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大连理工大学 854 自动控制原理 2021 年真题思维导图

985 院校共 9 题

难度:中等 九道大题:5 小问简答、结构图求传函、二阶参数设计、根轨迹、奈奎斯特判稳、PI 串联校正、非线性自振、离散系统、状态空间极点配置,题型覆盖全面,源文未标每题分值

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一一、简答题(5 小问)#

思路
  • 概念辨析:被控对象识别、PID 参数作用、一阶闭环稳定性、数字控制器算法、测量环节近似
本卷考法
  • 第(1)问由液位控制系统指认被控对象、被控量与执行机构并判断是否反馈控制
本卷实例
  • 关键一步:按给定到被控量的信号流向逐个指认给定、比较、执行、对象与检测环节
  • 关键一步:只要有检测元件把被控量送回比较点,就是反馈控制系统
  • 中间结果:本题被控对象是水箱(中间容器),被控量是液位高度,执行机构是进水阀
  • 卡点:把被控量与操纵量搞反;把检测元件误当成执行机构
  • 卡点:该题控制系统以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环系统按给定、比较、放大、执行、对象、检测六个环节串联成环
  • 按有无反馈分为开环、闭环与复合控制;按给定信号分为恒值、随动与程序控制
  • 检测变送元件把被控量转换成可比较的信号,是反馈通道的入口
  • 控制系统的基本要求是稳、准、快三条
步骤
  • 从工艺或物理描述里找出被控量与操纵量
  • 逐个指认给定、比较、控制、执行、对象与检测六个环节对应的实物
  • 按信号流向把环节串成闭环方框图
  • 说明系统靠什么维持被控量等于给定量
通用考法
  • 本卷考过第(1)问由液位控制系统指认被控对象、被控量与执行机构并判断是否反馈控制
  • 指出系统的被控对象、被控量与操纵量
  • 说明检测变送元件在闭环系统中的作用
  • 画出给定系统的闭环方框图并说明工作过程
常见易错
  • 把被控量与操纵量搞反
  • 只画方框图而不指认环节,或反之,漏答一半
本卷考法
  • 第(2)问简答 PID 三个参数各自的作用与对系统性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:比例管当前误差、积分消除稳态误差、微分预测误差变化趋势
  • 关键一步:分别说明参数增大或减小时对快速性、超调与稳态精度的影响
  • 中间结果:比例项提高快速性但留稳态误差,积分项消差但增大超调,微分项抑制超调但放大噪声
  • 卡点:把积分作用说成超前;或忽略微分对高频噪声的放大
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例项提高快速性但存在稳态误差
  • 积分项消除稳态误差但降低稳定性、增大超调
  • 微分项提供超前相位改善动态性能但对噪声敏感
  • PD 相当于超前校正,PI 相当于滞后校正
步骤
  • 按误差类型选择需要引入的环节
  • 先调比例再调积分最后调微分
  • 用稳定裕度或性能指标校验并微调
通用考法
  • 本卷考过第(2)问简答 PID 三个参数各自的作用与对系统性能的影响
  • 设计 PID 控制器满足给定指标
  • 分析各参数变化对系统性能的影响
  • 说明微分项对噪声的影响
常见易错
  • 把 PI 的相位影响说成超前
  • 积分增益过大导致系统振荡甚至不稳定
公式
本卷考法
  • 第(3)问判断一阶最小相位开环的单位负反馈闭环是否恒稳定并说明理由
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程,由开环一阶最小相位得闭环极点在左半平面
  • 关键一步:用极点实部全为负判断响应收敛,从而说明闭环稳定
  • 中间结果:闭环特征根为负实极点,对应单调衰减模态
  • 卡点:忽略最小相位与增益为正的前提;或把虚轴极点误判为稳定
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
  • 本卷考过第(3)问判断一阶最小相位开环的单位负反馈闭环是否恒稳定并说明理由
  • 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
本卷考法
  • 第(4)问由控制器脉冲传递函数写出可实现的差分控制算法
本卷实例
  • 关键一步:把 U(z)/E(z) 交叉相乘后反变换成时域差分方程
  • 关键一步:整理成当前输出由当前误差与前两拍输出表示的递推形式
  • 中间结果:本题交叉相乘后得当前误差等于前两拍输出之差
  • 卡点:把 z 的正幂与负幂对应时刻搞反;或漏掉初始条件
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
  • 本卷考过第(4)问由控制器脉冲传递函数写出可实现的差分控制算法
  • 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
本卷考法
  • 第(5)问说明分析时为何把测量环节传函近似为 1、即按单位负反馈处理
本卷实例
  • 关键一步:测量环节为比例环节且增益标定为 1 时,反馈信号等于被控量
  • 关键一步:此时误差可直接取给定与被控量之差,结构简化且便于分析
  • 中间结果:近似为单位负反馈后误差定义唯一,两种误差取法不再有差别
  • 卡点:忽略传感器实际存在增益与时间常数;近似后不检查是否引入误差
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
  • 本卷考过第(5)问说明分析时为何把测量环节传函近似为 1、即按单位负反馈处理
  • 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

