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东华大学 824 自动控制原理 2022 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等 八道大题,第一题为七道选择题,其余为结构图、Bode 图、Nyquist、根轨迹校正与状态空间题

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一选择题:稳定性、校正与传递函数#

思路
  • 七道选择覆盖卷积求响应、稳定性含义、校正与增益、稳定裕度、稳态误差、纯滞后与传递函数适用性
本卷考法
  • 用卷积运算说明线性定常系统对任意输入响应的求法
  • 说明传递函数被广泛采用的原因
本卷实例
  • 关键一步:指出卷积求响应成立的前提是系统线性定常
  • 中间结果:线性定常系统的输出等于脉冲响应与输入的卷积
  • 卡点:非线性或时变系统不满足叠加原理,不能用卷积
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
  • 本卷考过用卷积运算说明线性定常系统对任意输入响应的求法
  • 本卷考过说明传递函数被广泛采用的原因
  • 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
  • 本卷考过把卷积法用于非线性或时变系统
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 判断关于控制系统稳定性的正确表述
本卷实例
  • 关键一步:由稳定性定义看响应的自由分量是否随时间衰减
  • 中间结果:稳定系统的响应与初始条件无关,最终趋于受迫分量
  • 卡点:稳定不等于无静差,有静差系统仍可稳定
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
  • 本卷考过判断关于控制系统稳定性的正确表述
  • 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
  • 本卷考过把稳定与稳态误差趋近于零混为一谈
  • 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
本卷考法
  • 在快速性与稳定性达标但控制精度欠佳时选择合适措施
本卷实例
  • 关键一步:分析增大开环增益对稳态误差与相角裕度的双重影响
  • 中间结果:超前与滞后校正都提高相角裕度,反而降低开环增益
  • 卡点:要求提高精度时应继续增大开环增益而不是加校正
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
  • 本卷考过在快速性与稳定性达标但控制精度欠佳时选择合适措施
  • 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
  • 本卷考过只盯相角裕度而忽略系统型别与增益
  • 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
本卷考法
  • 判断哪种措施不能减小稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:逐个分析积分、增益与微分环节对稳态误差的作用
  • 中间结果:增加积分环节与提高开环增益可减小或消除稳态误差
  • 卡点:微分环节属高通作用,改善动态但不影响稳态误差
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
  • 本卷考过判断哪种措施不能减小稳态误差
  • 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
  • 本卷考过只谈误差减小而不检查稳定性是否被破坏
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 判断频域稳定裕度在时域中对应哪个量
本卷实例
  • 关键一步:由相角裕度与谐振峰值的近似关系联系时域指标
  • 中间结果:相角裕度决定谐振峰值,进而影响超调量
  • 卡点:稳定裕度对应超调量,不是调节时间或稳态误差
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
  • 本卷考过判断频域稳定裕度在时域中对应哪个量
  • 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
  • 本卷考过把相角裕度与幅值裕度的作用搞混
  • 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
  • 说明纯滞后环节对闭环系统稳定性不利的原因
本卷实例
  • 关键一步:分析纯滞后环节的相位滞后随频率线性增大
  • 中间结果:纯滞后模长恒为一,只带来相位滞后不衰减幅值
  • 卡点:纯滞后是线性环节,选项说它非线性是错的
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 延迟环节 e^{-τs} 的幅值为 1、相位为 -τω,只恶化相位
  • 延迟会显著缩小稳定域,τ 越大越难稳定
  • 频域判据需用相位裕度扣除延迟引起的附加滞后
步骤
  • 写出含延迟的开环传递函数
  • 分别求幅值与相位表达式
  • 在相频特性中扣除 τω 的滞后量
  • 按稳定裕度或奈氏判据求临界 τ 或临界 K
通用考法
  • 本卷考过说明纯滞后环节对闭环系统稳定性不利的原因
  • 求使系统稳定的最大延迟时间
  • 求含延迟系统的临界开环增益
  • 分析延迟对稳定裕度的影响
常见易错
  • 本卷考过把延迟环节当成惯性环节处理
  • 把延迟环节当成惯性环节处理
  • 相位计算时忘记角度与弧度换算
公式

