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南昌大学 873 自动控制原理 2021 年真题思维导图

211 院校共 7 题

难度:中等 全卷 7 题,覆盖 RC 网络建模、四阶根轨迹与稳定 K 范围、奈奎斯特判据、串联滞后校正与相角裕度、离散系统脉冲传函与稳态值、饱和非线性相平面、描述函数法自振分析。卷首与逐年、宝典两源均未印共几题,也未逐题标分值;第一、三、四、五、六、七题含原卷插图。

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1一、RC 网络求传递函数#

思路
  • 按复阻抗法对中间节点列 KCL 与 KVL,消去电容电流与节点电压,整理得输出电压与输入电压之比
本卷考法
  • 由无源 RC 网络列节点电流方程求 Uo(s) 与 Ui(s) 之比
本卷实例
  • 关键一步:把电容按复阻抗写成 1/(Cs),对中间节点列 KCL
  • 中间结果:节点电压先用输入电压与两条电容支路电流表示
  • 卡点:图 1 元件串并联关系需回原卷核对,两电容不能当串联
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由无源 RC 网络列节点电流方程求 Uo(s) 与 Ui(s) 之比
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 无源 RC 网络用复阻抗与节点法建立输入输出关系
本卷实例
  • 关键一步:用 KVL 把节点电压写成输入与电容电流的关系
  • 中间结果:消去中间电流后整理成含 R、C 的一阶分式
  • 卡点:输出端取压方向决定正负号,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过无源 RC 网络用复阻抗与节点法建立输入输出关系
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式

2二、四阶根轨迹与稳定 K 范围#

思路
  • 由开环极点定根轨迹分支、实轴段与渐近线,用分离点和虚轴交点求临界 K,再由劳斯判据给出稳定域
本卷考法
  • 按绘制法则画四阶系统的概略根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由四个开环极点定分支数、实轴段与渐近线
  • 中间结果:渐近线交点是极点实部平均值,夹角按 n-m 均分
  • 卡点:一对共轭复极点使渐近线与出射角计算易出错
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四阶系统的概略根轨迹
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 利用题给分离点 -4.6 划分根轨迹实轴段
本卷实例
  • 关键一步:把分离点当作重根代入闭环特征方程求临界 K
  • 中间结果:分离点处特征方程出现重根,可用导数条件校验
  • 卡点:分离点是否在根轨迹上要回代幅值条件确认
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
  • 本卷考过利用题给分离点 -4.6 划分根轨迹实轴段
  • 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
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:将 s=jω 代入闭环特征方程,分离实部虚部联立
  • 中间结果:虚轴交点由辅助方程给出,临界 K 由劳斯首列定
  • 卡点:负频率要舍去,只保留物理角频率
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临界增益
  • 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
本卷考法
  • 由根轨迹判断闭环根落在负实轴时的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:沿实轴根轨迹段找闭环根落在负实轴的 K 区间
  • 中间结果:临界 K 对应分离点或实轴段端点处的重根
  • 卡点:负实轴根区间与全稳定区间不是同一个集合
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
  • 本卷考过由根轨迹判断闭环根落在负实轴时的 K 范围
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由劳斯判据首列同号确定稳定 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征方程按降幂排列后列劳斯表
  • 中间结果:首列各元素含 K,令其全部大于零得不等式组
  • 卡点:漏掉首列某一元素会放大稳定范围
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
  • 本卷考过由劳斯判据首列同号确定稳定 K 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

3三、极坐标图与奈奎斯特判据#

思路
  • 写开环频率特性的幅频与相频,画极坐标图求与负实轴交点,再由奈奎斯特判据与劳斯判据判断稳定性
本卷考法
  • 求开环传递函数的幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω,分别取模与相角得到频率特性
  • 中间结果:低频幅值无穷大,相角由积分与惯性环节叠加
  • 卡点:分母复数取模时别漏掉积分环节的幅值贡献
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
  • 本卷考过求开环传递函数的幅频与相频表达式
  • 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
  • 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
  • 用奈奎斯特判据判断稳定性与右半平面极点数
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P,再数曲线对 -1 的包围
  • 中间结果:闭环右半平面极点数由 Z 等于 P 减 2N 给出
  • 卡点:开环含积分环节时需补画无穷大半径圆弧
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断稳定性与右半平面极点数
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由劳斯判据求系统稳定时的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征多项式后列劳斯表,令首列同号
  • 中间结果:稳定范围由首列两个线性不等式取交集
  • 卡点:奈氏判据求出的临界 K 要与劳斯结果互相校验
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
  • 本卷考过由劳斯判据求系统稳定时的 K 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