二二、结构图求闭环与误差传函#

思路
  • 由结构图分别用梅森公式求 C(s)/R(s),再在 G1=1、G3=0 条件下求 E(s)/R(s)
本卷考法
  • 第(1)问用梅森增益公式求系统闭环传递函数 C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先把结构图改画成信号流图,逐条列出单独回路与前向通路
  • 关键一步:求特征式与各前向通路的余子式后代入梅森公式
  • 中间结果:本题两条回路互相接触,特征式只保留一阶回路项,不含两两乘积
  • 卡点:余子式里漏删与通路接触的回路;或把回路增益符号写反
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
  • 本卷考过第(1)问用梅森增益公式求系统闭环传递函数 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
  • 由多回路结构图逐层化简,并与梅森公式结果互相校验
本卷实例
  • 关键一步:从最内层回路开始,把内环化成一个等效环节再参与外层运算
  • 关键一步:每化简一层就重画结构图,保持节点与回路数目对应
  • 中间结果:两种方法得到的特征多项式应完全相同,可用来检查是否漏回路
  • 卡点:内外层顺序反了导致重复计入回路;或比较点正负号写错
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
  • 本卷考过由多回路结构图逐层化简,并与梅森公式结果互相校验
  • 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
本卷考法
  • 第(2)问在 G1=1、G3=0 条件下求误差传递函数 E(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:按误差取在输入端的定义写出 E(s) 等于 R(s) 减 C(s),再代入化简结构
  • 关键一步:求误差传函时保留参考输入,其余输入置零
  • 中间结果:误差传函分母与闭环传函相同,分子由误差点到输出的前向通路决定
  • 卡点:把误差传函的分子错写成闭环传函的分子;或忘记置零其他输入
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
  • 本卷考过第(2)问在 G1=1、G3=0 条件下求误差传递函数 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

三三、由阶跃响应指标反求 k 与 α#

思路
  • 由期望阶跃响应读出超调量和峰值时间,反求结构参数 k、α,再讨论它们对响应的影响
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
  • 第(1)问由闭环传函化为标准二阶形式,比对系数写出 k、α 与 ξ、ωn 的关系
本卷实例
  • 关键一步:先把闭环传函的 s² 项系数归一,化成标准二阶形式
  • 关键一步:对照标准形式读出 ωn² 与 2ξωn,建立 k、α 与 ξ、ωn 的方程
  • 中间结果:本题 k 等于 ωn²、2 加 α 等于 2ξωn,参数与两个特征量一一对应
  • 卡点:忘记把 s² 项系数归一;或把 2ξωn 写成 ξωn
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
  • 本卷考过第(1)问由闭环传函化为标准二阶形式,比对系数写出 k、α 与 ξ、ωn 的关系
  • 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
  • 第(1)问由响应曲线读超调量与峰值时间,联立解出 ξ 与 ωn
本卷实例
  • 关键一步:超调量只由阻尼比决定,先由它解出阻尼比
  • 关键一步:再把阻尼比代进峰值时间公式解出自然频率,最后回代求 k、α
  • 中间结果:超调量与峰值时间两个方程恰能定出 ξ、ωn 两个未知量
  • 卡点:超调量公式漏乘 100;或峰值时间与上升时间公式用混
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
  • 本卷考过第(1)问由响应曲线读超调量与峰值时间,联立解出 ξ 与 ωn
  • 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
由性能指标要求反求参数 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 第(2)(3)问分析 k 或 α 单独变化对阻尼比与响应形态的影响
本卷实例
  • 关键一步:固定 k 时 ωn 不变,α 只改变阻尼比,据此分阻尼类型讨论
  • 关键一步:固定 α 时 k 增大使 ωn 增大而阻尼比减小,超调增大
  • 中间结果:由阻尼比等于 1 和等于 0 的临界值可把参数范围分成四段
  • 卡点:只讨论一种阻尼类型;或把 k、α 的影响方向说反
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
  • 本卷考过第(2)(3)问分析 k 或 α 单独变化对阻尼比与响应形态的影响
  • 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、闭环根轨迹与超调机理#

