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重庆邮电大学 805 自动控制原理 2022 年真题思维导图

强势双非共 8 题

难度:中等 10个填空小空加7道分析计算题:覆盖两质量机械建模、极点配置与前馈补偿、内反馈对稳定性/稳态误差的影响、根轨迹、奈奎斯特判据、对数频率特性与串联校正

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一(1~10)一、填空题:数学模型、非主导极点、截止频率、零度根轨迹、稳定性、响应反求、开环增益、二阶指标、非线性特性、正弦稳态40 分#

思路
  • 10个独立小空覆盖数学模型影响因素、闭环非主导极点、相频特性求截止频率、零度根轨迹来源、特征方程根分布、阶跃响应反求传函、开环增益与时间常数、二阶系统指标、典型非线性特性、正弦输入下的稳态输出
本卷考法
  • 说明控制系统的数学模型取决于什么
本卷实例
  • 关键一步:按微分方程系数来源定位影响因素
  • 中间结果:取决于系统的结构与参数
  • 卡点:与外作用和初始条件无关
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 定义:零初始条件下,输出与输入的拉氏变换之比 G(s)=C(s)/R(s)
  • 只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 分母为特征多项式,其根是极点;分子的根是零点
  • 工程可实现系统必为真分式(分子阶数 ≤ 分母阶数)
步骤
  • 对微分方程两边取拉氏变换,初始条件全部置零
  • 把输出项移到左边、输入项移到右边
  • 整理成 C(s)/R(s) 的降幂形式
通用考法
  • 本卷考过说明控制系统的数学模型取决于什么
  • 由微分方程直接写出传递函数
  • 指出系统的阶数、极点个数与零点个数
  • 判断给定分式能否作为实际系统的传递函数
常见易错
  • 本卷考过把外作用与初始条件也当成影响因素
  • 忽略“零初始条件”这一前提,把初始值带进变换结果
  • 分子分母系数按升幂抄写导致顺序颠倒
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
  • 说明闭环非主导极点对阻尼与动态的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较非主导极点距虚轴的远近
  • 中间结果:极点靠近虚轴时作用加剧
  • 卡点:近似降阶时需校验留数大小
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
  • 本卷考过说明闭环非主导极点对阻尼与动态的影响
  • 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
  • 本卷考过只看非主导极点而忽略其留数
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由相频特性与相角裕度要求反求截止频率
本卷实例
  • 关键一步:由 γ=180°+∠G(ωc)=45° 得 ∠G(ωc)=-135°
  • 中间结果:再由相频表达式反解 ωc
  • 卡点:注意各环节相角累加的符号
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
  • 本卷考过由相频特性与相角裕度要求反求截止频率
  • 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
  • 本卷考过把相角裕度写成∠G(ωc)本身
  • 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
  • 说明零度根轨迹的两个来源
本卷实例
  • 关键一步:按120°相角条件适用场景回忆来源
  • 中间结果:非最小相位因子与正反馈回路
  • 卡点:零度与180°根轨迹要区分
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
  • 本卷考过说明零度根轨迹的两个来源
  • 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
  • 本卷考过把正反馈回路仍按180°相角条件处理
  • 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
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由特征方程判断右半平面与虚轴上根的数值
本卷实例
  • 关键一步:先排劳斯表再由首列符号变号数定右半平面根数
  • 中间结果:虚轴根对应首列出现零的临界情形
  • 卡点:高次方程注意系数缺项
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
  • 本卷考过由特征方程判断右半平面与虚轴上根的数值
  • 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
  • 本卷考过系数缺项时不补零直接套判据
  • 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
  • 由单位阶跃响应反求闭环与开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:阶跃响应拉氏变换即闭环传函
  • 中间结果:单位负反馈下由 G=Φ/(1-Φ) 反解开环
  • 卡点:反解关系只在单位负反馈下成立
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态值决定增益 K
  • 超调量只由阻尼比 ξ 决定
  • 峰值时间与振荡频率共同确定 ωn
  • 时间常数由响应达到稳态值 63.2% 的时刻给出
步骤
  • 从曲线上读出稳态值、超调量、峰值时间或时间常数
  • 判断系统是一阶还是二阶(看有无振荡)
  • 由超调量反求 ξ,再由峰值时间反求 ωn
  • 写出标准形式并补上增益
通用考法
  • 本卷考过由单位阶跃响应反求闭环与开环传递函数
  • 由实验阶跃响应曲线求传递函数
  • 由给出的性能指标反求参数
常见易错
  • 本卷考过把阶跃响应直接当成闭环传函
  • 未判断系统阶数就直接套用二阶公式
  • 把稳态值当成了增益而漏掉输入幅值
公式
本卷考法
  • 由开环传函求开环增益与时间常数
本卷实例
  • 关键一步:把传函整理成尾一标准形式再读增益与时间常数
  • 中间结果:开环增益为各环节增益之积
  • 卡点:注意分母 s 的系数要归一到1
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 六种典型环节:比例、积分、微分、惯性、振荡、延迟
  • 惯性环节由时间常数 T 描述,T 越小响应越快
  • 振荡环节由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 共同描述
  • 延迟环节只改变相位,不改变幅值
步骤
  • 把传递函数分解为若干典型环节的乘积
  • 逐环节写出幅频与相频表达式
  • 按环节类型判断对系统性能的影响
通用考法
  • 本卷考过由开环传函求开环增益与时间常数
  • 指出给定传递函数由哪些典型环节串联组成
  • 由阶跃响应曲线或 Bode 图识别环节类型
  • 比较两个系统的时间常数大小
常见易错
  • 本卷考过把分母中的系数直接当作开环增益
  • 把一阶微分环节 (τs+1) 与纯微分环节 s 混为一谈
  • 把延迟环节的相位滞后误当作幅值衰减
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
  • 由二阶开环传函求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环传函整理成二阶标准形式
  • 中间结果:由一次项系数与常数项定 ξ、ωn
  • 卡点:阻尼振荡频率须由 ωn、ξ 共同计算
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
  • 本卷考过由二阶开环传函求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过化为标准形式时忘记把二次项系数归一
  • 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
  • 求阻尼振荡频率与5%误差带调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由 ωd=ωn√(1-ξ²) 求振荡频率
  • 中间结果:ts 按5%误差带取 3.5/(ξωn)
  • 卡点:注意调节时间系数与误差带对应
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
  • 本卷考过求阻尼振荡频率与5%误差带调节时间
  • 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
  • 本卷考过把两种误差带的调节时间系数搞混
  • 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
  • 列举典型非线性特性并判断放大器饱和类型
本卷实例
  • 关键一步:按常见非线性特性逐项列举
  • 中间结果:放大器和执行机构受限常呈饱和特性
  • 卡点:间隙易引起自振,注意区分
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
  • 本卷考过列举典型非线性特性并判断放大器饱和类型
  • 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
  • 本卷考过把死区与间隙特性混为一谈
  • 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
  • 求单位负反馈 G=1/s 在正弦输入下的稳态输出
本卷实例
  • 关键一步:由频率特性求幅值比与相位差
  • 中间结果:稳态输出仍为正弦、频率不变
  • 卡点:输入含初相时输出相角要叠加
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
  • 本卷考过求单位负反馈 G=1/s 在正弦输入下的稳态输出
  • 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
  • 本卷考过只算幅值比而漏掉相角变化
  • 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

