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南京工业大学 821 自动控制原理 2022 年真题思维导图

强势双非共 6 题

难度:中等 一、填空题六道加二、综合题五道;综合题覆盖梅森公式求闭环传函、稳定性与稳态误差与主导极点、根轨迹与最小阻尼比、Bode图与串联滞后校正、描述函数法自振分析

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1~6填空题(共六道)#

思路
  • 六道填空覆盖含延迟系统稳定范围、偶极子对动态性能的影响、描述函数法适用性、奈氏判据判稳、由开环与部分闭环极点反求另一极点、高频段Bode斜率
本卷考法
  • 由含延迟系统求使系统稳定的延迟时间范围
本卷实例
  • 关键一步:按相频扣除延迟引起的附加相位滞后
  • 中间结果:由相角裕度大于零得到延迟时间的上界
  • 卡点:源文题干用符号写延迟因子,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由含延迟系统求使系统稳定的延迟时间范围
  • 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
  • 本卷考过把延迟环节当成惯性环节处理
  • 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
本卷考法
  • 说明偶极子对系统动态性能是否有影响
本卷实例
  • 关键一步:把偶极子理解为靠得很近的零极点对
  • 中间结果:零极点近似对消后对动态性能影响很小
  • 卡点:源文只有一问,未给具体零极点位置
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
  • 本卷考过说明偶极子对系统动态性能是否有影响
  • 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
  • 本卷考过把偶极子与普通零极点同等对待
  • 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
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 比较两系统用描述函数法分析的适用性
本卷实例
  • 关键一步:比较两系统惯性时间常数与低通滤波能力
  • 中间结果:时间常数大的系统高次谐波衰减更强
  • 卡点:被比较两系统的时间常数相差一个数量级
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
  • 本卷考过比较两系统用描述函数法分析的适用性
  • 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
  • 本卷考过忽略线性部分低通滤波特性的差异
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环右极点数与包围圈数求闭环右极点数
本卷实例
  • 关键一步:按闭环右极点数等于P加包围圈数的奈氏关系代入
  • 中间结果:包围圈数按逆时针为正、顺时针为负计
  • 卡点:题干P与正负包围圈数均已给出,只需代数相加
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
  • 本卷考过由开环右极点数与包围圈数求闭环右极点数
  • 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
  • 本卷考过忘记先数开环右半平面极点数P
  • 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
  • 由开环极点与部分闭环极点反求另一闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函写闭环特征方程并代入已知闭环极点
  • 中间结果:特征方程次数由开环极点个数决定
  • 卡点:已知的是一对共轭闭环极点,剩一个实极点
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
  • 本卷考过由开环极点与部分闭环极点反求另一闭环极点
  • 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
  • 本卷考过把开环极点个数与闭环极点个数混为一谈
  • 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
本卷考法
  • 求频率趋于无穷时Bode图高频段斜率
本卷实例
  • 关键一步:比较分子与分母的最高阶次得到相对阶
  • 中间结果:高频段斜率由相对阶按负二十分贝每十倍频折算
  • 卡点:源文该式参数为符号,无具体数值
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
  • 本卷考过求频率趋于无穷时Bode图高频段斜率
  • 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
  • 本卷考过只看分母最高阶而漏掉分子最高阶
  • 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

二1综合题1、梅森公式求闭环传函#

思路
  • 先数回路并写回路增益与特征式,再由前向通道与余子式用梅森公式求C(s)
本卷考法
  • 由结构图用梅森公式求C(s)
本卷实例
  • 关键一步:逐一列写各回路增益与前向通道余子式
  • 中间结果:含互不接触回路时特征式要计入二阶乘积项
  • 卡点:逐年真题段丢失本小题标题,已用宝典段交叉比对补出
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
  • 本卷考过由结构图用梅森公式求C(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
  • 本卷考过不接触回路找漏或重复计数
  • 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
  • 由结构图逐层化简也可求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:从最内层回路开始逐层等效化简
  • 中间结果:内环等效后再参与外层串并联
  • 卡点:综合题1的结构图接线为原卷插图,需回原卷核对
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
  • 本卷考过由结构图逐层化简也可求闭环传函
  • 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
  • 本卷考过化简内环时把外环的信号当成常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

