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武汉理工大学 848 自动控制原理(含现控) 2019 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等 全卷10题(1~10)。覆盖由方程组画系统框图与逐层化简、输入与扰动共同作用的稳态误差、测速反馈对稳定性动态与稳态的影响、含开环零点根轨迹与稳定增益范围、奈氏曲线绘制与判稳、相角裕度反求增益与对数幅频图、串联超前校正、离散系统输出响应、状态转移矩阵与状态响应、能控能观参数条件;含图题多。

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11、由方程组画系统框图与逐层化简#

思路
  • 由所给信号关系式画出系统框图,再按引出点后移、并联合并与反馈内环化简逐层求闭环传递函数。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 用逐层化简法求多回路系统闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先合并内环再逐层向外合并到输入端
  • 中间结果:外层反馈的分母随内环化简同步更新
  • 卡点:化简内环时把外层信号当常数
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
  • 本卷考过用逐层化简法求多回路系统闭环传函
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 用串联并联与反馈等效合并各支路
本卷实例
  • 关键一步:按比较点与引出点把结构图拆成可合并小块
  • 中间结果:前向通路与反馈通路分别合并后再闭环
  • 卡点:负反馈分母误写成 1 减回路传函
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
  • 本卷考过用串联并联与反馈等效合并各支路
  • 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
比较点与引出点的移动 结构图与方框图
本卷考法
  • 用引出点后移把交叉连接化为可合并形式
本卷实例
  • 关键一步:引出点后移时按移动方向补乘或补除环节
  • 中间结果:移动后新增支路增益按规则补上
  • 卡点:引出点与比较点的移动规则混用
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
  • 本卷考过用引出点后移把交叉连接化为可合并形式
  • 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

22、输入与扰动共同作用下的稳态误差#

思路
  • 误差取 R 减 C,对输入与扰动分别求误差传函,用终值定理求斜坡作用下的稳态误差,再由补偿增益使输入引起的稳态误差为零。
本卷考法
  • 按 R 减 C 定义写输入与误差传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用 1 减闭环传函写误差传函
  • 中间结果:输入与扰动分别置零单独求误差
  • 卡点:非单位反馈时两种误差定义混用
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
  • 本卷考过按 R 减 C 定义写输入与误差传递函数
  • 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
  • 由终值定理求输入引起的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再把斜坡输入代入终值定理
  • 中间结果:误差系数法结果与终值定理结果一致
  • 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
  • 本卷考过由终值定理求输入引起的稳态误差
  • 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
  • 求扰动单独作用引起的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:求扰动误差传函时把参考输入置零
  • 中间结果:扰动误差与输入误差按线性叠加
  • 卡点:把扰动误差直接当作总误差
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 扰动误差与输入误差必须分开计算再叠加
  • 扰动误差取决于扰动作用点到误差点的传递函数
  • 增大扰动点前的增益可减小扰动误差
步骤
  • 令参考输入为零,求扰动到误差的传递函数
  • 代入扰动信号求稳态值
  • 与输入引起的误差叠加
通用考法
  • 本卷考过求扰动单独作用引起的稳态误差
  • 求扰动引起的稳态误差
  • 比较扰动与输入对误差的不同影响
  • 分析提高前向增益的作用
常见易错
  • 把扰动误差直接当作总误差,遗漏输入分量
  • 求扰动传函时没有把参考输入置零
公式

33、测速反馈对稳定与动稳态性能的影响#

思路
  • 由闭环特征方程列劳斯表讨论测速反馈系数对稳定性的影响,再由闭环传函化为二阶标准形式分析阻尼比与斜坡稳态误差。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由闭环特征方程列劳斯表讨论参数影响
本卷实例
  • 关键一步:列劳斯表并令首列各项大于零
  • 中间结果:参数为零时出现全零行对应纯虚根
  • 卡点:三阶系统漏掉常数项的正负约束
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
  • 本卷考过由闭环特征方程列劳斯表讨论参数影响
  • 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
  • 由闭环传函化为二阶标准形式求阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:由特征式系数对应 wn 与阻尼比
  • 中间结果:阻尼比随测速反馈系数单调增大
  • 卡点:化为标准形式时忘记把 s 平方项系数归一化
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
  • 本卷考过由闭环传函化为二阶标准形式求阻尼比
  • 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
  • 由阻尼比分区讨论阶跃响应超调与振荡
本卷实例
  • 关键一步:欠阻尼有超调、临界与过阻尼单调上升
  • 中间结果:阻尼比越大超调越小但响应变慢
  • 卡点:把两种误差带的调节时间系数搞混
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
  • 本卷考过由阻尼比分区讨论阶跃响应超调与振荡
  • 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
本卷考法
  • 求测速反馈系数对斜坡稳态误差的影响
本卷实例
  • 关键一步:误差传函在原点处的留数决定斜坡误差
  • 中间结果:系数越大斜坡稳态误差越大
  • 卡点:未判稳就直接使用终值定理
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
  • 本卷考过求测速反馈系数对斜坡稳态误差的影响
  • 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

