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哈尔滨理工大学 810 自动控制原理 2016 年真题思维导图

强势双非共 8 题合计 150 分

难度:中等 全卷 8 大题,含选择、填空两小节与 6 道计算题。第 1 题十道单项选择,第 2 题十道填空,第 3 题方框图化简求闭环传函,第 4 题由超调量与峰值时间反求二阶参数,第 5 题绘制含开环零点的根轨迹,第 6 题画对数渐近幅频特性并求相角与幅值裕度,第 7 题设计串联迟后校正,第 8 题离散系统求稳定增益范围。第 3、4、6、8 题题面含原卷插图。

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1一、单项选择题(10小题)10 分#

思路
  • 十道单选覆盖自控基本概念、传递函数性质、环节连接等效、一阶响应、型别与加速度误差、奈氏包围判据、根轨迹分支数与串联校正装置类型,逐小题按定义与公式比对选项。
本卷考法
  • 判断自动控制系统的基本组成与性能要求
本卷实例
  • 关键一步:从被控量、操纵量与控制装置三要素辨认系统
  • 中间结果:性能要求归结为稳定、快速、准确三条
  • 卡点:把被控量与操纵量对号入座时最易互换
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
  • 本卷考过判断自动控制系统的基本组成与性能要求
  • 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
  • 判断传递函数取决于结构与参数
本卷实例
  • 关键一步:传递函数只由系统结构与参数决定,与输入形式无关
  • 中间结果:极点由分母决定,零点由分子决定
  • 卡点:把输入信号形式误当成影响传递函数的因素
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
  • 本卷考过判断传递函数取决于结构与参数
  • 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
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由连接方式判断等效传递函数
本卷实例
  • 关键一步:并联环节的等效式为各传递函数代数和
  • 中间结果:串联为相乘、反馈为前向除一加开环
  • 卡点:并联与串联的等效运算易张冠李戴
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
  • 本卷考过由连接方式判断等效传递函数
  • 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
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 辨认一阶系统单位阶跃响应形状
本卷实例
  • 关键一步:一阶系统单位阶跃响应为单调上升的指数曲线
  • 中间结果:时间常数越大上升越慢但稳态值不变
  • 卡点:把它与二阶欠阻尼的振荡曲线混淆
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 一阶系统只有一个时间常数 T,响应单调无振荡
  • 经过一个 T 达到稳态值的 63.2%,3T 达到 95%,4T 达到 98%
  • 调节时间按误差带取 3T(5%)或 4T(2%)
步骤
  • 把传递函数化为标准形式 1/(Ts+1)
  • 读出时间常数 T
  • 按误差带要求给出调节时间
通用考法
  • 本卷考过辨认一阶系统单位阶跃响应形状
  • 求一阶系统的调节时间与上升时间
  • 由响应曲线求时间常数
  • 比较不同时间常数下响应快慢
常见易错
  • 把 63.2% 对应的时刻记成 50% 对应的时刻
  • 增益 K 不为 1 时仍直接读稳态值
公式
本卷考法
  • 由系统型别判断加速度输入下的误差
本卷实例
  • 关键一步:数开环积分环节个数来判断系统型别
  • 中间结果:零型系统跟踪加速度输入的误差趋于无穷
  • 卡点:型别号与静态误差系数的对应关系记反
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
  • 本卷考过由系统型别判断加速度输入下的误差
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏曲线包围圈数判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再看包围负一点的圈数
  • 中间结果:包围圈数与开环极点数的关系定右半平面闭环根数
  • 卡点:积分环节未补画无穷大圆弧会数错包围次数
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
  • 本卷考过由奈氏曲线包围圈数判断闭环稳定性
  • 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
本卷考法
  • 由开环零极点数目判断根轨迹条数
本卷实例
  • 关键一步:根轨迹条数等于开环极点数,终止于零点或无穷远
  • 中间结果:趋于无穷远的条数为极点数减零点数
  • 卡点:把有限零点数与无穷远终点条数混为一谈
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
  • 本卷考过由开环零极点数目判断根轨迹条数
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 判断超前校正对应的控制器类型
本卷实例
  • 关键一步:超前校正提供正相角,近似微分加比例作用
  • 中间结果:串联超前校正装置等价于比例微分控制
  • 卡点:把滞后校正误判为比例微分作用
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
  • 本卷考过判断超前校正对应的控制器类型
  • 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

