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东华大学 824 自动控制原理 2016 年真题思维导图

211 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等 10 题覆盖反求传函、超调量反求参数、稳态误差、根轨迹、非最小相位、Nyquist 与频率响应数值表

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一一、由闭环极点反求开环传递函数15 分#

思路
  • 由闭环特征值之和与积反推开环传函的极点配置,再写成时间常数形式
本卷考法
  • 由闭环极点与开环零点反写开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:写出期望闭环特征多项式并与特征值对应
  • 中间结果:由二阶型别确定开环含两个积分环节
  • 卡点:题目给的是三阶二型,型别决定分母幂次
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
  • 本卷考过由闭环极点与开环零点反写开环传递函数
  • 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
  • 本卷考过时间常数形式与尾一形式互换时系数写错
  • 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
  • 用闭环极点分布反推开环零极点并校核增益
本卷实例
  • 关键一步:由闭环极点与已知开环零点配齐开环极点
  • 中间结果:开环极点总和由特征值之和约束
  • 卡点:需回代闭环特征方程验证
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
  • 本卷考过用闭环极点分布反推开环零极点并校核增益
  • 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
  • 本卷考过把闭环极点直接当成开环极点
  • 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

二二、由阶跃响应求传函与脉冲响应10 分#

思路
  • 由阶跃响应分离稳态项与暂态项,反求传递函数,再作拉氏逆变换得脉冲响应
本卷考法
  • 由给定阶跃响应解析式反求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先分离响应的稳态分量与暂态分量
  • 中间结果:暂态指数项对应闭环极点
  • 卡点:需保证所求传函在零初始条件下成立
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
  • 本卷考过由给定阶跃响应解析式反求系统传递函数
  • 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
  • 本卷考过把稳态值当增益而漏掉输入幅值
  • 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
本卷考法
  • 由传函求单位脉冲响应并说明零状态条件
本卷实例
  • 关键一步:单位脉冲响应对应传函的拉氏逆变换
  • 中间结果:部分分式展开后逐项取逆变换
  • 卡点:响应表达式含常数项需按初值定理确认
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
  • 本卷考过由传函求单位脉冲响应并说明零状态条件
  • 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
  • 本卷考过只求零状态响应而漏掉由初值决定的自由响应
  • 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

三三、由超调量反求系统增益10 分#

思路
  • 由最大超调量先求阻尼比,再由增益与阻尼比关系反解另一超调量对应的增益
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
  • 由开环增益与阻尼比关系建立超调量方程
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并化为标准二阶形式
  • 中间结果:阻尼比与开环增益存在单调对应
  • 卡点:参数定义须按题中所给开环传函确认
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
  • 本卷考过由开环增益与阻尼比关系建立超调量方程
  • 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
  • 本卷考过开环增益误当成闭环传函系数
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由两个超调量条件联立反求所需增益
本卷实例
  • 关键一步:先由首个超调量定出参考增益关系
  • 中间结果:再用第二个超调量反解阻尼比
  • 卡点:增益解需为正且系统稳定
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
  • 本卷考过由两个超调量条件联立反求所需增益
  • 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
  • 本卷考过只满足一个条件未检查另一条件
  • 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

四四、加速度误差系数与参数稳定域15 分#

思路
  • 由结构图求开环传函,按型别算加速度误差系数,再用劳斯判据求参数稳定范围
本卷考法
  • 判断系统型别并求加速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:先数开环积分环节个数定系统型别
  • 中间结果:加速度误差系数由开环传函低频渐近决定
  • 卡点:结构图含局部反馈,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过判断系统型别并求加速度误差系数
  • 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
  • 本卷考过把开环增益与静态加速度误差系数混为一谈
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求使闭环系统稳定的校正器时间常数范围
本卷实例
  • 关键一步:先求含参数的闭环特征多项式
  • 中间结果:劳斯表首列全部大于零给出参数区间
  • 卡点:边界是否包含需单独判断
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
  • 本卷考过求使闭环系统稳定的校正器时间常数范围
  • 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
  • 本卷考过只列部分首列不等式漏掉约束
  • 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
本卷考法
  • 在稳定条件下重算加入校正后的加速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:把已定时变参数代入开环传函再求极限
  • 中间结果:误差系数由开环传函低频项系数比给出
  • 卡点:校正器引入后型别可能发生变化
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
  • 本卷考过在稳定条件下重算加入校正后的加速度误差系数
  • 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
  • 本卷考过未验证稳定就直接用终值定理
  • 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