4四、串联滞后校正与相角裕度#

思路
  • 由校正后与校正装置图分别写开环传函,相除得校正前传函;再由剪切频率处相角求校正后相角裕度
本卷考法
  • 由校正前后转折频率写出开环对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:从低频段斜率和高度出发,逐个转折频率叠加斜率
  • 中间结果:校正后开环比校正前多一个零点与一个极点
  • 卡点:转折频率与时间常数互为倒数,别抄反
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
  • 本卷考过由校正前后转折频率写出开环对数幅频特性
  • 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
  • 由剪切频率处相角计算校正后相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:令开环幅值等于一求剪切频率,再算该处相角裕度
  • 中间结果:相角裕度为 180 度加开环在剪切频率处的相角
  • 卡点:剪切频率与相位穿越频率是两个不同频率
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
  • 本卷考过由剪切频率处相角计算校正后相角裕度
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正装置零极点转折频率判断滞后校正
本卷实例
  • 关键一步:比较校正装置零点与极点的转折频率高低定类型
  • 中间结果:极点转折频率低于零点时为滞后网络,抬高低频增益
  • 卡点:校正装置图未读图,零极点位置需回原卷核对
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
  • 本卷考过由校正装置零极点转折频率判断滞后校正
  • 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
本卷考法
  • 说明校正前后开环结构与性能指标的变化
本卷实例
  • 关键一步:比较校正前后开环型别、剪切频率与相角裕度
  • 中间结果:校正装置零点转折频率高于极点,低频增益抬高
  • 卡点:滞后网络会引入相位滞后,需核算裕度是否足够
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
  • 本卷考过说明校正前后开环结构与性能指标的变化
  • 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
  • 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

5五、离散系统脉冲传函与稳态值#

思路
  • 把 ZOH 与被控对象合并求开环脉冲传函,写闭环特征方程用 w 变换判稳,再用终值定理求单位阶跃下稳态输出
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环与闭环脉冲传递函数
本卷实例
  • 关键一步:把 ZOH 的 (1-z^-1)/s 与对象 G(s) 合并后做 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函分母含 z-1 与 z 减指数极点两个因式
  • 卡点:采样开关位置与反馈增益是否进 z 变换需核对图
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
  • 本卷考过求含零阶保持器的开环与闭环脉冲传递函数
  • 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
离散系统稳定性分析 离散控制系统
本卷考法
  • 用 w 变换与劳斯判据求稳定 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征多项式作双线性变换 z 与 w 互换
  • 中间结果:稳定条件化为变换后多项式首列同号
  • 卡点:离散稳定条件是极点模小于一,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
  • 本卷考过用 w 变换与劳斯判据求稳定 K 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
  • 用终值定理求单位阶跃下稳态输出值
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再对闭环传函与阶跃输入取 z 趋于一的极限
  • 中间结果:稳态值由闭环传函在 z 等于一处取值决定
  • 卡点:终值定理只能在系统稳定时使用
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
  • 本卷考过用终值定理求单位阶跃下稳态输出值
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续部分的部分分式查 z 变换表
本卷实例
  • 关键一步:把含 s 平方与一阶极点的分式拆成部分分式
  • 中间结果:指数型极点按 z 除以 z 减 e 的负 aT 映射
  • 卡点:z 变换表里的指数含采样周期 T,别漏乘
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • z 变换是离散信号的拉氏变换,令 z=e^{Ts} 得到
  • 常用函数的 z 变换要熟记
  • z 反变换可用部分分式法、幂级数法或留数法
  • 左半 s 平面映射到 z 平面单位圆内
步骤
  • 将连续传递函数展开为部分分式
  • 逐项查表做 z 变换
  • 需要时做 z 反变换求时间序列
通用考法
  • 本卷考过由连续部分的部分分式查 z 变换表
  • 求给定函数的 z 变换
  • 求 z 反变换得到采样序列
  • 说明 s 平面与 z 平面的映射关系
常见易错
  • 把 z 变换结果中的 e^{-aT} 写成 e^{-a}
  • 部分分式分解时漏项导致反变换出错
公式