2二、填空题(10小题)20 分#

思路
  • 十个小空考查典型环节判别、方框图的连接方式、负反馈等效式、梅森公式依据、无静差控制器、闭环主导极点、稳定的首要条件、根轨迹相角条件、稳态误差定义与频率特性含义。
本卷考法
  • 判别简单RC网络属于哪种典型环节
本卷实例
  • 关键一步:由电容电压与电源电压关系式对照典型环节形式
  • 中间结果:一阶RC网络的输出对输入呈惯性环节特性
  • 卡点:把惯性环节与一阶微分环节的时间常数位置写反
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
  • 本卷考过判别简单RC网络属于哪种典型环节
  • 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
  • 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
串联、并联与反馈等效 结构图与方框图
本卷考法
  • 由首尾相连判断方框图的连接方式
本卷实例
  • 关键一步:前一方框输出即后一方框输入,即为串联连接
  • 中间结果:负反馈等效分母为一加前向与反馈传递函数乘积
  • 卡点:把负反馈等效分母误写成一减开环
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
  • 本卷考过由首尾相连判断方框图的连接方式
  • 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
本卷考法
  • 指出应用梅森增益公式的依据
本卷实例
  • 关键一步:梅森公式依据系统的结构参数与回路接触关系
  • 中间结果:特征式与余子式均可由结构图直接读出
  • 卡点:把依据写成输入信号形式,混淆适用条件
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
  • 本卷考过指出应用梅森增益公式的依据
  • 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
  • 选择实现无静差控制的控制器类型
本卷实例
  • 关键一步:无静差要求开环含积分环节,故选积分控制器
  • 中间结果:积分作用可消除阶跃输入下的稳态误差
  • 卡点:积分作用同时降低相角裕度,不能只看精度
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
  • 本卷考过选择实现无静差控制的控制器类型
  • 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
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
  • 定义距虚轴最近的共轭闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:附近无闭环零点且其余极点远在五倍之外
  • 中间结果:满足条件的共轭极点称闭环主导极点,可降阶
  • 卡点:忽略零点对超调量的放大作用会高估降阶精度
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
  • 本卷考过定义距虚轴最近的共轭闭环极点
  • 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
  • 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
本卷考法
  • 说明根轨迹方程中相角条件的地位
本卷实例
  • 关键一步:相角条件决定根轨迹的形状与走向
  • 中间结果:幅值条件只用来定轨迹上某点对应的增益
  • 卡点:把相角条件与幅值条件的作用张冠李戴
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
  • 本卷考过说明根轨迹方程中相角条件的地位
  • 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
  • 给出稳态误差的定义
本卷实例
  • 关键一步:稳态误差是响应稳态值与给定值之间的偏差
  • 中间结果:其前提是系统稳定且误差由给定输入引起
  • 卡点:把稳态误差与动态误差或扰动误差混为一谈
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
  • 本卷考过给出稳态误差的定义
  • 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
  • 给出幅频特性与相频特性的合称
本卷实例
  • 关键一步:幅频特性与相频特性合称频率特性
  • 中间结果:频率特性可由传递函数令 s 等于 jω 得到
  • 卡点:把频率特性的物理含义说成时域响应
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
  • 本卷考过给出幅频特性与相频特性的合称
  • 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

3三、方框图化简求闭环传函(图)20 分#

思路
  • 对含多处交叉的方框图先做比较点前移与引出点后移,再把反馈通路与串联支路合并,逐步化简得到闭环传递函数,最后可用梅森公式复核回路数与前向通路数。
比较点与引出点的移动 结构图与方框图
本卷考法
  • 移动比较点与引出点消除交叉连接
本卷实例
  • 关键一步:把两个比较点前移至同一节点合并交叉
  • 中间结果:引出点后移后各支路关系与原图保持等价
  • 卡点:前移用除后移用乘,方向写反则等效错误
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
  • 本卷考过移动比较点与引出点消除交叉连接
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 先化简内层回路再并入外层
本卷实例
  • 关键一步:先将内层单回路独立化简再并入外层
  • 中间结果:内环等效后外层简化为一个单回路反馈
  • 卡点:化简内环时误把外层信号当作常量处理
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
  • 本卷考过先化简内层回路再并入外层
  • 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
  • 反馈通路相加后再与前向通道串接
本卷实例
  • 关键一步:先合并反馈支路再与前向通道相乘
  • 中间结果:闭环分母为一加前向与反馈乘积之和
  • 卡点:多回路分母由几项组成,漏掉一项即结果错
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
  • 本卷考过反馈通路相加后再与前向通道串接
  • 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
本卷考法
  • 用梅森公式复核回路与前向通路条数
本卷实例
  • 关键一步:用梅森公式独立复核回路与前向通路条数
  • 中间结果:两种方法应给出同一个闭环传递函数
  • 卡点:不接触回路找漏会同时影响分子与分母
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
  • 本卷考过用梅森公式复核回路与前向通路条数
  • 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