二1二、1 两质量弹簧阻尼系统的动力学建模与传递函数#

思路
  • 分别对两质量块列牛顿运动方程并联立消元,得到输出位移对输入外力的传递函数 Y(s)/U(s)
机械系统建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 对两个质量块分别列写运动微分方程
本卷实例
  • 关键一步:先对整体列一方程,再对 m2 列弹簧阻尼受力方程
  • 中间结果:两式联立可消去 x2 求 x1
  • 卡点:系统图未编号,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 依据牛顿第二定律或达朗贝尔原理列方程
  • 三种基本元件:质量 m、粘性阻尼 f、弹簧 k
  • 同一方向取正,反向取负,逐项列出合力
步骤
  • 选定正方向并作受力分析
  • 分别写出质量、阻尼、弹簧对应的力
  • 按 F=ma 列写运动方程
  • 取拉氏变换整理成传递函数
通用考法
  • 本卷考过对两个质量块分别列写运动微分方程
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 两质量块经弹簧阻尼连接的系统建模
常见易错
  • 本卷考过多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
  • 阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 多质量系统漏掉相互作用力的反作用项
公式
本卷考法
  • 由机械系统运动方程求 Y(s)/U(s)
本卷实例
  • 关键一步:对两方程取零初始条件拉氏变换
  • 中间结果:解得 X1(s)/U(s) 的有理分式
  • 卡点:分子分母的 s 幂次要整理清楚
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由机械系统运动方程求 Y(s)/U(s)
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 本卷考过阻尼力与弹簧力正负方向取反
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式