二2综合题2、稳定性与主导极点#

思路
  • 先由结构图写开环与闭环传函,用劳斯判据求K的稳定范围,再由斜坡稳态误差反求K范围,最后判断远极点能否忽略
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 求使系统稳定的K值范围
本卷实例
  • 关键一步:写出三阶特征方程后列劳斯表
  • 中间结果:令劳斯表首列全部大于零得K的范围
  • 卡点:综合题2的结构图各环节增益为原卷插图,需回原卷核对
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
  • 本卷考过求使系统稳定的K值范围
  • 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用判据
  • 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
  • 由斜坡输入稳态误差要求反求K范围
本卷实例
  • 关键一步:按型别写速度误差系数并把误差写成K的函数
  • 中间结果:由误差上界得到K的下界
  • 卡点:最终K范围是误差条件与稳定条件的交集
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
  • 本卷考过由斜坡输入稳态误差要求反求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
  • 本卷考过未与稳定范围取交集就下结论
  • 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
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
  • 判断给定极点是否为闭环主导极点
本卷实例
  • 关键一步:比较远极点与近极点实部的倍数关系
  • 中间结果:实部相差五倍以上时可作主导极点
  • 卡点:题给闭环极点含一对共轭复极点
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
  • 本卷考过判断给定极点是否为闭环主导极点
  • 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
  • 本卷考过只看极点距离而不管该极点的留数大小
  • 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

二3综合题3、根轨迹与最小阻尼比#

思路
  • 先判断零度或180度根轨迹,再由轨迹图反求开环传函并求分离点与对应增益,最后求最小阻尼比时的极点与增益
本卷考法
  • 判断给定根轨迹是零度还是180度根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按实轴段右侧开环零极点个数的奇偶判断
  • 中间结果:右侧零极点个数之和为奇数对应180度根轨迹
  • 卡点:综合题3的根轨迹走向图为原卷插图,需回原卷核对
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
  • 本卷考过判断给定根轨迹是零度还是180度根轨迹
  • 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
  • 本卷考过把实轴段判据的奇偶性记反
  • 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
  • 由根轨迹图反求开环传函
本卷实例
  • 关键一步:从图上读开环零点与开环极点的位置
  • 中间结果:由零极点位置直接写出开环传函形式
  • 卡点:综合题3根轨迹图上的零极点位置需回原卷逐一核对
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
  • 本卷考过由根轨迹图反求开环传函
  • 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
  • 本卷考过渐近线夹角公式中的二k加一写成二k
  • 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
  • 求根轨迹的分离点及对应根轨迹增益
本卷实例
  • 关键一步:列分离点方程并解出两个实根
  • 中间结果:两个分离点分别由幅值条件对应不同增益
  • 卡点:需判断哪个分离点落在实轴根轨迹段上
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点及对应根轨迹增益
  • 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
  • 本卷考过求出方程根后不筛选而保留不在轨迹上的解
  • 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
  • 求最小阻尼比时的闭环极点与根轨迹增益
本卷实例
  • 关键一步:最小阻尼比对应原点向根轨迹作切线
  • 中间结果:切点即等阻尼线与根轨迹的交点
  • 卡点:本题轨迹段为圆,切点由几何关系确定
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
  • 本卷考过求最小阻尼比时的闭环极点与根轨迹增益
  • 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
  • 本卷考过由极点位置估指标时忽略零点的作用
  • 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