4四、由超调量与峰值时间反求二阶参数(图)20 分#

思路
  • 由方框图求闭环传函并化为标准二阶形式,用超调量与峰值时间两个指标联立解出阻尼比与自然频率,再回代分子分母系数求增益与时间常数,最后算上升时间与调节时间。
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
  • 求闭环传函并化为标准二阶形式
本卷实例
  • 关键一步:先由方框图求闭环分母再与标准二阶式比对
  • 中间结果:一次项系数等于二倍阻尼乘自然频率
  • 卡点:分母首项未归一化会使参数比对出错
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
  • 本卷考过求闭环传函并化为标准二阶形式
  • 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
  • 由超调量与峰值时间解阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:超调量公式只含阻尼比,可先单独解出阻尼比
  • 中间结果:阻尼比确定后由峰值时间公式解自然频率
  • 卡点:上升时间公式含阻尼角余弦,角度取值易错
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
  • 本卷考过由超调量与峰值时间解阻尼比与自然频率
  • 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
  • 联立指标方程反求增益与时间常数
本卷实例
  • 关键一步:两个指标对应两个方程,联立反解两个未知量
  • 中间结果:自然频率平方等于分子常数,用于回代求增益
  • 卡点:两未知量耦合时漏掉其中一个方程
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
  • 本卷考过联立指标方程反求增益与时间常数
  • 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
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由方框图数前向通道与独立回路再写闭环式
本卷实例
  • 关键一步:由方框图数清前向通道与独立回路再写闭环式
  • 中间结果:两回路特征式化简后得到二阶闭环分母
  • 卡点:回路增益符号取反会把分母写错
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
  • 本卷考过由方框图数前向通道与独立回路再写闭环式
  • 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

5五、绘制含零点系统的根轨迹20 分#

思路
  • 由开环零极点定分支数与实轴段,列分离点方程解出并点,令 s 等于 jω 求虚轴交点与临界增益,据此描出两条分支的走向。
本卷考法
  • 定根轨迹分支数与实轴段
本卷实例
  • 关键一步:先定两条分支的起点与终点,再定实轴段
  • 中间结果:一个零点使一条分支终止于有限零点,另一条趋于无穷远
  • 卡点:实轴段按右侧零极点总数为奇数判断,易漏零点
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
  • 本卷考过定根轨迹分支数与实轴段
  • 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
  • 求分离点并用实轴段条件筛选
本卷实例
  • 关键一步:列分离点方程求解并用实轴段条件筛选
  • 中间结果:分离点方程为一元二次式,两根一正一负
  • 卡点:不筛选会把不在轨迹上的解当成分离点
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
  • 本卷考过求分离点并用实轴段条件筛选
  • 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
  • 求虚轴交点对应的临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令 s 等于 jω 代入特征式求纯虚根对应的增益
  • 中间结果:除原点外还有一对纯虚根,给出临界增益
  • 卡点:只保留零解会漏掉使系统临界稳定的正增益
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
  • 本卷考过求虚轴交点对应的临界增益
  • 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
  • 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