五五、两系统的阶跃稳态输出20 分#

思路
  • 对两个方框图分别求闭环传函,再用终值定理求单位阶跃下的输出稳态值
本卷考法
  • 求两系统单位阶跃作用下的输出稳态值
本卷实例
  • 关键一步:先求闭环传函再乘以阶跃输入的拉氏式
  • 中间结果:稳态值等于闭环传函在零点的取值
  • 卡点:两系统结构图为扫描图,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过求两系统单位阶跃作用下的输出稳态值
  • 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
  • 本卷考过输入含多分量时漏算某一项
  • 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
  • 用梅森公式分别求两方框图的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:列全两图各自的回路与前向通路
  • 中间结果:特征式由回路增益与两两乘积构成
  • 卡点:比较点位置不同改变回路结构
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分别求两方框图的闭环传函
  • 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

六六、三阶系统根轨迹与稳定范围20 分#

思路
  • 按法则绘制三阶根轨迹,用幅值条件验证给定点,再求临界增益与稳定范围
本卷考法
  • 按绘制法则画三阶无零点根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标开环极点并算渐近线
  • 中间结果:三条渐近线夹角为六十度与一百八十度
  • 卡点:根轨迹草图为扫描图,需回原卷核对图
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三阶无零点根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中零极点个数算错
  • 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
  • 用幅相条件验证给定点是否在根轨迹上
本卷实例
  • 关键一步:对该点分别检验相角条件与幅值条件
  • 中间结果:相角满足后幅值条件给出对应增益
  • 卡点:相角以一百八十度为准而非零度
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
  • 本卷考过用幅相条件验证给定点是否在根轨迹上
  • 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
  • 本卷考过用幅值条件判点却搞混两个条件用途
  • 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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:把纯虚数代入特征方程分离实虚部
  • 中间结果:联立两式解出穿越频率与临界增益
  • 卡点:稳定范围要结合渐近线方向判断
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使系统稳定的增益范围
  • 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
  • 本卷考过只代一组频率就下结论
  • 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

七七、非最小相位系统参数根轨迹20 分#

思路
  • 把含右半平面零极点的开环传函整理成参数根轨迹标准形,求稳定范围再由误差系数求最小误差绝对值
本卷考法
  • 以增益为参变量绘制含右半平面零极点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程整理成参数乘某分式等于负一
  • 中间结果:等效开环零极点决定根轨迹走向
  • 卡点:需按零度根轨迹条件处理正反馈形式
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
  • 本卷考过以增益为参变量绘制含右半平面零极点的根轨迹
  • 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
  • 本卷考过整理时没把参数完整提到分子位置
  • 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
  • 说明右半平面零极点对根轨迹与稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:分别统计右半平面零点与极点数目
  • 中间结果:右半平面极点使小增益段也可能不稳定
  • 卡点:非最小相位特性改变相角条件
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
  • 本卷考过说明右半平面零极点对根轨迹与稳定性的影响
  • 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
  • 本卷考过把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
  • 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
本卷考法
  • 在稳定增益范围内求稳态误差绝对值的最小值
本卷实例
  • 关键一步:写出误差系数与增益的函数关系
  • 中间结果:误差绝对值随增益单调变化
  • 卡点:极值点须落在稳定区间内才有意义
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
  • 本卷考过在稳定增益范围内求稳态误差绝对值的最小值
  • 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
  • 本卷考过误差系数符号随右半平面零点改变
  • 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

