←择校首页控制考研真题思维导图真题思维导图

华北电力大学(保定) 821 自动控制理论(含现控) 2017 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等 八道大题含选择、填空、延迟系统响应、多回路传函与扰动补偿、单容与双容水箱控制、离散系统稳定、电路状态空间极点配置;覆盖面广,双容水箱题印有25分。

点击节点展开/折叠 · 滚轮缩放 · 拖拽平移
控制考研哪家强,万人教育来领航
28考研交流群:1104923352
B站账号:控制考研阿祖

一一、选择题#

思路
  • 五道选择题分别考查传递函数的基本性质、单位负反馈一阶系统的调节时间、串联超前校正装置的识别、控制系统的分类以及由二阶系统闭环极点求超调量。
本卷考法
  • 判断关于传递函数性质的叙述是否正确
本卷实例
  • 关键一步:回顾传递函数以零初始条件为前提
  • 关键一步:区分传递函数只反映外部关系不反映内部结构
  • 中间结果:传递函数仅对线性定常系统且零初始条件下成立
  • 卡点:把传递函数能描述的范围扩大到任意系统
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
  • 本卷考过判断关于传递函数性质的叙述是否正确
  • 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
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由一阶单位负反馈系统的开环传函估算调节时间
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为一阶惯性形式
  • 关键一步:按百分之五误差带取三倍时间常数
  • 中间结果:调节时间由闭环时间常数决定
  • 卡点:把调节时间的误差带系数记错
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
  • 本卷考过由一阶单位负反馈系统的开环传函估算调节时间
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 从给定传递函数中识别串联超前校正装置
本卷实例
  • 关键一步:比较零极点转折频率的位置关系
  • 关键一步:零点频率小于极点频率且具有正相移者为超前
  • 中间结果:超前网络在低频段增益低、相位超前
  • 卡点:把滞后网络误判为超前网络
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
  • 本卷考过从给定传递函数中识别串联超前校正装置
  • 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
本卷考法
  • 按结构形式判断控制系统的分类方式
本卷实例
  • 关键一步:区分按结构形式与按其他标准分类
  • 关键一步:识记开环、闭环与复合系统的划分
  • 中间结果:按结构形式分为开环、闭环与复合控制系统
  • 卡点:把按输入类型划分与按结构形式划分混淆
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环系统按给定、比较、放大、执行、对象、检测六个环节串联成环
  • 按有无反馈分为开环、闭环与复合控制;按给定信号分为恒值、随动与程序控制
  • 检测变送元件把被控量转换成可比较的信号,是反馈通道的入口
  • 控制系统的基本要求是稳、准、快三条
步骤
  • 从工艺或物理描述里找出被控量与操纵量
  • 逐个指认给定、比较、控制、执行、对象与检测六个环节对应的实物
  • 按信号流向把环节串成闭环方框图
  • 说明系统靠什么维持被控量等于给定量
通用考法
  • 本卷考过按结构形式判断控制系统的分类方式
  • 指出系统的被控对象、被控量与操纵量
  • 说明检测变送元件在闭环系统中的作用
  • 画出给定系统的闭环方框图并说明工作过程
常见易错
  • 把被控量与操纵量搞反
  • 只画方框图而不指认环节,或反之,漏答一半
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
  • 由二阶系统闭环极点求阻尼比并估算超调量
本卷实例
  • 关键一步:由共轭极点实部与虚部求阻尼比
  • 关键一步:代入超调量公式估算百分比
  • 中间结果:阻尼比由极点位置唯一确定
  • 卡点:把无零点条件误当成可忽略阻尼比
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
  • 本卷考过由二阶系统闭环极点求阻尼比并估算超调量
  • 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

二二、填空题#

思路
  • 四道填空题分别考查由闭环传函判断稳定性、由对数幅频特性反求环节传函、由特征方程判断特征根分布以及由二阶系统单位阶跃响应求阻尼比与自然频率。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由给定闭环传递函数判断系统是否稳定
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并按降幂排列
  • 关键一步:列劳斯表检查首列符号
  • 中间结果:特征方程系数出现异号即可判定不稳定
  • 卡点:系数缺项未补零
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
  • 本卷考过由给定闭环传递函数判断系统是否稳定
  • 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
本卷考法
  • 由环节的对数幅频特性曲线写出其传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段高度与斜率确定增益与型别
  • 关键一步:由转折频率个数确定时间常数
  • 中间结果:环节传函由低频增益与各转折频率确定
  • 卡点:把转折频率处斜率变化与对应环节阶次对应错
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
  • 本卷考过由环节的对数幅频特性曲线写出其传递函数
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由特征方程判断特征根在左右半平面与虚轴上的分布
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表统计首列符号变化次数
  • 关键一步:由变号次数确定右半平面根数
  • 中间结果:右半平面根数等于劳斯表首列变号次数
  • 卡点:把虚轴上的根与右半平面根混为一谈
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判断特征根在左右半平面与虚轴上的分布
  • 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
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
  • 由二阶系统单位阶跃响应表达式求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把响应中指数系数与振荡频率对照标准二阶形式
  • 关键一步:由衰减系数与振荡角频率联立求解
  • 中间结果:阻尼比与自然频率由响应包络与振荡频率确定
  • 卡点:把衰减系数直接当成自然频率
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
  • 本卷考过由二阶系统单位阶跃响应表达式求阻尼比与自然频率
  • 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