6六、绘制对数渐近线并求裕度20 分#

思路
  • 由开环传函定低频段斜率与高度,按两个转折频率逐段画出对数渐近幅频特性,再分别由幅值条件与相角条件求剪切频率和相位穿越频率,代回得相角裕度与幅值裕度。
本卷考法
  • 按渐近线规则求低频段高度与各段斜率
本卷实例
  • 关键一步:低频段起点高度由增益与型别共同决定
  • 中间结果:每过一个惯性转折频率斜率再降二十分贝每十倍频
  • 卡点:低频段高度漏乘型别对应项会使整条线平移
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
  • 本卷考过按渐近线规则求低频段高度与各段斜率
  • 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
  • 由裕度定义求相角裕度与幅值裕度
本卷实例
  • 关键一步:幅值等于一处的频率为剪切频率,据此算相角裕度
  • 中间结果:相角等于负一百八十度处求穿越频率再求幅值裕度
  • 卡点:两个穿越频率易互换,幅值裕度取倒数方向易反
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
  • 本卷考过由裕度定义求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
本卷考法
  • 由转折频率识别典型环节
本卷实例
  • 关键一步:两个转折频率各对应一个最小相位惯性环节
  • 中间结果:高频段总斜率为零型别再降两个二十分贝每十倍频
  • 卡点:把惯性环节的高频斜率写成一阶微分的正值
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 比例环节是水平线,积分与微分分别是 -20 与 +20 dB/dec 的斜线
  • 惯性环节转角频率为 1/T,高频段渐近线斜率为 -20 dB/dec
  • 一阶微分环节与惯性环节幅频互为镜像
  • 振荡环节在 ωn 附近出现谐振峰,ξ 越小峰越高
步骤
  • 把传递函数分解为典型环节乘积
  • 逐环节画出对数幅频渐近线与相频曲线
  • 代数相加得到总特性
通用考法
  • 本卷考过由转折频率识别典型环节
  • 画出某一典型环节的 Bode 图
  • 由 Bode 图识别环节类型
  • 说明转角频率处的幅值与相角
常见易错
  • 把惯性环节高频渐近线的 -20 写成 -40
  • 振荡环节谐振峰位置误当作 ωn
公式

7七、设计串联迟后校正装置20 分#

思路
  • 由速度误差系数要求定增益,检验未校正系统的截止频率与相角裕度,按相角裕度要求加余量求新的截止频率,再由该频率处的幅值关系定衰减系数与时间常数并校验。
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 设计串联迟后校正装置并求网络参数
本卷实例
  • 关键一步:按相角裕度要求加五到十度余量求新截止频率
  • 中间结果:由该频率处幅值定衰减系数,再求转折频率与时间常数
  • 卡点:滞后网络两转折频率顺序写反会使校正无效
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
  • 本卷考过设计串联迟后校正装置并求网络参数
  • 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
  • 把稳态与裕度要求折算为频域指标
本卷实例
  • 关键一步:把速度误差系数与相角裕度要求折算为频域指标
  • 中间结果:未校正系统截止过高、相角裕度不足是校正动因
  • 卡点:只盯相角裕度不核对截止频率的下限要求
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
  • 本卷考过把稳态与裕度要求折算为频域指标
  • 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
  • 由速度误差系数直接定开环增益
本卷实例
  • 关键一步:速度误差系数等于开环增益,直接给出增益取值
  • 中间结果:斜坡输入误差与开环增益成反比
  • 卡点:把速度误差系数与位置误差系数混淆
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
  • 本卷考过由速度误差系数直接定开环增益
  • 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
本卷考法
  • 说明迟后校正如何兼顾精度与裕度
本卷实例
  • 关键一步:迟后校正靠压低高频增益换取裕度而非提高低频增益
  • 中间结果:低频增益不变,故稳态精度不被牺牲
  • 卡点:误以为迟后校正都会增大开环增益
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
  • 本卷考过说明迟后校正如何兼顾精度与裕度
  • 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

8八、离散系统稳定增益范围(图)20 分#

思路
  • 由离散结构图求开环脉冲传函与闭环特征方程,先算特征式在正负一处的值,再列朱利表写出中间元素的模约束,联立解出使系统稳定时增益的取值范围。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的开环脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:先对含保持器的连续部分部分分式展开再查表
  • 中间结果:开环脉冲传函分母含 z 减一与 z 减衰减项
  • 卡点:环节间无采样开关时直接相乘会算错脉冲传函
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
  • 本卷考过求含零阶保持器的开环脉冲传函
  • 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
  • 用朱利判据求稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先算特征式在正负一的值,再列朱利表得约束
  • 中间结果:朱利表中间行首元素绝对值小于一是稳定条件
  • 卡点:稳定条件是模小于一而不是实部小于零
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
  • 本卷考过用朱利判据求稳定增益范围
  • 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
  • 由采样点上的误差说明稳定范围的意义
本卷实例
  • 关键一步:输出端采样时误差取采样点上的值再套终值定理
  • 中间结果:增益范围由两个不等式取交集得到
  • 卡点:未判稳就用终值定理会得出无意义的稳态值
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
  • 本卷考过由采样点上的误差说明稳定范围的意义
  • 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