二2二、2 闭环极点配置与前馈/扰动补偿设计15 分#

思路
  • 由结构图写闭环特征式,比较期望极点对应的特征多项式求 K1、K2;再分别令 R、N 单独作用,求使误差为零的补偿装置
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
  • 由期望闭环极点 -5±j5 反求开环参数 K1、K2
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写出 (s+5)²+25=s²+10s+50
  • 中间结果:与闭环特征式 s²+(1+K1K2)s+K1 对照系数
  • 卡点:比较系数时注意 K1 在常数项、K1K2 在一次项,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由期望闭环极点 -5±j5 反求开环参数 K1、K2
  • 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
  • 本卷考过化为标准形式时忘记把二次项系数归一
  • 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
本卷考法
  • 分别求输入单独与扰动单独作用下的传递函数
本卷实例
  • 关键一步:用叠加定理分别令 N=0 和 R=0
  • 中间结果:输入通道与扰动通道传函形式不同
  • 卡点:两输入不能直接叠加须先验证线性
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
  • 本卷考过分别求输入单独与扰动单独作用下的传递函数
  • 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
  • 本卷考过求扰动传函时没有把参考输入置零
  • 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
本卷考法
  • 设计前馈补偿器使给定信号不变性
本卷实例
  • 关键一步:令误差传函分子为零解出补偿装置
  • 中间结果:由 E=0 条件反解 G1(s)
  • 卡点:所得补偿器须检查物理可实现性
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
  • 本卷考过设计前馈补偿器使给定信号不变性
  • 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
  • 本卷考过求出的补偿器含高阶微分不可实现仍硬用
  • 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

二3二、3 内反馈对系统稳定性与稳态误差的影响15 分#

思路
  • 由梅森公式求开环与闭环传函,排劳斯表分析内反馈对稳定性的影响,再求三个静态误差系数并说明其对稳态误差的作用
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据分析内反馈环节对稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:由结构图列闭环特征方程再排劳斯表
  • 中间结果:判据给出使系统稳定的 K 范围
  • 卡点:与 K=0 的临界情形作对比,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过用劳斯判据分析内反馈环节对稳定性的影响
  • 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
  • 本卷考过系数有缺项时不补零直接套判据
  • 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
  • 求静态位置、速度、加速度误差系数
本卷实例
  • 关键一步:先判断系统型别与开环传函
  • 中间结果:按 Kp、Kv、Ka 的极限定义分别求解
  • 卡点:注意开环中积分环节的个数决定型别
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
  • 本卷考过求静态位置、速度、加速度误差系数
  • 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
  • 本卷考过把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 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
本卷考法
  • 说明内反馈对稳态误差的影响
本卷实例
  • 关键一步:由 Ka 的表达式比较内反馈引入前后的变化
  • 中间结果:内反馈可减小加速度误差
  • 卡点:同时要说明其对稳定性的改善作用
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
  • 本卷考过说明内反馈对稳态误差的影响
  • 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
  • 本卷考过只谈误差减小而不检查稳定性
  • 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

二4二、4 根轨迹绘制与单位斜坡稳态误差范围15 分#

思路
  • 由闭环特征方程提取等效开环,画 k 从0到∞的根轨迹并求与虚轴交点,再结合稳定域求斜坡稳态误差小于0.5的 k 范围
本卷考法
  • 由闭环特征方程提取等效开环并绘制根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先由 D(s)=s³+2s²+2s+K 提出等效开环
  • 中间结果:标出开环极点0、-1±j并按法则画图
  • 卡点:注意渐近线交点与夹角,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由闭环特征方程提取等效开环并绘制根轨迹
  • 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
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:把 s=jω 代入特征方程并拆开实虚部
  • 中间结果:令实部虚部同时为零解 ω 与 K
  • 卡点:所得 K 要与稳定域一致
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及临界增益
  • 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
  • 本卷考过只代一个 ω 就下结论,漏掉另一组交点
  • 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
  • 由单位斜坡稳态误差小于0.5反求 k 范围
本卷实例
  • 关键一步:先由稳定域限定 k 的取值
  • 中间结果:再令 ess=1/Kv<0.5 求下界
  • 卡点:两个条件取交集才能得最终范围
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小于0.5反求 k 范围
  • 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
  • 本卷考过未判稳就使用终值定理
  • 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