三三、延迟系统响应与降阶#

思路
  • 由含延迟一阶对象的单位阶跃响应曲线读出指定时刻与幅值,再按近似公式把延迟对象化为无纯延迟形式,最后串联积分环节用劳斯判据求稳定参数范围。
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由含延迟一阶对象的单位阶跃响应曲线求指定时刻与幅值
本卷实例
  • 关键一步:写出一阶惯性加延迟的阶跃响应表达式
  • 关键一步:按给定幅值百分比反解对应时刻
  • 中间结果:响应曲线由稳态值、时间常数与延迟时间共同确定
  • 卡点:响应曲线为原卷插图,t1、t2、y2的标注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
  • 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
  • 本卷考过由含延迟一阶对象的单位阶跃响应曲线求指定时刻与幅值
  • 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
  • 按近似公式把含纯延迟对象化为无纯延迟形式
本卷实例
  • 关键一步:识别对象为k e^-τs除以(Ts+1)^n
  • 关键一步:由n1T1约等于nT加τ确定降阶参数
  • 中间结果:近似后延迟被并入等效时间常数
  • 卡点:n1取整时四舍五入方向用反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 六种典型环节:比例、积分、微分、惯性、振荡、延迟
  • 惯性环节由时间常数 T 描述,T 越小响应越快
  • 振荡环节由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 共同描述
  • 延迟环节只改变相位,不改变幅值
步骤
  • 把传递函数分解为若干典型环节的乘积
  • 逐环节写出幅频与相频表达式
  • 按环节类型判断对系统性能的影响
通用考法
  • 本卷考过按近似公式把含纯延迟对象化为无纯延迟形式
  • 指出给定传递函数由哪些典型环节串联组成
  • 由阶跃响应曲线或 Bode 图识别环节类型
  • 比较两个系统的时间常数大小
常见易错
  • 把一阶微分环节 (τs+1) 与纯微分环节 s 混为一谈
  • 把延迟环节的相位滞后误当作幅值衰减
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
  • 把高阶惯性对象降阶为低阶形式以便分析
本卷实例
  • 关键一步:保持低频增益不变
  • 关键一步:使降阶前后时间常数之和相等
  • 中间结果:降阶后对象阶数降低且稳态增益不变
  • 卡点:降阶后改变了系统型别
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
  • 本卷考过把高阶惯性对象降阶为低阶形式以便分析
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 串联积分环节后用劳斯判据求系统稳定的参数范围
本卷实例
  • 关键一步:写出串联积分后的开环传函与闭环特征方程
  • 关键一步:列劳斯表并要求首列同号
  • 中间结果:稳定条件化为关于增益参数的不等式
  • 卡点:含参数系数未整理成降幂形式
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
  • 本卷考过串联积分环节后用劳斯判据求系统稳定的参数范围
  • 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
  • 由稳定条件确定增益参数的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:逐项列出劳斯表首列的不等式
  • 关键一步:取交集并判断端点是否包含
  • 中间结果:稳定域为一个开区间
  • 卡点:漏掉某个首列元素对应的约束
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
  • 本卷考过由稳定条件确定增益参数的取值范围
  • 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

四四、多回路传函与扰动补偿#

思路
  • 由控制系统结构图求开环传函、给定输入与扰动输入下的闭环传函,令扰动传函为零求补偿器表达式,再由分子分母阶次判断其可实现性。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由多回路结构图求系统的开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:区分主回路与局部反馈回路
  • 关键一步:逐层化简内环后写出开环传函
  • 中间结果:开环传函由前向通道与反馈通道之积表示
  • 卡点:化简内环时把外环信号当作常数
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
  • 本卷考过由多回路结构图求系统的开环传递函数
  • 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
  • 分别求给定输入与扰动输入下的闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:求某通道传函时把另一输入置零
  • 关键一步:按梅森公式列各自通路与回路
  • 中间结果:两通道共用同一闭环特征式
  • 卡点:求扰动传函时未把给定输入置零
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
  • 本卷考过分别求给定输入与扰动输入下的闭环传函
  • 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
  • 求补偿器使系统输出完全不受扰动影响
本卷实例
  • 关键一步:令扰动到输出的传函为零
  • 关键一步:解出补偿器与两条通道传函的关系
  • 中间结果:不变性条件由两条前向通道相消得到
  • 卡点:把扰动点位置对应的通道搞错
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
  • 本卷考过求补偿器使系统输出完全不受扰动影响
  • 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
  • 由补偿器分子分母阶次判断其在阶跃输入下的可实现性
本卷实例
  • 关键一步:比较补偿器分子与分母的阶数
  • 关键一步:按因果性判断物理可实现条件
  • 中间结果:分子阶次高于分母时不可物理实现
  • 卡点:只看系数大小不比较阶次
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
  • 本卷考过由补偿器分子分母阶次判断其在阶跃输入下的可实现性
  • 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
  • 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

