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南昌大学 873 自动控制原理 2022 年真题思维导图

211 院校共 8 题

难度:中等 全卷 8 题,覆盖多回路结构图梅森公式、输入下的稳态误差、根轨迹与主导极点求调节时间、极坐标图与奈奎斯特判据、离散系统稳定性与采样响应、数字控制器 D(z) 设计、执行机构饱和影响、由 Bode 图反求校正环节。第一大题头与第二大题头印 15 分,第三、四大题只印小问分,第五至八题未印分值。

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1一、结构图求传递函数 C(s)/R(s)15 分#

思路
  • 用梅森增益公式列出全部独立回路、互不接触回路对与各前向通路,求 C(s) 与 R(s) 之比
本卷考法
  • 列回路增益、不接触回路组与前向通路求 C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先找齐三条回路,再找互相不接触的回路对
  • 中间结果:特征式含回路对乘积项,分子是两条前向通路贡献
  • 卡点:回路是否有公共节点决定是否计入不接触项
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
  • 本卷考过列回路增益、不接触回路组与前向通路求 C(s)/R(s)
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 用梅森公式求多回路系统的闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:按回路与前向通路逐项写出特征式与余子式
  • 中间结果:分子为各前向通路乘对应余子式后求和
  • 卡点:结构图未读图,回路连接与交叉关系需回原卷核对
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
  • 本卷考过用梅森公式求多回路系统的闭环传递函数
  • 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
比较点与引出点的移动 结构图与方框图
本卷考法
  • 按比较点与引出点移动规则化简交叉结构
本卷实例
  • 关键一步:把交叉处引出点前移或后移使回路解耦
  • 中间结果:移动后对应支路增益作倒数补偿
  • 卡点:移动方向与乘除关系搞反会导致结果差一个环节
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 移动的判据:移动前后各支路变量关系必须保持不变
  • 比较点前移要除以所跨环节,后移要乘以所跨环节
  • 引出点前移要乘以所跨环节,后移要除以所跨环节
步骤
  • 确定要移动的点和跨越的环节
  • 按“前移用除、后移用乘”的规则补上等效环节
  • 检查移动后与原结构是否等价
通用考法
  • 本卷考过按比较点与引出点移动规则化简交叉结构
  • 化简含交叉比较点或引出点的结构图
  • 判断某次移动是否正确
常见易错
  • 移动方向与乘除关系搞反
  • 引出点与比较点的移动规则混用

2二、输入下的稳态误差15 分#

思路
  • 由结构图写误差传递函数,先用劳斯判据判稳,再用终值定理求 1+t 与 t^2 输入下的稳态误差
本卷考法
  • 由结构图写误差传递函数 E(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:在误差点断开,按前向通路与回路列梅森公式
  • 中间结果:误差传函分母为 1 加开环传递函数
  • 卡点:非单位反馈时误差定义与偏差定义差一个反馈环节
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
  • 本卷考过由结构图写误差传递函数 E(s)/R(s)
  • 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
  • 求 1+t 与 t^2 输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:把输入拆成阶跃与斜坡或加速度分量分别求误差
  • 中间结果:误差系数决定各输入分量的稳态贡献
  • 卡点:用终值定理前必须先判断系统稳定
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 1+t 与 t^2 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 对误差传函分母作劳斯判据判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:整理闭环特征多项式后列劳斯表
  • 中间结果:劳斯表首列全部为正则闭环稳定
  • 卡点:三阶多项式缺项时先补零再列表
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
  • 本卷考过对误差传函分母作劳斯判据判断稳定性
  • 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
  • 由系统型别判断各静态误差系数
本卷实例
  • 关键一步:数开环传函中积分环节个数定系统型别
  • 中间结果:Ⅰ型系统位置误差系数无穷、加速度误差系数为零
  • 卡点:别把开环增益直接当成速度误差系数
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
  • 本卷考过由系统型别判断各静态误差系数
  • 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
  • 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

