
  • 本卷考过由系统型别写出低频段渐近线斜率
  • 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
本卷考法
  • 求一阶环节在指定频率处的相角
本卷实例
  • 关键一步:把 jω 代入传函,取分母一阶因子的负反正切
  • 中间结果:相角为负的反正切值
  • 卡点:幅频与相频写反,或漏掉分母带来的负号
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
  • 本卷考过求一阶环节在指定频率处的相角
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由特征方程缺项直接判定系统不稳定
本卷实例
  • 关键一步:劳斯判据要求特征多项式系数不缺项且同号
  • 中间结果:系数缺项即可判系统不稳定
  • 卡点:补零后仍机械套判据,忽略缺项给出的直接结论
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
  • 本卷考过由特征方程缺项直接判定系统不稳定
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由比例反馈包围惯性环节判断时间常数与快速性变化
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环传函,分母常数项含反馈增益
  • 关键一步:时间常数变小使系统快速性变好
  • 中间结果:仍为惯性环节,时间常数变小
  • 卡点:把负反馈分母写成 1 减 K,或把时间常数变化方向说反
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
  • 本卷考过由比例反馈包围惯性环节判断时间常数与快速性变化
  • 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
  • 说明增加开环零点对根轨迹形状与稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:附加零点使根轨迹向左弯曲,渐近线与实轴正向夹角增大
  • 中间结果:增加开环零点对稳定性有利
  • 卡点:与增加开环极点的作用说反
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
  • 本卷考过说明增加开环零点对根轨迹形状与稳定性的影响
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 求滞后校正装置最大滞后相角的极限值
本卷实例
  • 关键一步:滞后网络最大滞后相角为 arcsin((b-1)/(b+1))
  • 关键一步:b 趋于零时该相角趋于负九十度
  • 中间结果:最大滞后相角可趋近负九十度
  • 卡点:把 b 的极限方向取反,误答正九十度
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
  • 本卷考过求滞后校正装置最大滞后相角的极限值
  • 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
  • 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

2二、结构图化简求传递函数20 分#

思路
  • 系统结构图含多回路与交叉引出点,要求用结构图化简法求 C(s)/R(s)。题面含图未读图。
本卷考法
  • 由结构图用梅森公式或逐层化简求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先找出全部单独回路与前向通路
  • 关键一步:判断有无互不接触回路再写特征式
  • 中间结果:分子为各前向通路乘对应特征余子式
  • 卡点:结构拓扑需回原卷核对图;或回路增益的负号漏写
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
  • 本卷考过由结构图用梅森公式或逐层化简求闭环传递函数
  • 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
  • 化简含局部反馈与交叉点的多回路结构图
本卷实例
  • 关键一步:由内向外逐层化简内环
  • 关键一步:比较点与引出点移动时保持信号等效
  • 中间结果:内环先化简为等效环节再并入外环
  • 卡点:化简内环时把外环信号当常数;或移动规则用反
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
  • 本卷考过化简含局部反馈与交叉点的多回路结构图
  • 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

3三、由幅频曲线与阶跃响应反求传函20 分#

思路
  • 单位反馈最小相位系统,给出开环对数幅频近似特性曲线与单位阶跃响应曲线,反求开环传递函数。题面含图未读图。
本卷考法
  • 由最小相位系统的对数渐近幅频曲线写出开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:低频段斜率定积分环节个数即型别
  • 关键一步:转折频率处斜率的升降对应惯性环节与一阶微分环节
  • 中间结果:低频段高度与转折频率换算出开环增益与时间常数
  • 卡点:曲线读数需回原卷核对图;或把延长线交点直接当成增益
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
  • 本卷考过由最小相位系统的对数渐近幅频曲线写出开环传递函数
  • 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
  • 由单位阶跃响应曲线反求传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由响应稳态值定闭环增益,由超调与峰值时间定阻尼比与自然频率
  • 关键一步:闭环与开环参数联立求解
  • 中间结果:阶跃响应终值给出闭环增益 k/(k+1)
  • 卡点:未判断系统阶数直接套二阶公式;或漏掉输入幅值
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
  • 本卷考过由单位阶跃响应曲线反求传递函数
  • 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
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阶跃响应曲线读取稳态值与时间常数信息
本卷实例
  • 关键一步:稳态值由输入幅值与闭环增益共同决定
  • 中间结果:响应终值给出闭环增益
  • 卡点:把开环增益误当闭环稳态值
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
  • 本卷考过由阶跃响应曲线读取稳态值与时间常数信息
  • 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