二测速反馈与增益调整设计#

思路
  • 由超调量与峰值时间定出原二阶系统,再引入测速反馈并配合增益使阻尼比与稳态误差同时满足
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
  • 由超调量与峰值时间反求闭环阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:由超调量公式反求阻尼比,再由峰值时间求自然频率
  • 中间结果:原系统闭环阻尼比与自然频率由两个指标联立确定
  • 卡点:反求要用闭环指标,不要误用开环参数
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
  • 本卷考过由超调量与峰值时间反求闭环阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过化为标准形式时忘记把 s 平方项系数归一化
  • 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
  • 设计方案使系统阻尼比变为给定值且稳态误差保持不变
本卷实例
  • 关键一步:引入测速反馈改变阻尼项,再用串联增益补回开环增益
  • 中间结果:测速反馈系数由期望阻尼比定,增益由误差不变定
  • 卡点:两个未知量要与阻尼比、误差系数两个条件联立求解
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
  • 本卷考过设计方案使系统阻尼比变为给定值且稳态误差保持不变
  • 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
  • 本卷考过只满足单项指标就下结论,未做交叉验证
  • 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
本卷考法
  • 用测速反馈改善二阶系统的动态性能
本卷实例
  • 关键一步:把测速反馈接入内环以改变闭环特征式的阻尼项
  • 中间结果:反馈使等效阻尼增大,超调下降但误差系数改变
  • 卡点:测速反馈会损失开环增益,需要另外补偿
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
  • 本卷考过用测速反馈改善二阶系统的动态性能
  • 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
  • 本卷考过前馈补偿器求出含高阶微分却直接采用
  • 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
  • 在改造前后保持系统的速度误差系数不变
本卷实例
  • 关键一步:由原系统开环传函确定速度误差系数并令其不变
  • 中间结果:补偿增益按测速反馈带来的增益损失反推
  • 卡点:一型系统的 Kv 等于开环增益,补增益即补 Kv
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
  • 本卷考过在改造前后保持系统的速度误差系数不变
  • 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

三参数根轨迹与测速反馈#

思路
  • 以 a、K 分别为参数画两族根轨迹,用劳斯判据证稳定范围,最后说明测速反馈对稳态性能的影响
本卷考法
  • K 等于零时以 a 为参数、a 等于六时以 K 为参数绘制根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征式按待变参数整理成等效开环形式
  • 中间结果:以 a 为参数时等效开环有三个极点且无零点
  • 卡点:两族根轨迹的参数与等效开环要分别对应好
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K 等于零时以 a 为参数、a 等于六时以 K 为参数绘制根轨迹
  • 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
  • 本卷考过整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 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
  • 由根轨迹与虚轴交点求系统稳定的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 j omega 代入特征式,令实部与虚部分别为零
  • 中间结果:解出交点频率与对应的参数临界值
  • 卡点:稳定区间要结合根轨迹走向确定端点开闭
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
  • 本卷考过由根轨迹与虚轴交点求系统稳定的参数范围
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论,漏掉另一组交点
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 证明 K 不小于三分之一时任意的 a 大于零都使系统稳定
本卷实例
  • 关键一步:对含 a 与 K 的三阶特征式列出劳斯表
  • 中间结果:由劳斯表各行元素恒正的条件推出 K 的下界
  • 卡点:要证明对所有 a 大于零成立,不能只代入特值
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
  • 本卷考过证明 K 不小于三分之一时任意的 a 大于零都使系统稳定
  • 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
  • 本卷考过只列出部分首列元素的不等式
  • 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
  • 说明测速反馈改善系统动态性能的机理
本卷实例
  • 关键一步:对比加测速反馈前后闭环特征式与根轨迹形态
  • 中间结果:反馈使系统由条件稳定变为对参数不敏感的稳定结构
  • 卡点:反馈改变动态性能的同时也改变开环增益
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
  • 本卷考过说明测速反馈改善系统动态性能的机理
  • 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
  • 本卷考过忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
  • 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
  • 结合前三问说明测速反馈对系统稳态性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:分别写出加反馈前后的速度误差系数表达式
  • 中间结果:加反馈后速度误差系数减小,稳态误差增大
  • 卡点:速度反馈改善动态精度却以稳态精度为代价
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
  • 本卷考过结合前三问说明测速反馈对系统稳态性能的影响
  • 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
  • 本卷考过把测速反馈当作能减小稳态误差的措施
  • 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

