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武汉大学 856 自动控制理论 2023 年真题思维导图

985 院校共 6 题

难度:中等 6 道大题:一 名词解释(自激振荡、随机系统、校正、基本控制方式)、二 含图计算(由误差传函反求系统参数)、三 根轨迹绘制与分离会合点及虚轴交点、四 由伯德图求截止频率与相角裕度、五 采样系统闭环脉冲传函与稳定性、六 二阶系统参数与动态性能及扰动补偿。多题附原卷插图,题面文字较少,分值全未印。

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1一、名词解释#

思路
  • 四个名词依次解释非线性系统的自激振荡、随机系统、系统校正的含义,以及自动控制系统的几种基本控制方式,按定义作答并写全要素。
本卷考法
  • 解释自激振荡的含义(第一题第1小问)
本卷实例
  • 关键一步:从非线性系统在无周期输入下产生持续振荡来定义
  • 中间结果:自激振荡的频率与幅值由系统参数与非线性特性共同决定
  • 卡点:自激振荡是孤立闭曲线,要与线性系统的等幅振荡区分
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
  • 本卷考过解释自激振荡的含义(第一题第1小问)
  • 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
  • 解释校正的含义(第一题第3小问)
本卷实例
  • 关键一步:从引入附加装置改善系统性能来定义校正
  • 中间结果:按串联、反馈、前馈与复合等方式分类
  • 卡点:校正不等于反馈,别把两者混为一谈
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
  • 本卷考过解释校正的含义(第一题第3小问)
  • 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
本卷考法
  • 列举自动控制系统的几种基本控制方式(第一题第4小问)
本卷实例
  • 关键一步:按开环、反馈闭环与复合三类依次作答
  • 中间结果:复合控制兼有开环快速性与反馈自适应性
  • 卡点:只答反馈控制会漏掉开环与复合两种方式
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
  • 本卷考过列举自动控制系统的几种基本控制方式(第一题第4小问)
  • 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

2二、含图计算:由误差传函求系统参数#

思路
  • 结构图含参考输入与扰动输入两条通道。按误差定义分别写两条通道的误差传函,再按给定条件令误差为零或限制其幅值,反解系统参数。题面含图未读图。
本卷考法
  • 写出误差对参考输入的传递函数(第二题第1问)
本卷实例
  • 关键一步:按误差定义分别写出两条通道的误差传函
  • 中间结果:误差传函的分母与闭环特征式相同
  • 卡点:结构图以图给出,误差引出点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过写出误差对参考输入的传递函数(第二题第1问)
  • 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
  • 由扰动输入下的误差要求确定系统参数(第二题第2问)
本卷实例
  • 关键一步:令参考输入为零,写出扰动到误差的传函
  • 中间结果:扰动误差幅值随频率变化,由幅值条件约束参数
  • 卡点:求扰动通道时要把参考输入置零,正负号按图核对
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
  • 本卷考过由扰动输入下的误差要求确定系统参数(第二题第2问)
  • 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
本卷考法
  • 分析双输入结构图中参数变化对输出的影响(第二题)
本卷实例
  • 关键一步:分别令一个输入为零,求两条单输入通道的传函
  • 中间结果:总输出由参考通道与扰动通道叠加而成
  • 卡点:叠加前要确认系统是线性的,且两条通道共用分母
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
  • 本卷考过分析双输入结构图中参数变化对输出的影响(第二题)
  • 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

3三、根轨迹绘制与分离会合点#

思路
  • 由给定开环传函(三个极点、无零点)按法则绘 180 度根轨迹,求三条渐近线、分离会合点,并令闭环特征方程的纯虚根代入求与虚轴交点。
本卷考法
  • 绘制开环含三个极点无零点的根轨迹(第三题)
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴段,再算三条渐近线交点与夹角
  • 中间结果:三条渐近线在实轴上相交于同一点
  • 卡点:极点零点是给定传函,无需借助图即可代入
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
  • 本卷考过绘制开环含三个极点无零点的根轨迹(第三题)
  • 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
  • 求根轨迹的分离会合点(第三题)
本卷实例
  • 关键一步:由幅值条件写增益对根位置的函数并令导数为零
  • 中间结果:解方程得实轴上的分离会合点
  • 卡点:求得的根必须落在实轴根轨迹段上才有效
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
  • 本卷考过求根轨迹的分离会合点(第三题)
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴的交点(第三题)
本卷实例
  • 关键一步:把纯虚根代入闭环特征方程,联立实部虚部为零
  • 中间结果:解得一对非零纯虚根与对应临界增益
  • 卡点:只取零频率解会漏掉真正的虚轴交点
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴的交点(第三题)
  • 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