五五、单容水箱比例与积分控制#

思路
  • 对一阶广义对象分别采用比例控制和积分控制,求比例控制下的超调量与调节时间,由阻尼比要求求积分增益的稳定范围,最后分析参数变化对调节时间与稳态误差的影响。
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
  • 由一阶对象加比例控制写出闭环传函并化为标准二阶形式
本卷实例
  • 关键一步:先写出开环传函再求闭环传函
  • 关键一步:把分母整理成标准二阶形式读出阻尼比与自然频率
  • 中间结果:一阶对象加比例控制后仍为一阶系统
  • 卡点:把一阶系统误当成二阶系统套公式
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
  • 本卷考过由一阶对象加比例控制写出闭环传函并化为标准二阶形式
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 求比例控制下一阶系统的超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:判断一阶系统单位阶跃响应单调无超调
  • 关键一步:按误差带确定调节时间
  • 中间结果:一阶系统无超调、调节时间由时间常数决定
  • 卡点:把二阶系统的超调量公式套到一阶系统
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
  • 本卷考过求比例控制下一阶系统的超调量与调节时间
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 积分控制下由超调量要求求使系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出积分控制下的闭环特征方程
  • 关键一步:由劳斯判据与阻尼比要求求增益范围
  • 中间结果:稳定范围由劳斯判据和阻尼比下界共同限制
  • 卡点:只由劳斯判据定范围而忽略超调要求
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
  • 本卷考过积分控制下由超调量要求求使系统稳定的增益范围
  • 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
本卷考法
  • 求积分控制下单位阶跃输入时的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:判断系统型别
  • 关键一步:由静态误差系数求阶跃静差
  • 中间结果:含积分环节时阶跃静差为零
  • 卡点:未判稳就使用终值定理
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
  • 本卷考过求积分控制下单位阶跃输入时的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 分析控制器参数变化对调节时间与稳态误差的影响
本卷实例
  • 关键一步:把调节时间与稳态误差分别写成参数的函数
  • 关键一步:判断两指标随参数变化的单调方向
  • 中间结果:减小误差与加快响应往往需要折中
  • 卡点:只增大增益而不检查稳定性与超调
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
  • 本卷考过分析控制器参数变化对调节时间与稳态误差的影响
  • 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

六六、双容水箱奈奎斯特与校正25 分#

思路
  • 对扩容后的二阶水箱对象分别采用比例和比例积分控制,画奈奎斯特曲线草图并用劳斯判据求稳定增益范围,求单位阶跃稳态误差,判别给定控制器的超前滞后性质,最后设计补偿方案消除稳态误差。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 画比例控制下的奈奎斯特曲线草图并用其判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出双容水箱开环传函的幅相表达式
  • 关键一步:由曲线与负实轴交点确定临界增益
  • 中间结果:二阶无积分环节系统曲线不包围临界点即稳定
  • 卡点:曲线草图形状与穿越点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过画比例控制下的奈奎斯特曲线草图并用其判断稳定性
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据求比例控制下系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程
  • 关键一步:列劳斯表并令首列各元同号
  • 中间结果:稳定条件化为增益的上界
  • 卡点:特征方程系数未按降幂排列
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比例控制下系统稳定的增益范围
  • 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
  • 比例积分控制下用劳斯判据求稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出含比例积分的开环传函
  • 关键一步:对两个积分时间分别判断稳定增益
  • 中间结果:积分时间不同对应不同的临界增益
  • 卡点:积分环节引入后未重新补画曲线圆弧
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
  • 本卷考过比例积分控制下用劳斯判据求稳定增益范围
  • 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
本卷考法
  • 求双容水箱系统单位阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先确认闭环稳定
  • 关键一步:用终值定理求阶跃静差
  • 中间结果:无积分环节时阶跃输入存在有限静差
  • 卡点:系统不稳定仍套用终值定理
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
  • 本卷考过求双容水箱系统单位阶跃输入下的稳态误差
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由给定控制器传函判断其属于超前还是滞后环节
本卷实例
  • 关键一步:比较零点与极点转折频率的大小
  • 关键一步:零点频率小于极点频率时为超前环节
  • 中间结果:控制器参数决定其相频特性的正负
  • 卡点:把超前与滞后的转折频率顺序写反
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
  • 本卷考过由给定控制器传函判断其属于超前还是滞后环节
  • 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
  • 设计控制方案消除双容水箱单位阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:由零静差要求把系统型别提高一级
  • 关键一步:在前向通道串联积分环节
  • 中间结果:串联积分控制器可使系统升为I型
  • 卡点:只消除静差不检查稳定性变化
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
  • 本卷考过设计控制方案消除双容水箱单位阶跃输入下的稳态误差
  • 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
  • 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

