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江南大学 807 自动控制理论(含现控) 2020 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等偏难 全卷 10 道大题:一为 5 小问填空,二至十覆盖结构图与传函、二阶指标、根轨迹、频域裕度与延迟、校正选型、非线性自振、离散系统、复合控制与状态空间。一、二、三、四、五、六、七、八、九、十题面含原卷插图。

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一一、填空题(5小题)#

思路
  • 由闭环传函写微分方程、化典型反馈结构求G(s)与H(s)、由输出表达式反求闭环传函、读正弦输入下稳态输出角频率、写非线性方程等倾线方程。
本卷考法
  • 由闭环传递函数反写系统微分方程
本卷实例
  • 关键一步:把传函化为分母乘输出等于分子乘输入
  • 中间结果:作拉氏反变换即得时域微分方程
  • 卡点:零初始条件这一前提不要丢
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
  • 本卷考过由闭环传递函数反写系统微分方程
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 把结构图化为典型反馈形式求G(s)与H(s)
本卷实例
  • 关键一步:按串联反馈等效把框图整理成标准形式
  • 中间结果:比较标准前向通道与前向环节定出G与H
  • 卡点:反馈极性决定分母中的加减号
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
  • 本卷考过把结构图化为典型反馈形式求G(s)与H(s)
  • 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
  • 由输出响应表达式反求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:对输出与其导数项作拉氏变换
  • 中间结果:整理成输出比输入的闭环传函
  • 卡点:注意稳态分量与瞬态分量系数的对应
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
  • 本卷考过由输出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
本卷考法
  • 由正弦输入读稳态输出的角频率
本卷实例
  • 关键一步:线性定常系统稳态输出与输入同频
  • 中间结果:角频率直接取自输入的正弦项
  • 卡点:只有幅值与相位会被系统改变
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
  • 本卷考过由正弦输入读稳态输出的角频率
  • 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
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 由非线性方程写等倾线方程
本卷实例
  • 关键一步:把二阶方程化为相轨迹斜率表达式
  • 中间结果:令斜率等于给定常数即得等倾线
  • 卡点:斜率是导数之比,不要写反
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
  • 本卷考过由非线性方程写等倾线方程
  • 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

二二、由脉冲响应方程组画结构图并求传函#

思路
  • 已知以中间变量表示的脉冲响应方程组,画系统结构图与信号流图,再求总传递函数C(s)/R(s)。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由微分方程组画系统结构图与信号流图
本卷实例
  • 关键一步:把每个方程按输入输出关系画成环节
  • 中间结果:按中间变量的联系把各环节串接成图
  • 卡点:中间变量个数要与方程个数对应
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
  • 本卷考过由微分方程组画系统结构图与信号流图
  • 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
  • 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
  • 用梅森公式求总传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由结构图列全部回路与前向通路
  • 中间结果:前向通路与余子式之比给出总传函
  • 卡点:不接触回路的余子式不要漏
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求总传递函数
  • 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

三三、二阶系统指标与局部反馈影响#

思路
  • 含局部反馈K2s的结构图,分别在K2=0与K2=1时求调节时间与斜坡稳态误差,再按给定阻尼比与误差反求K1、K2并分析局部反馈的影响。
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 在给定参数下求调节时间与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函化为二阶标准式读出阻尼比与自然频率
  • 中间结果:按调节时间公式与误差系数分别计算
  • 卡点:调节时间要按题目指定的误差带取系数
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
  • 本卷考过在给定参数下求调节时间与稳态误差
  • 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
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
  • 加入局部反馈后的闭环极点分析
本卷实例
  • 关键一步:比较局部反馈前后闭环特征方程
  • 中间结果:局部反馈改变的是阻尼而主要不是型别
  • 卡点:稳态误差可能因增益变化而改变方向
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
  • 本卷考过加入局部反馈后的闭环极点分析
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比与稳态误差反求K1与K2
本卷实例
  • 关键一步:由阻尼比条件与误差条件联立方程组
  • 中间结果:解方程组得到两个反馈系数
  • 卡点:两个条件要同时满足,不能只代其中一个
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
  • 本卷考过由阻尼比与稳态误差反求K1与K2
  • 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
  • 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、根轨迹与阻尼比·调节时间约束#