6六、饱和非线性系统的相平面分析#

思路
  • 按饱和特性分区写分段线性微分方程,由相轨迹斜率方程定奇点与等倾线,再按初始条件画相轨迹
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 按饱和特性分区绘制误差与误差导数的相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:由误差与误差导数的符号和饱和区边界把平面分区
  • 中间结果:区内方程由误差导数乘斜率等于相应线性表达式
  • 卡点:初始条件与饱和边界两源 OCR 不一致,需回原卷核对
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
  • 本卷考过按饱和特性分区绘制误差与误差导数的相轨迹
  • 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
本卷考法
  • 分析饱和特性对相轨迹与稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较饱和区与线性区的奇点类型与等倾线
  • 中间结果:线性区内为稳定焦点,饱和区为无奇点的平行等倾线
  • 卡点:饱和使大信号区轨迹改变,不能只按线性区外推
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
  • 本卷考过分析饱和特性对相轨迹与稳定性的影响
  • 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
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 说明饱和使系统呈现分段线性特性
本卷实例
  • 关键一步:按饱和输出为输入的限幅函数列写分区方程
  • 中间结果:分区边界由误差绝对值等于饱和门槛确定
  • 卡点:非线性系统不能直接用线性叠加与终值定理
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 不满足叠加原理,输出与初始条件、输入幅值都有关
  • 可能出现自持振荡即极限环
  • 响应可能对初始条件敏感,出现跳跃谐振
  • 线性系统的稳定性概念需要推广为局部稳定性
步骤
  • 确认系统含明显非线性环节
  • 判断该非线性是本质非线性还是可线性化的弱非线性
  • 按非线性分析方法选择描述函数法或相平面法
通用考法
  • 本卷考过说明饱和使系统呈现分段线性特性
  • 说明非线性系统与线性系统的本质差别
  • 指出同步振荡、跳跃谐振等特有现象
  • 判断某系统应选用哪种分析方法
常见易错
  • 把非线性环节线性化后直接沿用线性理论的全部结论
  • 认为非线性系统一定不稳定

7七、描述函数法分析自振#

思路
  • 把结构图化简为非线性环节与等效线性部分串联,画负倒特性与线性部分曲线,由交点判断自振并求振幅频率
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求死区继电特性描述函数及其负倒数表达式
本卷实例
  • 关键一步:按死区继电特性代入描述函数公式
  • 中间结果:描述函数含根号项,负倒数随振幅单调变化
  • 卡点:描述函数是一次谐波近似,只适用于奇对称非线性
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过求死区继电特性描述函数及其负倒数表达式
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式
本卷考法
  • 由负倒特性与等效线性部分曲线判断自振并求参数
本卷实例
  • 关键一步:把结构图化为非线性与等效线性串联,画两条曲线
  • 中间结果:交点的虚部给自振频率,实部或振幅值给振幅
  • 卡点:要判断交点处振幅增大方向是否为稳定自振
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
  • 本卷考过由负倒特性与等效线性部分曲线判断自振并求参数
  • 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
  • 改变串联环节 G3(s) 后分析自振是否消除
本卷实例
  • 关键一步:重新化简等效线性部分,比较曲线是否包围负倒特性
  • 中间结果:G3(s) 取不同表达式时等效线性部分阶数改变
  • 卡点:G1、G2 表达式两源 OCR 不一致,需回原卷核对
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
  • 本卷考过改变串联环节 G3(s) 后分析自振是否消除
  • 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