七七、离散系统脉冲传函与稳定#

思路
  • 由离散控制系统结构图求闭环脉冲传函,分析采样周期能否无限增大,再用双线性变换把z域特征方程化为w域并判稳。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散控制系统的闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按采样开关位置把连续部分合并后作z变换
  • 关键一步:由前向通道与反馈通道写出闭环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函由开环脉冲传函与反馈通道确定
  • 卡点:把没有采样开关隔开的连续环节直接相乘
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
  • 本卷考过求离散控制系统的闭环脉冲传递函数
  • 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
本卷考法
  • 分析采样周期能否无限增大
本卷实例
  • 关键一步:说明采样间隔增大导致信息丢失与相位滞后加剧
  • 关键一步:由采样定理给出采样周期的上限约束
  • 中间结果:采样周期过大将破坏系统稳定与可控性
  • 卡点:把采样定理的两倍关系记成相等
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
  • 本卷考过分析采样周期能否无限增大
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用双线性变换判断离散系统的稳定性
本卷实例
  • 关键一步:把z域特征方程按双线性变换代入
  • 关键一步:对w域特征方程用劳斯判据判断
  • 中间结果:z平面单位圆内极点映射到w平面左半平面
  • 卡点:双线性变换公式记错导致映射关系颠倒
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
  • 本卷考过用双线性变换判断离散系统的稳定性
  • 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

八八、电路状态空间与极点配置#

思路
  • 由RLC电路列写状态空间表达式并确定参数,判断能控性与能观性,用状态反馈把极点配置到给定位置,最后求稳态误差并设计补偿方案消除。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由电路列写状态方程与输出方程并确定矩阵参数
本卷实例
  • 关键一步:选取电感电流与电容电压为状态变量
  • 关键一步:按基尔霍夫定律列方程整理成状态空间形式
  • 中间结果:状态矩阵由电路元件参数确定
  • 卡点:电路为原卷插图,参考方向与连接方式需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由电路列写状态方程与输出方程并确定矩阵参数
  • 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
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断电路系统的能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:构造能控判别阵与能观判别阵
  • 关键一步:由判别阵的秩判断能控能观
  • 中间结果:判别阵满秩时系统完全能控能观
  • 卡点:把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
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
  • 本卷考过判断电路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
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 用状态反馈把系统极点配置到给定位置
本卷实例
  • 关键一步:先由能控性确认可任意配置极点
  • 关键一步:比较闭环特征多项式与期望多项式求反馈矩阵
  • 中间结果:反馈矩阵由两组多项式系数之差确定
  • 卡点:未验证能控性就直接配置极点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态反馈 u=-Kx+v 可任意配置闭环极点,前提是系统完全能控
  • 状态反馈不改变系统的零点
  • 极点配置通过比较期望与实际的闭环特征多项式求解 K
  • 状态反馈可能改变能观性
步骤
  • 先验证系统能控
  • 写出希望配置的极点并求期望特征多项式
  • 求闭环系统特征多项式 det(sI-A+BK)
  • 比较系数解出反馈增益阵 K
通用考法
  • 本卷考过用状态反馈把系统极点配置到给定位置
  • 设计状态反馈使闭环极点位于指定位置
  • 判断给定极点是否可通过状态反馈配置
  • 分析状态反馈对系统性能的影响
常见易错
  • 未验证能控性就直接做极点配置
  • 特征多项式比较系数时符号写反
公式
本卷考法
  • 求状态反馈后系统单位阶跃输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环传递函数
  • 关键一步:用终值定理求阶跃静差
  • 中间结果:状态反馈不改变系统零点
  • 卡点:把闭环增益与开环增益混用
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
  • 本卷考过求状态反馈后系统单位阶跃输入下的稳态误差
  • 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
本卷考法
  • 设计补偿方案使状态反馈后系统单位阶跃静差为零
本卷实例
  • 关键一步:由零静差要求在前向通道增设积分环节
  • 关键一步:画出补偿后的系统方框图
  • 中间结果:增设积分环节后系统跟踪阶跃无静差
  • 卡点:补偿后未复核系统稳定性
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
  • 本卷考过设计补偿方案使状态反馈后系统单位阶跃静差为零
  • 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