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武汉理工大学 848 自动控制原理(含现控) 2025 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等偏难 全卷8题,卷面含图多且每题分值未标注。覆盖信号流图与梅森公式、二阶时域指标与速度反馈、参数稳定域与输入扰动稳态误差、以a为变量的参数根轨迹、由Bode图反求传函与稳定裕度、纯延迟系统稳定范围、状态空间表达式建立、串联超前校正与反馈校正综合;末题把稳态误差、稳定裕度和超调要求串在一起,综合性强。

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1一、信号流图与梅森公式#

思路
  • 由系统结构图先画出信号流图,标出各独立回路与前向通路,用梅森公式分别求输出对参考输入和输出对Q(s)的传递函数,再将两式相除得到C(s)/Q(s)。
本卷考法
  • 由结构图画信号流图并用梅森公式求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先按结构图补全信号流图的节点与支路,再数清独立回路
  • 中间结果:特征式由独立回路与两两不接触回路逐项累加得到
  • 卡点:结构图未读图,比较点与引出点引出的支路数需回原卷核对
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
  • 本卷考过由结构图画信号流图并用梅森公式求闭环传函
  • 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
本卷考法
  • 两输入下分别求传函再相比得C(s)/Q(s)
本卷实例
  • 关键一步:令另一输入为零,分别求出输出对两个输入的传递函数
  • 中间结果:两式相除消去公共输入,得到C(s)与Q(s)之间的传递关系
  • 卡点:Q(s)支路的正负号容易漏,需回原卷图1核对
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
  • 本卷考过两输入下分别求传函再相比得C(s)/Q(s)
  • 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

2二、二阶系统时域指标与速度反馈#

思路
  • 由图写出闭环传递函数并化为二阶标准形式,由给定阻尼比确定待求参数;再在Δ=0.05误差带下求各项动态性能指标;最后说明速度反馈对动态性能与稳态误差的影响。
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
  • 由闭环传函化为二阶标准形式并由阻尼比确定k
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函分母首项归一化后与二阶标准形式逐项比较系数
  • 中间结果:自然频率与阻尼比由分母常数项和一次项系数共同表示
  • 卡点:图2未读图,前向通路增益与反馈支路结构需回原卷核对
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并由阻尼比确定k
  • 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
  • 在Δ=0.05误差带下求动态性能指标
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比判断欠阻尼,再按误差带代入对应近似公式
  • 中间结果:峰值时间、上升时间与调节时间都由自然频率和阻尼比决定
  • 卡点:源文只写Δ=0.05,未指明具体指标名称,需回原卷核对
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Δ=0.05误差带下求动态性能指标
  • 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
  • 说明速度反馈对动态性能与稳态误差的优缺点
本卷实例
  • 关键一步:从阻尼改善与稳态误差变化两方面比较加与不加速度反馈
  • 中间结果:速度反馈相当于增大等效阻尼,同时降低开环增益
  • 卡点:容易只答动态性能改善而漏答稳态误差变大
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
  • 本卷考过说明速度反馈对动态性能与稳态误差的优缺点
  • 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

3三、参数稳定域与输入扰动稳态误差#

思路
  • 由图写出开环传递函数和闭环特征方程,用劳斯判据列稳定条件;再分别在单位斜坡输入与单位阶跃扰动下求稳态误差并叠加,令总误差不超过给定值;联立两组不等式求a与k的范围。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 对四阶特征方程列劳斯表求稳定条件
本卷实例
  • 关键一步:把特征方程按降幂排列后逐行交叉相减列劳斯表
  • 中间结果:首列各元素含参数a与k,令首列同号得到不等式组
  • 卡点:首列含分式时整理容易丢掉分母的符号约束
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
  • 本卷考过对四阶特征方程列劳斯表求稳定条件
  • 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
  • 把劳斯表首列同号条件化为a与k的稳定域
本卷实例
  • 关键一步:令劳斯表首列每个元素大于零,再取各不等式解集的交集
  • 中间结果:稳定域边界对应首列某项变号为零的等式
  • 卡点:容易只保留一个不等式而漏掉其余约束
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
  • 本卷考过把劳斯表首列同号条件化为a与k的稳定域
  • 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
  • 求单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先由开环传函的积分环节个数判断系统型别
  • 中间结果:斜坡输入的稳态误差由静态速度误差系数的倒数给出
  • 卡点:使用终值定理前需先确认闭环稳定
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
  • 本卷考过求单位斜坡输入下的稳态误差
  • 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
  • 求单位阶跃扰动下的稳态误差并叠加
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,单独写扰动到误差的传递函数
  • 中间结果:阶跃扰动误差由扰动作用点之前的增益决定
  • 卡点:扰动误差与输入误差要分开计算后再叠加
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
  • 本卷考过求单位阶跃扰动下的稳态误差并叠加
  • 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