思路
  • 画闭环根轨迹求稳定 k 范围,再取 k=10 求闭环极点、输出响应并解释超调来源
本卷考法
  • 第(1)问按绘制法则画闭环根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:标出开环零极点,先定实轴上的根轨迹段与渐近线
  • 关键一步:再求分离点、与虚轴交点,按对称性补全分支
  • 中间结果:本题开环一个零点两个极点,实轴段与渐近线分布决定根轨迹形状
  • 卡点:实轴段判据右侧零极点个数算错;或漏掉一条分支
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
  • 本卷考过第(1)问按绘制法则画闭环根轨迹草图
  • 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
  • 第(1)问求根轨迹与虚轴交点及使系统闭环稳定的 k 范围
本卷实例
  • 关键一步:把 s=jω 代入闭环特征方程,令实部虚部同时为零
  • 关键一步:解出交点频率与临界增益,再由根轨迹走向定出稳定侧
  • 中间结果:本题交点为共轭纯虚根,临界增益对应根轨迹首次穿越虚轴
  • 卡点:只解出一组 ω;或把稳定范围的方向写反
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
  • 本卷考过第(1)问求根轨迹与虚轴交点及使系统闭环稳定的 k 范围
  • 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
  • 第(2)问在 k=10 下求闭环极点与输出响应
本卷实例
  • 关键一步:先把 k 代入特征方程求闭环极点,判断响应是单调还是振荡
  • 关键一步:结合开环零点的作用解释超调来源
  • 中间结果:本题闭环极点在负实轴上但仍出现超调,说明超调由闭环零点引起
  • 卡点:看到负实极点就直接判无超调;或把开环零点当成闭环极点
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
  • 本卷考过第(2)问在 k=10 下求闭环极点与输出响应
  • 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
本卷考法
  • 说明开环附加零点(等效微分作用)为何使响应加快并产生超调
本卷实例
  • 关键一步:零点使根轨迹左移、响应加快,同时在闭环中引入零点
  • 关键一步:闭环零点加大响应的初始斜率与超调,需与极点效果一起看
  • 中间结果:本题超调不是振荡引起的,而是零点抬高了响应的早期峰值
  • 卡点:只讲零点改善稳定性,忽略它对超调量的放大作用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 增加开环零点使根轨迹左移,改善稳定性
  • 增加开环极点使根轨迹右移,恶化稳定性
  • 附加零点会改变分离点位置与渐近线走向
  • 增加极点还可能是系统结构不稳定
步骤
  • 对比增加前后零极点分布
  • 重新判断实轴段与渐近线
  • 分析根轨迹整体移动方向
  • 据此说明对稳定性和动态性能的影响
通用考法
  • 本卷考过说明开环附加零点(等效微分作用)为何使响应加快并产生超调
  • 说明附加零点对根轨迹形状的影响
  • 判断增加极点后系统是否仍稳定
  • 分析为何某系统需要引入零点
常见易错
  • 只讨论渐近线是否左移右移,忽略分离点变化
  • 把附加零点的影响与附加极点的影响搞反

五五、奈奎斯特判据定稳定 k 范围#

思路
  • 画开环极坐标图及其补线,求与负实轴交点,用奈氏判据确定闭环稳定的 k 范围
本卷考法
  • 求开环幅频与相频表达式并计算几个特征频率处的值
本卷实例
  • 关键一步:令 s=jω 写出幅频与相频,先看 ω 趋于零与无穷时的走向
  • 关键一步:积分环节决定起始角度,各一阶环节的相角逐项累加
  • 中间结果:本题相频从负二百七十度单调升到负九十度,幅值单调衰减
  • 卡点:相角累加时漏掉积分环节的负九十度;或幅值忘取模
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
  • 本卷考过求开环幅频与相频表达式并计算几个特征频率处的值
  • 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
  • 绘制幅相曲线与补线,由包围情况确定闭环稳定的 k 范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数 P,再数曲线绕临界点的净包围圈数 N
  • 关键一步:本题含积分环节,需要在原点补画无穷大半径圆弧
  • 中间结果:本题由闭环右半平面极点数为零得到稳定条件,落成对 k 的一个不等式
  • 卡点:忘记补画无穷大圆弧;或把包围圈正负号定义搞反
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
  • 本卷考过绘制幅相曲线与补线,由包围情况确定闭环稳定的 k 范围
  • 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