四Bode 图反求传函与稳定裕度#

思路
  • 由 Bode 图写出开环传函 G(s),再求相角裕度、幅值裕度并判断闭环稳定性
本卷考法
  • 由给定 Bode 图写出开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段延长线高度与斜率定系统型别与开环增益
  • 中间结果:按各转折频率处的斜率变化逐一定出各环节
  • 卡点:图以图给出,需回原卷核对转折频率与斜率
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
  • 本卷考过由给定 Bode 图写出开环传递函数
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点误当作增益值而未折算型别
  • 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
  • 求系统的相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:由剪切频率算相角裕度,由相位穿越频率算幅值裕度
  • 中间结果:幅值裕度为幅频在穿越频率处幅值的倒数
  • 卡点:两个特征频率不要用反
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
  • 本卷考过求系统的相角裕度与幅值裕度
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 综合裕度结果判定闭环系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由开环极点数与曲线包围临界点圈数判断闭环稳定
  • 中间结果:开环右半平面极点数零时包围圈数为零即稳定
  • 卡点:也可用劳斯判据对闭环特征式交叉验证
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
  • 本卷考过综合裕度结果判定闭环系统的稳定性
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数
  • 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

五Nyquist 图与稳定 K 范围#

思路
  • 由方框图写开环传函,画 Nyquist 图求与负实轴交点,据此确定闭环稳定的 K 范围
本卷考法
  • 把开环频率特性分解为典型环节分析起终点与单调性
本卷实例
  • 关键一步:写出幅频与相频表达式,分析起点与终点相角
  • 中间结果:起始幅值恒定终点为零,相角从零降至负二百七十度
  • 卡点:振荡环节在自然频率附近相角有跳跃,要分段写
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
  • 本卷考过把开环频率特性分解为典型环节分析起终点与单调性
  • 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把分母复数取模后再相除
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 据 Nyquist 曲线与负实轴交点求闭环稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:令虚部为零求曲线与负实轴交点,列包围临界点的条件
  • 中间结果:交点位于负一右侧时包围圈数为零即稳定
  • 卡点:交点位置随 K 变化,要按它距负一的远近判范围
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
  • 本卷考过据 Nyquist 曲线与负实轴交点求闭环稳定的 K 范围
  • 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
  • 本卷考过把包围圈数的正负号定义搞反
  • 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