4四、以a为变量的参数根轨迹#

思路
  • 由闭环特征方程把参数a提到标准位置得到等效开环传函,令s为复数代入特征方程证明虚部根轨迹为圆;k=4时按绘制法则画以a为变量的参数根轨迹,求分离点与虚轴交点。
本卷考法
  • 由闭环特征方程证明虚部根轨迹为圆
本卷实例
  • 关键一步:令s为复数代入闭环特征方程,分离实部与虚部
  • 中间结果:消去可变参数后得到以原点为圆心的圆方程
  • 卡点:变量a不能当作固定量直接消去,需保留其与根的关系
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹是开环某一参数由 0 变到无穷时闭环极点在 s 平面上的移动轨迹
  • 同时满足相角条件与幅值条件的 s 才是根轨迹上的点
  • 相角条件决定根轨迹的形状,幅值条件决定对应的参数值
  • 常规根轨迹以开环增益 K 为可变参数
步骤
  • 写出以 K 为参变量的闭环特征方程
  • 整理成 1+KG₀(s)=0 的标准形式
  • 用相角条件判断某点是否在根轨迹上
通用考法
  • 本卷考过由闭环特征方程证明虚部根轨迹为圆
  • 判断给定点是否在根轨迹上
  • 由幅值条件求该点对应的 K
  • 说明相角条件与幅值条件各自的作用
常见易错
  • 把相角条件的 180° 写成 0°(正反馈时才用 0°)
  • 用幅值条件判点,搞混两个条件的用途
公式
本卷考法
  • 把参数a提到标准位置写等效开环传函
本卷实例
  • 关键一步:从闭环特征方程分离含参数a的项,写成等效开环形式
  • 中间结果:等效开环传函的极点与零点决定参数根轨迹的起止点
  • 卡点:参数不是开环增益,幅值条件对应的临界值需另求
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 可变参数不是开环增益时称为参数根轨迹
  • 方法是用等效开环传递函数把参数提到标准位置
  • 正反馈系统或零度根轨迹的相角条件是 0°+360°l
步骤
  • 把特征方程整理成 1+αG*(s)=0 的形式
  • 把 α 以外部分视为等效开环传递函数
  • 按常规根轨迹法则绘制
  • 注意相角条件是否变成 0°
通用考法
  • 本卷考过把参数a提到标准位置写等效开环传函
  • 以时间常数或其他参数为变量绘制根轨迹
  • 绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 比较零度与 180 度根轨迹的差别
常见易错
  • 整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 零度根轨迹仍沿用 180° 相角条件
公式
本卷考法
  • 按绘制法则画以a为变量的参数根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定分支数与起止点,再画实轴段、渐近线与分离点
  • 中间结果:两条分支分别终止于开环零点与无穷远处
  • 卡点:参数根轨迹的起止点与常规根轨迹相反,需回原卷核对
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以a为变量的参数根轨迹
  • 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
  • 求参数根轨迹的分离点坐标
本卷实例
  • 关键一步:由重根条件或分离点方程求出参数根轨迹的分离点
  • 中间结果:分离点方程的解需代回检验是否落在根轨迹上
  • 卡点:解出的两个根要舍去不在根轨迹上的那个
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
  • 本卷考过求参数根轨迹的分离点坐标
  • 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