4四、扰动作用下的稳态误差10 分#

思路
  • 系统结构图含扰动通道,只考虑单位阶跃扰动,问能否选取 K 使扰动稳态误差等于给定值,并检验该 K 下系统是否稳定。题面含图未读图。
本卷考法
  • 求扰动单独作用下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,单独列扰动到误差的传递函数
  • 关键一步:用终值定理求该传函的零频极限
  • 中间结果:扰动误差等于扰动点到误差通路低频增益的相反数除以 1 加回路增益
  • 卡点:扰动注入点需回原卷核对图;或求扰动传函时未把参考输入置零
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
  • 本卷考过求扰动单独作用下的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 列写扰动作用下输出或误差的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按扰动通道单独列写再与其他通道叠加
  • 中间结果:扰动误差由前向通路增益与回路增益之比决定
  • 卡点:参考与扰动同时存在时未验证线性叠加条件
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
  • 本卷考过列写扰动作用下输出或误差的传递函数
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据检验所求 K 下系统是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程后列出全部首列元素不等式
  • 中间结果:劳斯表首列同号才判定稳定
  • 卡点:只列部分约束,导致稳定性结论不成立
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检验所求 K 下系统是否稳定
  • 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

5五、正负反馈根轨迹与稳定域20 分#

思路
  • 系统结构图给出,分别取常数 a 等于 1 与负 1,对应正反馈零度根轨迹与负反馈 180 度根轨迹,要求画根轨迹求分离点、与虚轴交点,并分别求稳定 K 范围。题面含图未读图。
本卷考法
  • 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
本卷实例
  • 关键一步:a 等于 1 为正反馈用 0 度相角条件
  • 关键一步:a 等于负 1 为负反馈用 180 度相角条件
  • 中间结果:同一开环传函在两种反馈下的实轴根轨迹段相反
  • 卡点:零度根轨迹仍沿用 180 度实轴段判据
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
  • 本卷考过绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 本卷考过比较零度与 180 度根轨迹的差别
  • 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
本卷考法
  • 按绘制法则写根轨迹的实轴段与渐近线
本卷实例
  • 关键一步:实轴段右侧实数零极点个数之和为奇数属 180 度根轨迹
  • 关键一步:渐近线条数为极点数减零点数
  • 中间结果:渐近线夹角为 (2k+1)π 除以 n 减 m
  • 卡点:实轴段零极点个数算错;或渐近线夹角公式写成 2kπ
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写根轨迹的实轴段与渐近线
  • 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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及系统稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:把纯虚变量代入闭环特征方程,令实部虚部分别为零联立
  • 关键一步:解得临界频率与临界增益
  • 中间结果:负反馈情形交点仅在原点,系统无稳定增益
  • 卡点:只取零频解漏掉非零交点;或稳定区间方向取反
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系统稳定的 K 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
  • 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

6六、根轨迹过指定极点与主导极点判定20 分#

思路
  • 开环为 K/(s(s+3)²)。第 1 问加实数零点使根轨迹过闭环极点 -2+4j,求零点值;第 2 问画加入后根轨迹,判断该极点是否主导,再求性能指标。题面含图未读图。
本卷考法
  • 由根轨迹过指定点确定附加零点或参数
  • 由闭环极点估算系统性能指标
本卷实例
  • 关键一步:把指定极点代入相角条件反求附加零点位置
  • 关键一步:由根之和法则求第三个闭环极点
  • 中间结果:附加零点取值使该点满足 180 度相角条件
  • 卡点:代入相角条件时漏掉某个极点的相角贡献
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
  • 本卷考过由根轨迹过指定点确定附加零点或参数
  • 本卷考过由闭环极点估算系统性能指标
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹分离点并筛选有效解
本卷实例
  • 关键一步:由 dK/ds 等于零解出候选分离点
  • 关键一步:再按实轴段判据筛选有效解
  • 中间结果:只有落在实轴根轨迹段上的解才有效
  • 卡点:保留不满足相角条件的根
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
  • 本卷考过求根轨迹分离点并筛选有效解
  • 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
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
  • 判断一对共轭极点是否为系统主导极点
本卷实例
  • 关键一步:比较零点与实数极点的距离,接近则构成偶极子相互对消
  • 关键一步:主导极点应距虚轴最近且留数大
  • 中间结果:零点与实数极点构成偶极子,共轭极点为主导
  • 卡点:只看极点距离而不管零点与留数大小
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
  • 本卷考过判断一对共轭极点是否为系统主导极点
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由二阶近似求超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由闭环分母读阻尼比与自然频率
  • 关键一步:代入欠阻尼系统的超调与调节时间公式
  • 中间结果:性能指标只由阻尼比与自然频率决定
  • 卡点:2% 误差带的调节时间系数用成 5% 的
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
  • 本卷考过由二阶近似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
  • 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