六六、串联校正设计与 Bode 图#

思路
  • 求校正前截止频率与相角裕度,再按目标截止频率和相角裕度设计积分型校正装置并画 Bode 图
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 第(1)问求校正前系统的截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:令幅频等于 1 求截止频率,再把该频率代入相频求相角裕度
  • 关键一步:近似读图与精确计算有差别,应以精确值回答
  • 中间结果:本题校正前相角裕度很小,说明系统稳定性储备不足
  • 卡点:把截止频率与相位穿越频率用反;或相角裕度公式写成一百八十度减相角
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
  • 本卷考过第(1)问求校正前系统的截止频率与相角裕度
  • 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
  • 第(2)问按目标截止频率与相角裕度设计积分型校正装置
本卷实例
  • 关键一步:写出含待定参数的校正后开环传函,分别套用幅值条件与相角条件
  • 关键一步:由校正后的相角裕度方程解出时间常数,幅值方程解出增益
  • 中间结果:两个目标条件恰好定出装置的两个待定参数
  • 卡点:把积分校正的相角按超前处理;或忘记目标截止频率已改变
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
  • 本卷考过第(2)问按目标截止频率与相角裕度设计积分型校正装置
  • 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
  • 第(3)问绘制未校正、校正装置与校正后三条 Bode 图
本卷实例
  • 关键一步:先写各环节的标准乘积形式,低频段斜率由型别定、高度由增益定
  • 关键一步:每过一个转折频率按该环节叠加斜率变化
  • 中间结果:三条曲线可在同一张图上对比低频高度、截止频率与相角裕度
  • 卡点:逐段改斜率时把叠加写成替换;或低频起始高度漏乘型别项
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
  • 本卷考过第(3)问绘制未校正、校正装置与校正后三条 Bode 图
  • 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
  • 第(4)问判断校正类型并说明其特点
本卷实例
  • 关键一步:由校正装置为比例加积分判断属滞后型校正,主要提高低频增益
  • 关键一步:说明它降低截止频率、提高相角裕度并提升无差度
  • 中间结果:滞后校正以牺牲快速性换取稳定裕度与稳态精度
  • 卡点:把积分校正说成超前校正;只讲一个优点不做权衡
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
  • 本卷考过第(4)问判断校正类型并说明其特点
  • 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

七七、描述函数法求自振参数#

思路
  • 理想继电器串线性环节,要求系统存在给定幅值与频率的正弦信号,反求 T、M
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出理想继电器特性的描述函数及其负倒描述函数随幅值的变化
本卷实例
  • 关键一步:由继电器输出的基波幅值除以输入幅值得到描述函数
  • 关键一步:再取负倒数,确定它在复平面上随幅值增大的走向
  • 中间结果:本题负倒描述函数是负实轴上一段随幅值增大向左移动的线段
  • 卡点:把描述函数当成频率的函数;或负倒描述函数走向画反
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
  • 本卷考过写出理想继电器特性的描述函数及其负倒描述函数随幅值的变化
  • 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
  • 令线性部分与负倒描述函数满足自振条件,由给定振幅与频率反求 T、M
本卷实例
  • 关键一步:自振条件要求线性部分相角为负一百八十度,据此解出时间常数
  • 关键一步:再把幅值条件与给定振幅代入,解出继电器输出的幅值
  • 中间结果:给定振幅与频率后描述函数值唯一确定,方程退化为两个实数方程
  • 卡点:把自振频率当成截止频率;或只满足一个条件就下结论
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
  • 本卷考过令线性部分与负倒描述函数满足自振条件,由给定振幅与频率反求 T、M
  • 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