5五、由Bode图反求传函与稳定裕度#

思路
  • 由渐近对数幅频特性读出低频段斜率与高度以及各转折频率,反求开环传递函数;再利用最小相位条件确定相位,由幅值穿越频率和相位穿越频率分别求相角裕度与幅值裕度。
本卷考法
  • 由渐近对数幅频特性反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率确定积分环节个数,再由高度求开环增益
  • 中间结果:每个转折频率对应一个使斜率变化±20的一阶环节
  • 卡点:转折频率与斜率变化要一一对应,取错会移错拐点
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
  • 本卷考过由渐近对数幅频特性反求开环传递函数
  • 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
  • 利用最小相位条件确定传函并判稳
本卷实例
  • 关键一步:由最小相位条件排除右半平面零点后确定传函形式
  • 中间结果:幅频特性相同而相频特性由最小相位模型唯一确定
  • 卡点:题面只给渐近幅频曲线,相位需由反求传函另行计算
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
  • 本卷考过利用最小相位条件确定传函并判稳
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由幅值穿越与相位穿越频率求γ和h
本卷实例
  • 关键一步:在幅频零分贝处读剪切频率,在相频负180度处读穿越频率
  • 中间结果:相角裕度由剪切频率处的相角补足到180度得到
  • 卡点:两个裕度对应两个不同频率,不能混用同一频率
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
  • 本卷考过由幅值穿越与相位穿越频率求γ和h
  • 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

6六、纯延迟系统的稳定范围#

思路
  • 写出含纯延迟环节的开环幅频与相频特性,分析幅频最大值所在频率;令相位穿越频率处的幅值不超过一,求出延迟时间τ的临界值,从而给出稳定范围。
本卷考法
  • 求含纯延迟环节系统稳定的τ范围
本卷实例
  • 关键一步:延迟只改变相位,先写不含延迟部分的幅频与相频
  • 中间结果:幅频最大值出现在某个固定频率,延迟使相位额外滞后
  • 卡点:相位穿越频率含延迟的超越方程,需结合幅频峰值讨论
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
  • 本卷考过求含纯延迟环节系统稳定的τ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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据判断含延迟系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再判断幅相曲线的包围情况
  • 中间结果:稳定要求包围次数与右半平面极点数满足给定关系
  • 卡点:延迟使幅相曲线成为螺线,穿越次数需回原卷图示核对
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含延迟系统稳定性
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 用幅值裕度思想确定临界延迟时间
本卷实例
  • 关键一步:令相位穿越频率处的幅值等于一,解出临界延迟时间
  • 中间结果:延迟时间增大只会使同一频率处的相位进一步滞后
  • 卡点:幅频峰值大于一时,稳定条件由峰值点的相位决定
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
  • 本卷考过用幅值裕度思想确定临界延迟时间
  • 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

7七、离散系统稳定性与静态误差系数#

思路
  • 由图写出含零阶保持器的开环脉冲传函,列闭环特征方程并用朱里判据判定稳定;再按静态位置、速度、加速度误差系数的定义在 z 趋于 1 处求极限,由典型输入下的误差公式得稳态误差。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 由含零阶保持器的连续部分求开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把零阶保持器与连续部分合并后再做 z 变换
  • 中间结果:开环脉冲传函分母出现 z 减一与 z 减 e 的负 T 次方
  • 卡点:图 5 的采样开关与保持器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
  • 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
  • 本卷考过由含零阶保持器的连续部分求开环脉冲传函
  • 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
  • 用朱里判据判断离散系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:对二阶闭环特征方程列朱里判据或做 w 变换
  • 中间结果:稳定条件化为 D(1) 大于零、D(-1) 大于零、常数项绝对值小于一
  • 卡点:采样周期 T 等于 0.1 要代进指数项
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
  • 本卷考过用朱里判据判断离散系统稳定性
  • 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
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统的静态误差系数与稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:分别求 z 趋于 1 时 G(z)、z 减一乘 G(z)、z 减一平方乘 G(z) 的极限
  • 中间结果:Kp、Kv、Ka 分别对应位置、速度、加速度误差系数
  • 卡点:未判稳不能用终值定理,零阶保持器使型别少一阶
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
  • 本卷考过求离散系统的静态误差系数与稳态误差
  • 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