二4综合题4、Bode图与串联校正#

思路
  • 先画给定传函的Bode图并求相角裕度,再用给出的校正装置判断类型、讨论校正后超调量与响应速度变化
本卷考法
  • 画出给定传递函数的Bode图
本卷实例
  • 关键一步:把传函拆成积分、比例与惯性环节再逐段叠加
  • 中间结果:转折频率处斜率按每十倍频负二十分贝变化
  • 卡点:本小题装置图为原卷插图,需回原卷核对
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
  • 本卷考过画出给定传递函数的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
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 判断串联校正装置类型并求相角裕度是否达标
本卷实例
  • 关键一步:由校正装置零点低于极点判断为滞后校正
  • 中间结果:校正后截止频率与相角裕度由频率特性算得
  • 卡点:需与题目要求的四十五度门限比较才能下结论
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
  • 本卷考过判断串联校正装置类型并求相角裕度是否达标
  • 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
  • 本卷考过把滞后网络的两个转折频率顺序写反
  • 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
  • 说明校正的基本概念与要达成的目标
本卷实例
  • 关键一步:由性能指标确定目标相角裕度与截止频率
  • 中间结果:校正后需同时兼顾裕度与带宽要求
  • 卡点:本题未指明校正方式,需回原卷核对
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
  • 本卷考过说明校正的基本概念与要达成的目标
  • 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
  • 本卷考过只盯相角裕度而忽略带宽要求
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 求校正后系统的相角裕度
本卷实例
  • 关键一步:由校正后幅频确定截止频率再代入相频
  • 中间结果:相角裕度由一百八十度加截止频率处相角得到
  • 卡点:结果要与四十五度门限比较
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
  • 本卷考过求校正后系统的相角裕度
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率用反
  • 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
  • 用中频段理论说明校正前后超调量与响应速度的变化
本卷实例
  • 关键一步:由相角裕度估算谐振峰值再折算超调量
  • 中间结果:中频段下移使响应变慢而超调减小
  • 卡点:经验公式只在给定取值范围适用
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 谐振峰值 Mr 越大振荡越强,通常要求 Mr 在 1.1 到 1.5 之间
  • 谐振频率 ωr 与峰值时间相关
  • 带宽频率 ωb 越大响应越快但抗噪能力下降
  • 由等 M 圆与等 N 圆可由开环频率特性求闭环特性
步骤
  • 由开环频率特性求闭环频率特性
  • 读出谐振峰值、谐振频率与带宽
  • 按经验公式估计超调量与调节时间
通用考法
  • 本卷考过用中频段理论说明校正前后超调量与响应速度的变化
  • 由闭环幅频特性求谐振峰值与带宽
  • 由 Mr 估算超调量
  • 分析带宽与响应速度的关系
常见易错
  • 本卷考过把开环谐振与闭环谐振混为一谈
  • 当 ξ>0.707 时仍套用谐振峰值公式
  • 把开环谐振与闭环谐振混为一谈
公式

二5综合题5、描述函数法分析自振#

思路
  • 先由给定描述函数画负倒描述函数,再画线性部分Nyquist图判断有无自振并求自振条件,最后讨论增大K后自振参数的变化
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 写出给定非线性元件的描述函数并分析其走向
本卷实例
  • 关键一步:按描述函数定义取非线性输出的一次谐波
  • 中间结果:该描述函数实部随振幅单调变化而虚部为常数
  • 卡点:源文描述函数表达式需回原卷核对
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
  • 本卷考过写出给定非线性元件的描述函数并分析其走向
  • 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
  • 本卷考过把描述函数当成频率的函数
  • 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
  • 画Nyquist图并判断系统是否存在自振
本卷实例
  • 关键一步:把负倒描述函数曲线与线性部分幅相曲线画在同图
  • 中间结果:两曲线无交点则系统不产生自振
  • 卡点:综合题5的结构图与非线性位置为原卷插图,需回原卷核对
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
  • 本卷考过画Nyquist图并判断系统是否存在自振
  • 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
  • 本卷考过画的是描述函数而不是负倒描述函数
  • 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
  • 分析增大K后自振振幅与频率的变化
本卷实例
  • 关键一步:K增大使幅相曲线外扩并与负倒描述函数相交
  • 中间结果:交点沿负倒描述函数移动即可定振幅与频率变化
  • 卡点:需结合自振存在条件判断交点移动方向
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 非线性系统只有局部稳定性概念,与初始条件有关
  • 极限环的稳定性可由相轨迹收敛或发散判断
  • 减小非线性影响可用加大线性部分增益或引入校正
  • 用描述函数或相平面结果指导参数选择
步骤
  • 判断系统是否存在极限环并确定其稳定性
  • 分析非线性环节参数对自振幅值频率的影响
  • 通过调整线性部分增益或加入校正削弱自振
  • 重新分析确认自振消除或幅值达标
通用考法
  • 本卷考过分析增大K后自振振幅与频率的变化
  • 提出消除自振的工程措施
  • 分析增益变化对极限环幅值的影响
  • 比较不同方案对稳定性与动态性能的利弊
常见易错
  • 本卷考过仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 仅调整增益而不检查是否引入新的自振点
  • 把不稳定极限环误判为可观测的自振