六根轨迹法超前校正设计#

思路
  • 在根轨迹上用相角条件求超前角,定零点与极点位置,再由幅值条件定增益并校验 Kv
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 用根轨迹法设计超前校正装置,使闭环极点落在指定位置
本卷实例
  • 关键一步:由待配极点处原开环相角与目标的差求所需超前角
  • 中间结果:由超前角与几何关系定校正装置的零点与极点位置
  • 卡点:校正装置零点位置受 Kv 要求约束,需双向校核
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
  • 本卷考过用根轨迹法设计超前校正装置,使闭环极点落在指定位置
  • 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
  • 本卷考过计算补偿角时忽略截止频率变化带来的附加相角损失
  • 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
  • 用相角条件确定零点位置、用幅值条件确定增益
本卷实例
  • 关键一步:先满足相角条件保证给定点在根轨迹上
  • 中间结果:再代幅值条件求使该点成为闭环极点的增益
  • 卡点:相角条件决定形状,幅值条件决定增益,不能互代
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
  • 本卷考过用相角条件确定零点位置、用幅值条件确定增益
  • 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,搞混两个条件的用途
  • 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
  • 校验校正后系统的主导极点与速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:由校正后开环传函作闭环特征式检查主导极点
  • 中间结果:另两个闭环极点远离虚轴,近似主导极点成立
  • 卡点:新增零点使系统不再是纯二阶,指标要留裕度
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
  • 本卷考过校验校正后系统的主导极点与速度误差系数
  • 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
  • 本卷考过由极点位置估算指标时忽略零点的作用
  • 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
本卷考法
  • 使校正后系统的速度误差系数不小于给定值
本卷实例
  • 关键一步:写出校正后 Kv 表达式并令其满足下限
  • 中间结果:据此反推开环增益允许的最小值
  • 卡点:满足 Kv 的增益可能使极点偏离,需同时满足两条件
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
  • 本卷考过使校正后系统的速度误差系数不小于给定值
  • 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

七稳态误差与幅值裕度约束#

思路
  • 先由速度误差求 K 下限,再由幅值裕度要求求 K 上限,取交集后画开环 Bode 图
本卷考法
  • 由速度误差不超限反求开环增益的范围
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函写出速度误差系数与稳态误差的倒数关系
  • 中间结果:误差上限化为开环增益的下界
  • 卡点:先确认系统稳定,再用终值定理求稳态误差
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
  • 本卷考过由速度误差不超限反求开环增益的范围
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由幅值裕度大于六分贝反求开环增益的上界
本卷实例
  • 关键一步:由相位穿越频率处幅值写出幅值裕度表达式
  • 中间结果:把分贝下限化成幅值不等式解出增益上界
  • 卡点:本题增益上下界方向相反,取交集不要取错
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
  • 本卷考过由幅值裕度大于六分贝反求开环增益的上界
  • 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
  • 按算得的 K 画出开环系统的 Bode 图
本卷实例
  • 关键一步:由三个转折频率分段确定渐近线斜率
  • 中间结果:低频段斜率为负二十,高频段斜率为负六十
  • 卡点:低频段起始高度由开环增益与系统型别共同决定
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
  • 本卷考过按算得的 K 画出开环系统的 Bode 图
  • 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
  • 本卷考过逐段改斜率时忘记累加而不是直接替换
  • 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

八串联系统状态空间与能控能观#

思路
  • 把两个环节串联分别取状态变量建模,写出状态空间表达式,再在参数相等时判能控能观
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 对串联系统分别选择状态变量并画出模拟结构图
本卷实例
  • 关键一步:对每个一阶环节取一个状态变量并按串联顺序列写方程
  • 中间结果:得到两个二阶状态空间表达式及对应的模拟结构图
  • 卡点:串联顺序不同状态方程形式不同,A、B 系统要分开列
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过对串联系统分别选择状态变量并画出模拟结构图
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 本卷考过状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式
本卷考法
  • 由环节传递函数写出串联后的状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:由分母系数写友矩阵,由分子系数写输出方程
  • 中间结果:状态矩阵为友矩阵且末行含传递函数的系数
  • 卡点:含超前环节时输出方程要带直接传递项
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
  • 本卷考过由环节传递函数写出串联后的状态空间表达式
  • 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
  • 本卷考过真分式化分时直接项处理错误
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 在参数相等时分别判断 A、B 系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造能控与能观判别矩阵并求秩
  • 中间结果:由判别矩阵的秩是否为二判断完全能控与完全能观
  • 卡点:同一系统可能能控但不完全能观,A、B 要分别判断
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过在参数相等时分别判断 A、B 系统的能控性与能观性
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 本卷考过能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式