8八、状态方程解与输出恒为零的条件#

思路
  • A 为对角阵,直接由预解式求状态转移矩阵,写出含初值与输入卷积的状态响应;代入输出方程后令各指数项系数均为零,得关于 γ 与初始状态的方程组并求解。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由对角状态矩阵求状态转移矩阵与含输入的状态响应
本卷实例
  • 关键一步:对角矩阵的状态转移矩阵就是各对角元指数项组成的对角阵
  • 中间结果:状态响应等于零输入响应加输入卷积项
  • 卡点:卷积积分中输入的指数项要与状态矩阵的指数项分别匹配
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
  • 本卷考过由对角状态矩阵求状态转移矩阵与含输入的状态响应
  • 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
本卷考法
  • 把输出响应按模态分解并令各模态系数为零
本卷实例
  • 关键一步:把 y(t) 整理成各指数项的线性组合,分别令系数为零
  • 中间结果:得到含 γ 与两个初始状态的三式方程组
  • 卡点:只令某一项为零会漏掉其他模态,须逐项为零
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 极点决定响应由哪些模态组成,零点决定各模态的权重
  • 左半平面极点对应衰减,右半平面对应发散,虚轴对应等幅振荡
  • 离虚轴最近的极点为主导极点,主导响应的形状
  • 共轭复极点产生振荡,实极点产生单调分量
步骤
  • 求特征方程得到全部闭环极点
  • 按实数/共轭复数分类,写出对应模态
  • 找出主导极点对,近似为低阶系统
  • 结合零点判断各模态权重大小
通用考法
  • 本卷考过把输出响应按模态分解并令各模态系数为零
  • 由极点分布写出响应的大致形式
  • 判断系统是单调还是振荡、是否收敛
  • 用主导极点概念把高阶系统近似为二阶系统
常见易错
  • 只看极点分布就断定振荡,忽略零点引起的模态权重为零
公式

9九、状态空间表达式的建立#

思路
  • 按结构图在每个积分器输出端设一个状态变量,由各环节的拉氏关系写出一阶微分方程组,整理成状态方程与输出方程的矩阵形式。
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由系统结构图列写状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:按每个积分器输出设一个状态变量,写出各状态的一阶导数
  • 中间结果:状态矩阵由各支路增益拼成,输出方程由输出支路决定
  • 卡点:图5未读图,支路增益与耦合符号需回原卷核对
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
  • 本卷考过由系统结构图列写状态空间表达式
  • 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

10十、串联校正与反馈校正综合#

思路
  • 由静态速度误差要求确定开环增益最小值;串联给定网络后按转折频率重新求剪切频率与穿越频率,计算相角裕度和幅值裕度并判断校正类型;最后引入负反馈,以反馈系数为参数画根轨迹,找同时满足超调与稳态误差要求的反馈系数。
本卷考法
  • 由静态速度误差系数确定开环增益最小值
本卷实例
  • 关键一步:先由开环传函写静态速度误差系数与开环增益的关系
  • 中间结果:斜坡输入下的稳态误差与开环增益成反比
  • 卡点:由误差要求定出的增益还需用稳定裕度复验
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
  • 本卷考过由静态速度误差系数确定开环增益最小值
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求串联校正前后的相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:校正后按转折频率重新分段求剪切频率与穿越频率
  • 中间结果:超前网络的零点先行作用,使中频段相位提前
  • 卡点:校正前后剪切频率不同,两项裕度需分别计算
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
  • 本卷考过求串联校正前后的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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由给定校正网络判断超前校正并说明作用
本卷实例
  • 关键一步:比较校正网络分子与分母时间常数的大小判断零极点先后
  • 中间结果:零点转折频率低于极点转折频率时呈现相位超前
  • 卡点:超前校正抬高高频段,可能削弱噪声抑制能力
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
  • 本卷考过由给定校正网络判断超前校正并说明作用
  • 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
  • 用负反馈校正满足超调与稳态误差要求
本卷实例
  • 关键一步:把反馈系数作为参数画根轨迹,找满足超调要求的分离点
  • 中间结果:反馈包围后开环增益改变,闭环特征方程随之变化
  • 卡点:反馈系数取值需同时满足稳定与超调要求
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
  • 本卷考过用负反馈校正满足超调与稳态误差要求
  • 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
  • 说明加反馈后阶跃输入稳态误差为零的原因
本卷实例
  • 关键一步:由反馈校正后的开环传函判断系统型别是否提高
  • 中间结果:开环含积分环节时阶跃输入下的静态位置误差系数为无穷
  • 卡点:闭环稳定是稳态误差结论成立的前提
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
  • 本卷考过说明加反馈后阶跃输入稳态误差为零的原因
  • 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