44、含开环零点根轨迹与稳定增益范围#

思路
  • 由 1+G(s)=0 列特征方程,画含开环零点根轨迹,求分离点与虚轴交点,再由根全部位于左半平面确定稳定增益范围。
本卷考法
  • 按法则求根轨迹起点终点分支数与实轴段
本卷实例
  • 关键一步:数开环极点与零点个数定分支数
  • 中间结果:实轴段按右侧实零极点总数为奇数判定
  • 卡点:实轴段判据零极点个数算错
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
  • 本卷考过按法则求根轨迹起点终点分支数与实轴段
  • 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
  • 由增益对 s 求导为零求分离点并取舍
本卷实例
  • 关键一步:把增益整理成 s 的显函数再求导
  • 中间结果:分离点须落在实轴根轨迹段上
  • 卡点:求出方程根后不筛选保留无效解
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
  • 本卷考过由增益对 s 求导为零求分离点并取舍
  • 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
  • 令 s 等于 jw 求根轨迹与虚轴交点
本卷实例
  • 关键一步:实部虚部分别为零联立求解
  • 中间结果:虚轴交点处对应临界增益
  • 卡点:只代一组频率漏掉另一组交点
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
  • 本卷考过令 s 等于 jw 求根轨迹与虚轴交点
  • 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
  • 由根全部位于左半平面确定稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:以虚轴交点为临界点划分稳定区间
  • 中间结果:稳定域由根轨迹穿越虚轴的方向决定
  • 卡点:把等阻尼线画成垂直线
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
  • 本卷考过由根全部位于左半平面确定稳定增益范围
  • 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

55、奈奎斯特曲线绘制与稳定性判定#

思路
  • 对含右半平面极点系统求幅频相频,定奈氏曲线起点终点与负实轴交点,按开环右半平面极点数与穿越次数分类讨论闭环稳定性。
本卷考法
  • 求含右半平面极点系统的幅频与相频
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 jw 后分别求模与相角
  • 中间结果:分母各环节相角按象限逐个累加
  • 卡点:求模时忘记把分母复数取模后再相除
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
  • 本卷考过求含右半平面极点系统的幅频与相频
  • 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
  • 由穿越次数与开环右半平面极点数判稳
本卷实例
  • 关键一步:先数开环在右半平面的极点数 P
  • 中间结果:由 Z 等于 P 减 2N 判闭环根分布
  • 卡点:包围圈数正负号定义搞反
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
  • 本卷考过由穿越次数与开环右半平面极点数判稳
  • 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
本卷考法
  • 判断系统是否最小相位并说明判据适用条件
本卷实例
  • 关键一步:由右半平面极点或零点判定非最小相位
  • 中间结果:非最小相位系统不能只看幅频下结论
  • 卡点:把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过判断系统是否最小相位并说明判据适用条件
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈

66、相角裕度反求增益与对数幅频图#

思路
  • 令相角裕度等于给定值求截止频率,再由截止频率处幅值为 1 反求开环增益,最后分段叠加画对数幅频曲线并分析增益对动态性能的影响。
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相角裕度条件反求截止频率与开环增益
本卷实例
  • 关键一步:由相角裕度式解出截止频率
  • 中间结果:再由截止频率处幅值为 1 反解增益
  • 卡点:把 wc 与 wg 两个频率用反
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
  • 本卷考过由相角裕度条件反求截止频率与开环增益
  • 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
  • 按转折频率分段画开环对数幅频曲线
本卷实例
  • 关键一步:低频段由积分环节与增益定起始高度
  • 中间结果:各转折频率处逐段累加并改变斜率
  • 卡点:逐段改斜率时忘记累加直接替换
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
  • 本卷考过按转折频率分段画开环对数幅频曲线
  • 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
本卷考法
  • 列写截止频率处的模值表达式
本卷实例
  • 关键一步:在转折频率区间内抓大放小列模值
  • 中间结果:由模值为 1 的方程解出截止频率
  • 卡点:计算某频率处相角时漏掉积分环节的负 90 度
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
  • 本卷考过列写截止频率处的模值表达式
  • 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