二5二、5 用奈奎斯特判据确定闭环极点实部小于-1的 K 范围15 分#

思路
  • 作 w=s+1 变换把 s 平面虚轴左移,将「极点实部小于-1」化为新系统稳定问题,再用奈奎斯特判据求 K 最大值
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用奈奎斯特判据确定使闭环极点实部小于-1的 K 最大值
本卷实例
  • 关键一步:作变换 G(u)=G(s)|s=u-1 得新开环
  • 中间结果:数 P 后由幅相曲线与(-1,j0)的关系判稳
  • 卡点:临界 K 对应曲线正好过(-1,j0)
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确定使闭环极点实部小于-1的 K 最大值
  • 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
  • 本卷考过开环含积分环节未补画无穷大圆弧
  • 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
  • 求变换后开环的幅频与相频并画幅相曲线
本卷实例
  • 关键一步:把 G(u) 写成两个惯性环节与积分串联
  • 中间结果:分段写出低频/高频渐近幅值
  • 卡点:相角为各环节相角之和
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
  • 本卷考过求变换后开环的幅频与相频并画幅相曲线
  • 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
  • 本卷考过相角计算漏掉积分环节的-90°
  • 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

二6二、6 由对数频率特性求欠阻尼范围与动态性能20 分#

思路
  • 由结构图与开环对数频率特性曲线反求开环传函,结合根轨迹求欠阻尼状态对应的 K 范围,再在给定阻尼比下求动态性能与速度误差
本卷考法
  • 由开环对数频率特性曲线反求系统传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率与高度确定型别与增益
  • 中间结果:由转折频率写出各惯性/一阶微分环节
  • 卡点:曲线以图5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
  • 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
  • 本卷考过由开环对数频率特性曲线反求系统传递函数
  • 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
  • 本卷考过把延长线交点误当增益而未折算型别
  • 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
  • 确定使闭环系统具有欠阻尼状态的 K 范围
本卷实例
  • 关键一步:由等效开环画根轨迹并找分离点
  • 中间结果:欠阻尼对应共轭复根区间
  • 卡点:临界值由分离点处的 K 决定
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
  • 本卷考过确定使闭环系统具有欠阻尼状态的 K 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
  • 本卷考过把等阻尼线画成了垂直线
  • 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
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 在 ξ=0.707 下求超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由等阻尼线与根轨迹交点求 ωn
  • 中间结果:按二阶公式算 σ% 与 ts
  • 卡点:ξ=0.707 属最佳阻尼比,注意误差带取5%
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 ξ=0.707 下求超调量与调节时间
  • 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
  • 本卷考过把两种误差带的调节时间系数搞混
  • 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 K=6 时系统在斜坡输入下的速度误差
本卷实例
  • 关键一步:先写出 K=6 时的误差传函
  • 中间结果:由 ess=lim sE(s) 求稳态值
  • 卡点:注意输出端与误差端定义
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 K=6 时系统在斜坡输入下的速度误差
  • 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
  • 本卷考过未判稳就直接使用终值定理
  • 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

二7二、7 串联校正装置的选择与参数设计20 分#

思路
  • 先画未校正系统对数幅频/相频曲线求截止频率与相角裕度,再分析超前与积分两种装置的特性,最后按斜坡误差为零与给定截止频率、相角裕度选定装置并求参数
本卷考法
  • 绘制开环对数渐近幅频与相频特性
本卷实例
  • 关键一步:由 G=1000/(s(s+10)) 画低频段与转折点
  • 中间结果:由 |G|=1 求截止频率
  • 卡点:相频由-90°与惯性环节相角叠加,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
  • 本卷考过绘制开环对数渐近幅频与相频特性
  • 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
  • 本卷考过逐段改斜率时忘记累加而非替换
  • 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
  • 求未校正系统的截止频率与相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由渐近线求未校正系统的截止频率
  • 中间结果:按 γ=180°+∠G(ωc) 求相角裕度
  • 卡点:相角裕度偏低,校正装置要提供足够超前角
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
  • 本卷考过求未校正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
  • 本卷考过把 ωc 与 ωg 两个频率用反
  • 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
  • 分别分析比例微分与比例积分装置在校正中的作用
本卷实例
  • 关键一步:按两种装置传函判断其频率特性
  • 中间结果:比例微分提供超前相角
  • 卡点:比例积分改善稳态精度但引入滞后
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
  • 本卷考过分别分析比例微分与比例积分装置在校正中的作用
  • 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
  • 本卷考过把积分装置的相位影响说成超前
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 按指标选择校正装置并确定其参数 K 与 T
本卷实例
  • 关键一步:由斜坡误差为零排除纯超前装置
  • 中间结果:由校正后 ωc 与 γ 联立求 T 与 K
  • 卡点:校验所选装置是否满足两项指标
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
  • 本卷考过按指标选择校正装置并确定其参数 K 与 T
  • 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
  • 本卷考过计算补偿角时忽略截止频率变化
  • 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