3三、根轨迹与主导极点求调节时间#

思路
  • 画三阶系统根轨迹并求临界 K,由已知一个闭环极点用综合除法求其余极点,再用主导极点近似二阶求调节时间
本卷考法
  • 按法则画三阶系统根轨迹并求分离点
本卷实例
  • 关键一步:由三个开环极点定分支、实轴段与三条渐近线
  • 中间结果:渐近线交点与夹角由极点和个数算出
  • 卡点:分离点方程三个根中只有落在根轨迹上的才保留
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
  • 本卷考过按法则画三阶系统根轨迹并求分离点
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界 K
本卷实例
  • 关键一步:把 s=jω 代入特征方程或令劳斯首列为零
  • 中间结果:临界 K 与虚轴交点频率由辅助方程给出
  • 卡点:K 等于零对应的原点交点要与临界交点区分
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 K
  • 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
  • 由已知一个闭环极点反求其余两个闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:把已知根从闭环特征多项式中除出二次因式
  • 中间结果:二次因式给出一对共轭复数极点
  • 卡点:已知根要代回特征方程核对 K 值是否一致
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
  • 本卷考过由已知一个闭环极点反求其余两个闭环极点
  • 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
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
  • 利用主导极点把三阶系统降为二阶系统
本卷实例
  • 关键一步:比较闭环极点实部大小,保留靠近虚轴的一对共轭极点
  • 中间结果:远极点对应时间常数很小,可略去其暂态分量
  • 卡点:降阶近似要求主导极点附近没有开环零点
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
  • 本卷考过利用主导极点把三阶系统降为二阶系统
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由近似二阶系统参数计算调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由保留极点写出等效阻尼比与自然频率
  • 中间结果:调节时间按误差带取 3 或 4 除以阻尼比乘自然频率
  • 卡点:题给 -3.63 是远离虚轴的极点,不是主导极点
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
  • 本卷考过由近似二阶系统参数计算调节时间
  • 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

4四、极坐标图与奈奎斯特判据#

思路
  • 求开环频率特性与奈奎斯特曲线,由与负实轴交点确定包围情况,判稳并指出右半平面闭环极点数
本卷考法
  • 求开环频率特性的幅频相频并画奈奎斯特图
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω,写出幅值和相角的表达式
  • 中间结果:曲线起点在低频无穷远,终点幅值趋于零
  • 卡点:与负实轴交点要令相角等于负 180 度求解
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
  • 本卷考过求开环频率特性的幅频相频并画奈奎斯特图
  • 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包围圈数
本卷实例
  • 关键一步:数开环右半平面极点数 P 和曲线对 -1 的包围圈数
  • 中间结果:闭环右半平面极点数由 Z 等于 P 减 2N 计算
  • 卡点:穿越方向与正负圈数的定义不要搞反
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包围圈数
  • 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
  • 由劳斯判据核对右半平面闭环极点数
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:劳斯表首列变号次数等于右半平面极点数
  • 卡点:奈氏判据与劳斯判据的结论要互相一致
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核对右半平面闭环极点数
  • 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

5五、离散系统稳定性、误差系数与响应#

思路
  • 由 ZOH 与对象求开环脉冲传函,用朱利判据定稳定 K,求静态误差系数与斜坡误差,再用长除法求采样响应
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函
本卷实例
  • 关键一步:用 1 减 z 的负一次幂乘连续部分的 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函分子含采样周期与指数项的组合系数
  • 卡点:采样开关位置不同会使 z 变换不同,需回原卷核对图
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
  • 用朱利判据求使离散系统稳定的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:对闭环特征多项式列朱利表
  • 中间结果:稳定条件为 D(1) 大于零、D(-1) 大于零且常数项模小于一
  • 卡点:三个条件要取交集,不能只看其中一个
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
  • 本卷考过用朱利判据求使离散系统稳定的 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
  • 求静态误差系数与单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:按 z 趋于一分别求位置与速度误差系数
  • 中间结果:单位斜坡误差等于采样周期除以速度误差系数
  • 卡点:求误差系数前要先确认闭环稳定
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
  • 本卷考过求静态误差系数与单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 用长除法求单位阶跃下的采样响应序列
本卷实例
  • 关键一步:用闭环传函乘阶跃 z 变换后做长除法展开
  • 中间结果:按 z 的负幂次依次读出各采样时刻响应值
  • 卡点:长除法只能给出有限项,画曲线需回原卷核对 nT 范围
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
  • 本卷考过用长除法求单位阶跃下的采样响应序列
  • 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、数字控制器 D(z) 设计#