八八、离散系统脉冲传函与稳定性#

思路
  • 求对象离散化脉冲传函与闭环脉冲传函,k=5 时判稳并求单位阶跃响应终值
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 第(1)问求被控对象离散化脉冲传函及闭环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先对连续部分整体做 z 变换,不能把环节拆开分别变换
  • 关键一步:再按采样开关位置写出开环脉冲传函与闭环反馈公式
  • 中间结果:指数项用题给采样周期求值后,化为 z 的有理分式
  • 卡点:两个连续环节分别求 z 变换再相乘;或忘记零阶保持器
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
  • 本卷考过第(1)问求被控对象离散化脉冲传函及闭环脉冲传函
  • 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
  • 第(2)问在 k=5 时判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:写出闭环特征方程,解出两个闭环极点
  • 关键一步:由极点模是否小于 1 判断稳定,复共轭极点看模
  • 中间结果:本题一对共轭复极点模小于 1,判定系统稳定
  • 卡点:把稳定条件写成实部小于零;或漏看复极点的模
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
  • 本卷考过第(2)问在 k=5 时判断闭环稳定性
  • 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
  • 第(2)问求单位阶跃响应终值即稳态输出
本卷实例
  • 关键一步:先判稳再用终值定理,写终值为 (z-1)C(z) 在 z 趋于 1 时的极限
  • 关键一步:闭环传函的直流增益即为单位阶跃下的稳态输出
  • 中间结果:本题结果由闭环脉冲传函在 z=1 处的值给出
  • 卡点:未判稳就用终值定理;或把开环增益当成闭环稳态值
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
  • 本卷考过第(2)问求单位阶跃响应终值即稳态输出
  • 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、能控能观、状态转移矩阵与极点配置#

思路
  • 判断能控能观并求状态转移矩阵,再设计状态反馈配置极点、求闭环传函与响应
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 第(1)问判断系统能控性与能观性
本卷实例
  • 关键一步:按输入矩阵与系统矩阵的乘积构造能控性矩阵,按输出矩阵构造能观性矩阵
  • 关键一步:分别求秩并与系统阶数比较,满秩即完全能控、完全能观
  • 中间结果:本题两个判别矩阵都满秩,为后续极点配置提供条件
  • 卡点:把能控性矩阵与能观性矩阵的构造搞混;或只算到 n 减 1 项
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
  • 本卷考过第(1)问判断系统能控性与能观性
  • 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
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 第(1)问计算系统状态转移矩阵
本卷实例
  • 关键一步:先求预解矩阵,再逐元素作拉氏反变换得到状态转移矩阵
  • 关键一步:用零时刻等于单位阵校验结果
  • 中间结果:本题矩阵元素是两个指数函数的组合,可用初值条件回代检验
  • 卡点:矩阵求逆算错;或忘记乘零时刻的初始状态
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
  • 本卷考过第(1)问计算系统状态转移矩阵
  • 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
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 第(2)问由期望闭环极点设计状态反馈增益 K
本卷实例
  • 关键一步:先由期望极点写出期望特征多项式
  • 关键一步:再求闭环特征多项式与期望式逐项比较,解出两个反馈增益
  • 中间结果:本题期望式的一次项与常数项恰给出两个方程
  • 卡点:未验证能控性就配置极点;或比较系数时符号写反
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
  • 本卷考过第(2)问由期望闭环极点设计状态反馈增益 K
  • 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
本卷考法
  • 第(2)问求闭环传递函数 Y(s)/V(s) 并大致画响应曲线
本卷实例
  • 关键一步:把控制律代入状态方程得到闭环系统,再按传函公式计算
  • 关键一步:用前向系数与极点写出阶跃响应,判断是否有超调
  • 中间结果:本题闭环传函极点即为期望极点,前向增益使稳态输出不为零
  • 卡点:漏掉控制律里的前向系数;或把开环传函当成闭环传函
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由状态空间求传递函数为 C(sI-A)^{-1}B+D
  • 传递函数只反映能控能观子系统,含零极点对消
  • 系统的特征值等于传递函数的极点
  • 同一传递函数对应的状态空间实现不唯一
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 按公式求 G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D
  • 与已知传递函数比对,判断是否发生零极点对消
通用考法
  • 本卷考过第(2)问求闭环传递函数 Y(s)/V(s) 并大致画响应曲线
  • 由状态空间表达式求传递函数
  • 判断状态空间实现是否存在零极点对消
  • 比较不同实现对应的传递函数是否相同
常见易错
  • 漏掉直接传递项 D
  • 把特征值个数与传递函数极点数直接等同而不检查对消
公式