77、串联超前校正装置设计#

思路
  • 先由斜坡稳态误差要求定开环增益,算未校正相角裕度不足后,用超前网络提高截止频率与相角裕度并逐项验证。
本卷考法
  • 由单位斜坡稳态误差要求确定开环增益
本卷实例
  • 关键一步:用静态速度误差系数把误差要求化为增益下界
  • 中间结果:取满足下界的增益作设计起点
  • 卡点:反解增益前先确认闭环稳定
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
  • 本卷考过由单位斜坡稳态误差要求确定开环增益
  • 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
  • 按补偿角与截止频率设计超前校正网络
本卷实例
  • 关键一步:由所需补偿角反解超前网络参数
  • 中间结果:把最大超前角频率对准新的截止频率
  • 卡点:计算补偿角时忽略截止频率移动的附加相角损失
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
  • 本卷考过按补偿角与截止频率设计超前校正网络
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 校正后验证截止频率相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:由校正后模值为 1 求新的截止频率
  • 中间结果:在穿越频率处算幅值裕度并核对要求
  • 卡点:幅值裕度取倒数未取导致结论反了
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
  • 本卷考过校正后验证截止频率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
  • 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

88、离散系统脉冲传函与输出响应#

思路
  • 由结构图求开环脉冲传函与闭环脉冲传函,K 取定时对输出 z 变换做部分分式与 z 反变换求采样输出响应。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由连续部分加采样开关求脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先部分分式再查表得开环脉冲传函
  • 中间结果:闭环脉冲传函由 G 比 1 加 G 给出
  • 卡点:无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
  • 本卷考过由连续部分加采样开关求脉冲传函
  • 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
z 变换与 z 反变换 离散控制系统
本卷考法
  • 用部分分式与 z 反变换求输出采样序列
本卷实例
  • 关键一步:先对输出 z 变换除以 z 再部分分式
  • 中间结果:查表反变换后乘回 z 得采样输出
  • 卡点:部分分式分解时漏项导致反变换出错
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
  • 本卷考过用部分分式与 z 反变换求输出采样序列
  • 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
本卷考法
  • 由采样开关位置与采样周期确定脉冲传函形式
本卷实例
  • 关键一步:采样开关位置决定能否直接相乘
  • 中间结果:采样周期只进入 e 的负 aT 项
  • 卡点:忽略零阶保持器带来的相位滞后
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
  • 本卷考过由采样开关位置与采样周期确定脉冲传函形式
  • 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

99、状态转移矩阵与单位阶跃响应#

思路
  • 由状态矩阵求 sI 减 A 的逆得状态转移矩阵,再用状态响应公式把初值与单位阶跃输入对应的卷积积分相加。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态矩阵求状态转移矩阵并求状态响应
本卷实例
  • 关键一步:先求 sI 减 A 的逆再逐项拉氏反变换
  • 中间结果:状态响应等于零输入项加零输入卷积项
  • 卡点:矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过由状态矩阵求状态转移矩阵并求状态响应
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 按给定状态方程识别系数矩阵与初值
本卷实例
  • 关键一步:按状态方程写出 A 矩阵与 B 矩阵
  • 中间结果:初值向量按题目给定顺序代入
  • 卡点:状态变量个数与系统阶数不匹配
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
  • 本卷考过按给定状态方程识别系数矩阵与初值
  • 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

1010、能控能观与参数条件#

思路
  • 分别构造能控性矩阵与能观性矩阵,按秩为 1 即一个状态可控一个不可控、一个可观一个不可观,列出行列式条件反求参数关系。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性矩阵秩为 1 反求参数条件
本卷实例
  • 关键一步:构造能控性矩阵并令其秩为一
  • 中间结果:两列线性相关化为参数等式
  • 卡点:只算到 A 的 n 减 2 次乘 B 就下结论
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
  • 本卷考过由能控性矩阵秩为 1 反求参数条件
  • 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
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能观性矩阵秩为 1 反求参数条件
本卷实例
  • 关键一步:构造能观性矩阵并令其秩为一
  • 中间结果:矩阵初等变换后化为参数条件
  • 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
  • 本卷考过由能观性矩阵秩为 1 反求参数条件
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 按状态空间表达式识别 A B C 三个矩阵
本卷实例
  • 关键一步:从方程中逐个取出系数矩阵元素
  • 中间结果:输出矩阵按输出方程对应写出
  • 卡点:输出方程中漏掉直接传递项 D
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
  • 本卷考过按状态空间表达式识别 A B C 三个矩阵
  • 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