思路
  • 单位负反馈开环 G(s)=K*/[s(s+4)],画根轨迹,求给定阻尼比下的闭环极点,再由阻尼比与调节时间约束求开环增益范围。
本卷考法
  • 绘制二阶系统根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标出开环极零点并判断实轴根轨迹段
  • 中间结果:写出分离点与渐近线要素
  • 卡点:分离点与虚轴交点是两类不同临界点
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
  • 本卷考过绘制二阶系统根轨迹
  • 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
本卷考法
  • 由给定阻尼比求闭环极点及增益
本卷实例
  • 关键一步:沿等阻尼线把闭环特征方程与标准式对照
  • 中间结果:解出自然频率后写出闭环极点
  • 卡点:等阻尼线不是垂直线,勿画错
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
  • 本卷考过由给定阻尼比求闭环极点及增益
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比与调节时间约束反求增益范围
本卷实例
  • 关键一步:由调节时间要求解出自然频率下界
  • 中间结果:再与阻尼比条件一起换算为增益范围
  • 卡点:两个指标给出的边界方向可能相反,需取交集
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
  • 本卷考过由阻尼比与调节时间约束反求增益范围
  • 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

五五、Bode图·稳定裕度与延迟环节#

思路
  • 开环 G(s)=10/[s(0.2s+1)(0.5s+1)],画对数频率特性并标注相角裕度与幅值裕度、判断稳定性,再求使系统稳定时延迟时间的范围。
本卷考法
  • 绘制开环对数幅频与相频特性
本卷实例
  • 关键一步:按低频段斜率和各转折频率逐段画折线
  • 中间结果:在图上标出截止频率与相位穿越频率
  • 卡点:逐段改斜率时是累加而不是替换
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
  • 本卷考过绘制开环对数幅频与相频特性
  • 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
  • 求相角裕度与幅值裕度并判稳
本卷实例
  • 关键一步:截止频率处用相位余量、穿越频率处用幅值余量
  • 中间结果:两者都为正则闭环稳定
  • 卡点:两个频率的位置和用途不要互换
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与幅值裕度并判稳
  • 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
  • 由相角裕度与延迟环节求延迟时间范围
本卷实例
  • 关键一步:延迟环节只贡献与频率成正比的相位滞后
  • 中间结果:令扣除延迟相位后仍有足够裕度求时间上界
  • 卡点:延迟相位计算注意角度与弧度换算
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
  • 本卷考过由相角裕度与延迟环节求延迟时间范围
  • 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
  • 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

六六、Bode图最大相角裕度与校正选型#

思路
  • 开环 G(s)=K(0.5s+1)/[s²(0.2s+1)],画对数幅频特性并确定最大相角裕度时的截止频率与K,再就减小加速度误差且保持动态性能选择校正类型。
本卷考法
  • 由开环传函绘制对数幅频特性并读参数
本卷实例
  • 关键一步:按两个积分环节与一阶环节叠加画渐近线
  • 中间结果:由幅值等于零分贝的条件求截止频率
  • 卡点:延长线交点对应的增益要按型别折算
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
  • 本卷考过由开环传函绘制对数幅频特性并读参数
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求使相角裕度最大的增益与截止频率
本卷实例
  • 关键一步:写出相角裕度随频率变化的表达式
  • 中间结果:令其对频率求导为零得到极大值点
  • 卡点:最大裕度对应的增益并不是最小或最大增益
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
  • 本卷考过求使相角裕度最大的增益与截止频率
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 根据精度与动态要求选择超前校正
本卷实例
  • 关键一步:型别已定,减小加速度误差要靠提高低频增益
  • 中间结果:超前校正在抬高低频增益的同时可提供正相角
  • 卡点:超前校正的幅值衰减会牺牲其他频段增益
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
  • 本卷考过根据精度与动态要求选择超前校正
  • 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

七七、并联非线性描述函数与自振#

思路
  • 两个带死区继电特性并联的非线性系统,求并联后的描述函数,求使系统稳定的K范围,并在K=2.5时判断自振并求频率与振幅。
本卷考法
  • 求两个非线性环节并联后的描述函数
本卷实例
  • 关键一步:同一输入振幅下两个继电特性输出相加
  • 中间结果:并联描述函数等于各自描述函数之和
  • 卡点:两环节的转折幅值不同,分段讨论振幅区间
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过求两个非线性环节并联后的描述函数
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式
本卷考法
  • 用描述函数法判断自振与求幅值频率
本卷实例
  • 关键一步:画负倒描述函数与线性部分奈奎斯特曲线
  • 中间结果:由交点读出自振频率与振幅
  • 卡点:振幅增大方向要标注才能判断自振稳定性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 自振条件为 G(jω)N(A)=-1,即线性部分特性与负倒描述函数曲线相交
  • 交点给出自振频率 ω 与自振幅值 A
  • 负倒描述函数曲线上幅值增大的方向决定自振是否稳定
  • 交点处两条曲线的走向关系决定极限环稳定性
步骤
  • 求线性部分的频率特性 G(jω)
  • 求非线性环节的负倒描述函数 -1/N(A) 并确定 A 的增大方向
  • 在同一复平面上画两条曲线并求交点
  • 由交点处的走向判断自振是否存在且稳定,读出 ω 与 A
通用考法
  • 本卷考过用描述函数法判断自振与求幅值频率
  • 判断系统是否产生自持振荡
  • 求自振频率与自振幅值
  • 分析参数变化对自振的影响
常见易错
  • 画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
  • 未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 把交点频率当成截止频率
公式
本卷考法
  • 分析增益变化对系统稳定的影响
本卷实例
  • 关键一步:增益改变线性部分的奈奎斯特曲线大小
  • 中间结果:曲线与负倒描述函数是否相交决定有无自振
  • 卡点:仅调增益而不检查是否引入新的自振点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过分析增益变化对系统稳定的影响
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振