7七、串联超前校正与相角裕度分析20 分#

思路
  • 原开环为 20/(s(0.1s+1)),串入校正装置 (0.1s+1)/(0.01s+1),要求画校正前后对数渐近幅频与相频特性曲线,求相角裕度并分析校正装置对性能的影响。题面含图未读图。
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 分析串联超前校正对相角裕度与快速性的作用
本卷实例
  • 关键一步:超前网络在转折频率后提供正相角,抵消原系统的部分相角滞后
  • 关键一步:正相角抬高相角裕度并使剪切频率提高
  • 中间结果:校正后相角裕度增大、响应速度变快
  • 卡点:只讲快速性提高而漏掉高频抗干扰能力变差
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
  • 本卷考过分析串联超前校正对相角裕度与快速性的作用
  • 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
  • 由开环传递函数绘制对数渐近幅频特性曲线
本卷实例
  • 关键一步:由型别定低频段斜率,由基准点定低频段高度
  • 关键一步:按各转折频率依次改变斜率
  • 中间结果:频率为 1 rad/s 处高度为二十 log 开环增益
  • 卡点:逐段改斜率时替换而非累加
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
  • 本卷考过由开环传递函数绘制对数渐近幅频特性曲线
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正前后系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由开环幅值等于一求剪切频率,再代入相频
  • 关键一步:按一百八十度加相角得相角裕度
  • 中间结果:校正前转折频率为 10 rad/s,校正后移到 100 rad/s
  • 卡点:剪切频率与相位穿越频率用反
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

8八、采样系统放大系数与稳定性20 分#

思路
  • 采样系统结构图给出,采样周期 T 等于 1 秒,求开环脉冲传递函数与闭环特征方程,分析放大系数 K 对系统稳定性的影响。题面含图未读图。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续环节与采样开关求开环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先把连续部分作部分分式展开,再逐项查 z 变换表
  • 关键一步:按采样开关位置判断哪些环节可一起取变换
  • 中间结果:脉冲传函的分子分母由部分分式系数决定
  • 卡点:把两个连续环节直接相乘取变换;或忘记零阶保持器
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
  • 本卷考过由连续环节与采样开关求开环脉冲传递函数
  • 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
  • 求采样系统使闭环稳定的放大系数范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程后由特征根模小于一列不等式
  • 关键一步:解出放大系数的稳定区间
  • 中间结果:一阶特征方程给出放大系数的双侧稳定范围
  • 卡点:把 z 域稳定条件写成实部小于零;或未判稳即用终值定理
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
  • 本卷考过求采样系统使闭环稳定的放大系数范围
  • 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
本卷考法
  • 说明采样周期变化对离散系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:采样周期增大使系统保持的信息减少、稳定性变差
  • 中间结果:放大系数的稳定范围随采样周期增大而缩小
  • 卡点:忽略零阶保持器带来的相位滞后
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 采样把连续信号变成脉冲序列,采样周期 T 是关键参数
  • 采样定理要求采样频率不低于信号最高频率的两倍
  • 采样频率不足会产生频率混叠
  • 零阶保持器把离散信号恢复为连续信号,并引入半个采样周期的延迟
步骤
  • 确定信号最高频率或系统带宽
  • 按采样定理确定采样频率与采样周期上限
  • 必要时加入前置滤波器抑制混叠
通用考法
  • 本卷考过说明采样周期变化对离散系统稳定性的影响
  • 由信号最高频率确定采样周期
  • 判断给定采样频率是否满足采样定理
  • 说明零阶保持器的频率特性
常见易错
  • 把采样定理写成采样周期不大于信号周期即可
  • 忽略零阶保持器带来的相位滞后
公式