思路
  • 由期望闭环脉冲传函 C(z)/R(z) 反解数字控制器,先求广义对象脉冲传函,再写 D(z) 并检查可实现性
本卷考法
  • 由期望闭环脉冲传函反解数字控制器 D(z)
本卷实例
  • 关键一步:由闭环传函与开环传函关系解出 D(z) 的表达式
  • 中间结果:期望闭环传函取 z 的负二次幂对应两拍最少拍
  • 卡点:D(z) 必须物理可实现,要检查分子分母 z 的幂次
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最少拍系统指在典型输入下经过有限拍达到无稳态误差
  • 设计需要满足可实现性与稳定性约束
  • 最少拍系统的闭环脉冲传递函数由输入类型确定
  • 最少拍设计通常导致很大的控制量,需加限制
步骤
  • 确定输入类型及对应的误差传函形式
  • 按无稳态误差要求构造闭环脉冲传递函数
  • 由 D(z)=Φ(z)/[G(z)(1-Φ(z))] 求数字控制器
  • 检验可实现性、稳定性与控制量大小
通用考法
  • 本卷考过由期望闭环脉冲传函反解数字控制器 D(z)
  • 设计最少拍数字控制器
  • 比较不同输入类型下的最少拍数
  • 分析最少拍系统存在的问题
常见易错
  • 忽略 D(z) 必须是物理可实现的因果系统
  • 闭环传函构造时未满足稳定性约束条件
公式
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求广义对象含零阶保持器的脉冲传函 G(z)
本卷实例
  • 关键一步:对连续对象先部分分式再查 z 变换表
  • 中间结果:G(z) 的极点由 e 的负采样周期次幂决定
  • 卡点:题给 z 变换注里的符号与采样周期要对应清楚
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
  • 本卷考过求广义对象含零阶保持器的脉冲传函 G(z)
  • 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
连续系统的离散化 离散控制系统
本卷考法
  • 按采样周期求连续对象的离散化模型
本卷实例
  • 关键一步:把连续传函按采样周期逐项映射到 z 平面
  • 中间结果:一阶极点映射为 e 的负 aT 次幂
  • 卡点:本题采样周期 T0 与前面各题的 T 不是同一个值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 离散化状态方程由状态转移矩阵在采样周期处的取值构成
  • 输入矩阵是状态转移矩阵与输入矩阵乘积在采样周期上的积分
  • 带零阶保持器时即按上述积分式离散化,输出矩阵不变
步骤
  • 求连续系统的状态转移矩阵
  • 把采样周期代入得到离散状态矩阵
  • 对输入矩阵做积分得到离散输入矩阵
  • 写出差分形式的离散状态方程并按递推求采样点上的响应
通用考法
  • 本卷考过按采样周期求连续对象的离散化模型
  • 求连续系统在给定采样周期下的离散化状态方程
  • 由给出的状态响应反求系统矩阵再离散化
  • 计算采样点上的状态与输出序列
常见易错
  • 把采样周期直接当成时间常数代进连续传函
  • 积分上限写成采样周期以外的量,或忘记乘输入矩阵
公式

7七、执行机构饱和的影响分析#

思路
  • 对图 A 与图 B 的饱和系统求等效线性部分,比较描述函数曲线判断自振,再定性分析饱和的影响
本卷考法
  • 分析执行机构饱和对稳定性、稳态误差与暂态性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:判断控制信号是否进入饱和区,分线性段与限幅段讨论
  • 中间结果:饱和使等效增益下降,大信号响应变慢并可能超调
  • 卡点:含积分器时饱和会引起积分饱和,需单独说明
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
  • 本卷考过分析执行机构饱和对稳定性、稳态误差与暂态性能的影响
  • 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
本卷考法
  • 用描述函数曲线判断饱和系统是否存在自振
本卷实例
  • 关键一步:由饱和描述函数求负倒特性,与线性部分曲线比较
  • 中间结果:本题线性部分曲线不包围负倒特性,无自激振荡
  • 卡点:曲线包围关系判断别把负倒特性与描述函数画反
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曲线判断饱和系统是否存在自振
  • 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
  • 比较图 A 与图 B 的结构差异并分析改善方向
本卷实例
  • 关键一步:找饱和环节在回路中的位置及其对信号的影响
  • 中间结果:可从抗积分饱和与限幅反馈两方面改善
  • 卡点:图 A、图 B 未读图,饱和位置与特性需回原卷核对
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
  • 本卷考过比较图 A 与图 B 的结构差异并分析改善方向
  • 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

8八、由 Bode 图反求校正环节与裕量#

思路
  • 由校正前后开环对数幅频特性相减得校正环节特性并反求传函,在各自剪切频率处算相角裕度,再比较性能变化
本卷考法
  • 由校正前后 Bode 图相减反求校正环节传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由转折频率与高频段斜率写出校正前后传函形式
  • 中间结果:校正环节等于校正后传函除以校正前传函
  • 卡点:低频段高度要换算成开环增益,不能直接读分贝值
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
  • 本卷考过由校正前后 Bode 图相减反求校正环节传递函数
  • 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
本卷考法
  • 画校正前后的开环对数幅频特性
本卷实例
  • 关键一步:从低频段斜率与高度出发逐段叠加斜率
  • 中间结果:校正后低频段多一个积分环节,斜率降低
  • 卡点:校正前为 0 型、校正后为 Ⅰ型,低频段不同
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
  • 本卷考过画校正前后的开环对数幅频特性
  • 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
  • 求校正前后的相角裕量并比较
本卷实例
  • 关键一步:在各自零分贝频率处取相角再加 180 度
  • 中间结果:校正前后剪切频率不同,需分别计算相角裕度
  • 卡点:剪切频率与转折频率不要混用
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
  • 本卷考过求校正前后的相角裕量并比较
  • 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
  • 说明校正使系统型别提高对稳态误差的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较校正前后积分环节个数定系统型别
  • 中间结果:0 型变 Ⅰ型后阶跃输入由有静差变无静差
  • 卡点:型别提高会降低快速性,性能变化要两面说明
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
  • 本卷考过说明校正使系统型别提高对稳态误差的影响
  • 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
  • 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