八八、Nyquist判据判别稳定性15 分#

思路
  • 由结构图求开环传函,画幅相曲线并数右半平面开环极点数,用奈奎斯特判据判稳
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据判别系统是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点个数再画包围情况
  • 中间结果:包围圈数与右半平面极点数比较后判稳
  • 卡点:系统结构图为扫描图,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用奈奎斯特判据判别系统是否稳定
  • 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
  • 本卷考过开环含积分环节时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
  • 由开环传函写出幅相频率特性表达式
本卷实例
  • 关键一步:令频率变量代入分别写幅频与相频
  • 中间结果:低频段相角由积分环节个数决定
  • 卡点:高频段相角需按零极点净值计算
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
  • 本卷考过由开环传函写出幅相频率特性表达式
  • 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
  • 本卷考过求幅值时忘记分母取模后再相除
  • 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

九九、正弦组合输入的稳态输出10 分#

思路
  • 把正弦组合输入拆成两个频率分量,分别用闭环幅频相频求稳态响应再叠加
本卷考法
  • 求闭环系统对多个正弦分量的稳态输出
本卷实例
  • 关键一步:对每个频率分别取模与相角
  • 中间结果:各分量稳态响应为同频正弦
  • 卡点:角度与弧度换算不能混用
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
  • 本卷考过求闭环系统对多个正弦分量的稳态输出
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉负号或单位换算
  • 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
典型输入信号 基本概念与信号
本卷考法
  • 按给定幅值与初相写出各正弦分量的输入形式
本卷实例
  • 关键一步:先把各分量统一写成正弦相角形式
  • 中间结果:叠加时保持同频分量分别求响应
  • 卡点:初相符号与超前滞后的说法要统一
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 常用典型输入有冲激、阶跃、斜坡、抛物线(加速度)与正弦五类
  • 阶跃信号用于考查快速性与稳定性,斜坡与抛物线用于考查稳态精度
  • 正弦信号用于频域分析,冲激响应就是系统的传递函数
  • 各典型信号的拉氏变换是分析全响应的起点
步骤
  • 按题意写出输入信号的时域表达式
  • 对输入取拉氏变换得到该信号的复域形式
  • 由输入类型判断考查的是动态性能还是稳态精度
  • 把输入代入误差或响应公式计算
通用考法
  • 本卷考过按给定幅值与初相写出各正弦分量的输入形式
  • 写出典型输入信号的拉氏变换
  • 说明某一典型输入信号用于考查哪类性能
  • 由输入类型判断稳态误差是否为有限值
常见易错
  • 本卷考过把余弦分量当成正弦直接相加
  • 把斜坡与抛物线信号的阶次写错
  • 阶跃的拉氏变换漏掉系数(幅度不为 1 时)
公式

十十、由频率响应数值表求稳定裕度15 分#

思路
  • 由频率响应数值表插值求穿越频率,读出幅值裕量与相位裕量,再按裕度要求反推增益变化
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由实测频率响应数据求幅值裕量与相位裕量
本卷实例
  • 关键一步:在表中找幅值为一与相角为负一百八十度的位置
  • 中间结果:两频率间采用线性插值提高精度
  • 卡点:表中相角单位为度,需按度直接比较
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
  • 本卷考过由实测频率响应数据求幅值裕量与相位裕量
  • 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
  • 本卷考过幅值裕度取倒数未取导致结论反了
  • 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
  • 按裕度要求判断开环增益应作何变化
本卷实例
  • 关键一步:利用幅频曲线整体上下平移的规律
  • 中间结果:提高增益使穿越频率右移、相角裕度下降
  • 卡点:两个裕度要求可能给不出共同可行增益
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
  • 本卷考过按裕度要求判断开环增益应作何变化
  • 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
  • 本卷考过增益变化对两个裕度的影响方向搞反
  • 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