4四、伯德图求截止频率与相角裕度#

思路
  • 由给出的开环对数频率特性图按各段斜率写出幅频表达式,令幅值等于一求截止频率,再把该频率代入相频表达式求相角裕度。题面含图未读图。
本卷考法
  • 由开环对数频率特性求截止频率(第四题)
本卷实例
  • 关键一步:按各段斜率写出幅频表达式,令幅值等于一求频率
  • 中间结果:截止频率落在哪一段由该段斜率与高度决定
  • 卡点:伯德图以图给出,转折频率与各段高度需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由开环对数频率特性求截止频率(第四题)
  • 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
  • 求给定截止频率处的相角裕度(第四题)
本卷实例
  • 关键一步:把截止频率代入相频表达式后加一百八十度
  • 中间结果:相角裕度反映系统相对稳定程度
  • 卡点:相角裕度与幅值裕度的特征频率不要用反
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
  • 本卷考过求给定截止频率处的相角裕度(第四题)
  • 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

5五、采样系统闭环脉冲传函与稳定性#

思路
  • 采样周期给定时,先求含零阶保持器的开环脉冲传函,再按闭环公式求闭环脉冲传函;第二问由闭环特征方程判稳。题面含图未读图。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求采样系统的闭环脉冲传递函数(第五题第1问)
本卷实例
  • 关键一步:先求开环脉冲传函,再按闭环公式写出闭环传函
  • 中间结果:含零阶保持器时要整体做 z 变换
  • 卡点:采样系统图以图给出,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
  • 本卷考过求采样系统的闭环脉冲传递函数(第五题第1问)
  • 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
  • 判断采样周期给定时的离散系统稳定性(第五题第2问)
本卷实例
  • 关键一步:求闭环特征方程后令其根的模小于一
  • 中间结果:可用朱里判据或双线性变换后套劳斯判据
  • 卡点: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
  • 本卷考过判断采样周期给定时的离散系统稳定性(第五题第2问)
  • 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

6六、二阶系统参数·动态性能·扰动补偿#

思路
  • 结构图含待定参数与扰动通道。由期望阻尼比与自然频率比较系数求参数,再算调节时间与稳态误差;最后令扰动到输出的传函恒为零,反解补偿环节。题面含图未读图。
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
  • 由阻尼比与自然频率要求反求结构参数(第六题第1问)
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征式与期望二次特征式逐项比较系数
  • 中间结果:一次项与常数项各给出一个关于待求参数的方程
  • 卡点:化标准形式时不要漏掉开环增益对系数的影响
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
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率要求反求结构参数(第六题第1问)
  • 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
  • 计算二阶系统的调节时间(第六题第2问)
本卷实例
  • 关键一步:调节时间由阻尼比、自然频率与误差带共同决定
  • 中间结果:按给定误差带代入相应近似公式即可
  • 卡点:误差带不同时调节时间的系数不同
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
  • 本卷考过计算二阶系统的调节时间(第六题第2问)
  • 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
  • 求给定输入下系统的稳态误差(第六题第3问)
本卷实例
  • 关键一步:先判稳,再由误差传函在零频处的极限求稳态误差
  • 中间结果:输入为常值时可将其折成阶跃分量处理
  • 卡点:未判稳就使用终值定理会得到错误结论
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
  • 本卷考过求给定输入下系统的稳态误差(第六题第3问)
  • 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
  • 设计扰动补偿环节使扰动对输出无影响(第六题第4问)
本卷实例
  • 关键一步:写出扰动到输出的传函后令其分子恒为零
  • 中间结果:解出的补偿环节为有理分式形式
  • 卡点:结构图以图给出,补偿接入点需回原卷核对图
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
  • 本卷考过设计扰动补偿环节使扰动对输出无影响(第六题第4问)
  • 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