八八、离散系统脉冲传函·判稳与误差#

思路
  • 含零阶保持器的离散系统,求闭环脉冲传函,求使系统稳定的K范围,并在斜坡输入稳态误差小于给定值下再求K范围。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统的闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先求含零阶保持器的开环Z变换
  • 中间结果:代入闭环脉冲传函公式整理
  • 卡点:两个连续环节之间有无采样开关影响结果
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
  • 本卷考过求离散系统的闭环脉冲传函
  • 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
  • 求使离散系统稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程并作双线性变换
  • 中间结果:套用劳斯判据或直接判根模小于一
  • 卡点:稳定条件不是实部小于零
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
  • 本卷考过求使离散系统稳定的增益范围
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 由斜坡稳态误差要求求增益范围
本卷实例
  • 关键一步:用误差脉冲传函与终值定理建立误差表达式
  • 中间结果:与稳定性条件取交集得到最终范围
  • 卡点:未判稳就用终值定理会给出错误范围
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过由斜坡稳态误差要求求增益范围
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
公式

九九、复合控制前馈补偿设计#

思路
  • 复合控制系统按不同工况设计Gc1(s)与Gc2(s):扰动不变性、参考输入无误差、由稳态误差上界求增益、由响应反求增益与闭环传函。
本卷考法
  • 由扰动不变性设计前馈补偿器Gc2
本卷实例
  • 关键一步:扰动单独作用时求扰动到输出的传函
  • 中间结果:令该传函恒为零解出补偿器表达式
  • 卡点:含高阶微分的补偿器要说明可实现性
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
  • 本卷考过由扰动不变性设计前馈补偿器Gc2
  • 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
  • 由误差传递函数设计参考前馈Gc1
本卷实例
  • 关键一步:写出误差对参考输入的传递函数
  • 中间结果:令误差在给定输入下恒为零求补偿器
  • 卡点:输入为斜坡时补偿器结构要与型别匹配
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
  • 本卷考过由误差传递函数设计参考前馈Gc1
  • 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
  • 由单位斜坡稳态误差上界求增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用速度误差系数建立误差表达式
  • 中间结果:误差上界化为增益的不等式范围
  • 卡点:误差要求与稳定要求可能方向相反,取交集
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
  • 本卷考过由单位斜坡稳态误差上界求增益范围
  • 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
  • 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
  • 由给定输出响应反求参数与闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:把响应分成稳态分量与瞬态分量
  • 中间结果:对照拉氏变换结果写出闭环传函与参数
  • 卡点:该小问原卷标注回忆存在问题,题面存疑
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
  • 本卷考过由给定输出响应反求参数与闭环传函
  • 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

十十、状态反馈与极点配置·观测#

思路
  • 给定状态方程与输出方程,判断能否用反馈矩阵k把极点配置到给定位置并求解,再在状态不可测量的条件下讨论其他配置方法。
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 判断极点可配置性并求状态反馈增益
本卷实例
  • 关键一步:先由能控性矩阵的秩判断系统是否完全能控
  • 中间结果:设反馈增益阵并比较期望与闭环特征多项式
  • 卡点:未验证能控性就下结论是可配置性判据的常见错误
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
  • 本卷考过判断极点可配置性并求状态反馈增益
  • 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
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 状态不可测量时用观测器实现极点配置
本卷实例
  • 关键一步:传感器不可测状态时构造状态观测器估计状态
  • 中间结果:把观测器与状态反馈组合后再配置极点
  • 卡点:观测器极点应比状态反馈极点更快
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态观测器用输出与输入重构状态,前提是系统能观
  • 极点配置法与龙伯格观测器是两种常用形式
  • 观测器误差动态由 A-LC 的特征值决定
  • 观测器极点通常取得比系统极点快若干倍
步骤
  • 验证系统能观性
  • 写出观测器方程并求误差动态矩阵
  • 按期望特征多项式比较系数求出 L
  • 校验观测器收敛速度是否合适
通用考法
  • 本卷考过状态不可测量时用观测器实现极点配置
  • 设计全维状态观测器
  • 由期望观测器极点求反馈增益阵 L
  • 分析观测器与状态反馈组合后的系统极点
常见易错
  • 把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 忽略观测器极点过快会放大噪声
公式