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南京信息工程大学 817 自动控制理论(含现控) 2018 年真题思维导图

强势双非共 6 题

难度:中等 六大题含结构图求传函、劳斯判据稳定K、根轨迹绘制、最小相位Bode反求、超前与滞后校正比较、一阶测温系统响应;逐年与宝典两源通篇均未印分值

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1结构图求闭环传递函数#

思路
  • 列回路与前向通路,用梅森公式求闭环传递函数
本卷考法
  • 由多回路结构图求 C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先标出全部独立回路,再找前向通路
  • 中间结果:特征式由各回路增益叠加而成
  • 卡点:回路极性决定特征式符号;需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由多回路结构图求 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
  • 本卷考过不接触回路漏计或重复计数
  • 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
  • 三环以上结构图逐层等效化简
本卷实例
  • 关键一步:由内到外逐层等效,或统一用梅森公式
  • 中间结果:两次反馈等效后化为单回路形式
  • 卡点:引出点与比较点位置需辨认;需回原卷核对图
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
  • 本卷考过三环以上结构图逐层等效化简
  • 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信号当常数处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

2劳斯判据确定稳定K范围#

思路
  • 列闭环特征方程,用劳斯判据求使系统稳定的k取值范围
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯判据确定使系统稳定的k取值范围
本卷实例
  • 关键一步:由结构图写出闭环特征方程再列劳斯表
  • 中间结果:稳定条件归结为劳斯表首列全为正
  • 卡点:首列元素的不等式取交集;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确定使系统稳定的k取值范围
  • 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
  • 本卷考过首列出现零后未用 ε 法继续判别
  • 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
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 求使闭环稳定的参数上界与下界
本卷实例
  • 关键一步:逐行列写劳斯表并整理各不等式
  • 中间结果:稳定域由若干不等式共同限定
  • 卡点:端点是否包含需回原卷核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳定条件是一组关于参数的不等式
  • 区间端点通常对应临界稳定,即根落在虚轴上
  • 稳定域是不等式组的交集
步骤
  • 由劳斯表首列各元素大于零列出不等式组
  • 逐个解不等式并取交集
  • 检查端点是否为临界稳定
通用考法
  • 本卷考过求使闭环稳定的参数上界与下界
  • 求使系统稳定的参数上界或下界
  • 判断某参数取值是否满足稳定要求
  • 比较不同参数对稳定域大小的影响
常见易错
  • 本卷考过漏掉某个首列约束致稳定域偏大
  • 只列出部分首列元素的不等式,漏掉某个约束
  • 取交集时把端点是否包含搞错
公式

3开环根轨迹绘制#

思路
  • 由开环传函的零极点分布按法则绘制根轨迹
本卷考法
  • 按绘制法则画根轨迹草图并求渐近线
本卷实例
  • 关键一步:先标零极点与实轴段,再求渐近线
  • 中间结果:渐近线条数与交点、夹角可由零极点定
  • 卡点:实轴根轨迹段的取舍需核对
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
  • 本卷考过按绘制法则画根轨迹草图并求渐近线
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹在实轴上的分离点
本卷实例
  • 关键一步:由特征方程极值条件求分离点候选
  • 中间结果:分离点坐标须回幅值条件验证取舍
  • 卡点:分离点可能不止一个,需逐个验证
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
  • 本卷考过求根轨迹在实轴上的分离点
  • 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
  • 本卷考过求得候选点后未筛选不在轨迹上的解
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令 s 取纯虚数代入特征方程分离实虚部
  • 中间结果:由实虚部为零联立解出频率与增益
  • 卡点:穿越虚轴的方向由增益变化判断
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
  • 本卷考过只代一个角频率值就下结论而漏解
  • 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最小相位系统Bode图反求传函#

思路
  • 由对数渐近幅频特性的低频段与转折频率反写开环传函
本卷考法
  • 由对数幅频渐近线反求开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定型别,由高度定增益
  • 中间结果:各转折频率对应一个一阶环节
  • 卡点:斜率变化量决定环节阶次;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
  • 本卷考过由对数幅频渐近线反求开环传递函数
  • 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
  • 说明最小相位系统可由幅频唯一还原
本卷实例
  • 关键一步:先确认为最小相位再据幅频唯一还原
  • 中间结果:非最小相位须借助相频特性鉴别
  • 卡点:最小相位系统无右半平面零极点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 最小相位系统:全部零点极点都在左半平面
  • 同类系统中最小相位系统的相位滞后最小
  • 非最小相位系统幅频特性相同但相位滞后更大
  • 含右半平面零点时阶跃响应出现初始反向
步骤
  • 检查零点实部符号判断是否最小相位
  • 比较同幅频特性的两类系统的相频曲线
  • 分析右半平面零点对时域响应的影响
通用考法
  • 本卷考过说明最小相位系统可由幅频唯一还原
  • 判断系统是否最小相位
  • 解释阶跃响应初始反向的原因
  • 说明仅由幅频曲线能否唯一确定传递函数
常见易错
  • 本卷考过误以为任意系统仅由幅频即可定传函
  • 以为幅频特性可以唯一确定传递函数
  • 把右半平面极点与右半平面零点混为一谈

5串联超前与滞后校正方案比较#

思路
  • 分别写出超前、滞后校正前后开环传函并比较作用与优缺点
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 写出超前校正后的开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:固定部分与超前装置相乘得校正后传函
  • 中间结果:超前校正抬高截止频率与相角裕度
  • 卡点:校正前后的稳态增益要分别核对
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
  • 本卷考过写出超前校正后的开环传递函数
  • 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忽略截止频率变化的影响
  • 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
滞后校正 系统校正
本卷考法
  • 写出滞后校正后的开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:在原开环上串入滞后网络改写传函
  • 中间结果:滞后校正压低高频增益而少动低频段
  • 卡点:滞后校正牺牲响应速度需权衡
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
  • 本卷考过写出滞后校正后的开环传递函数
  • 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
  • 本卷考过滞后网络两转折频率的顺序写反
  • 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
  • 比较超前与滞后校正的适用场合
本卷实例
  • 关键一步:从截止频率、裕度、带宽三方面比较
  • 中间结果:超前改善动态,滞后改善稳态精度
  • 卡点:两种方案的代价与局限需分别说明
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
  • 本卷考过比较超前与滞后校正的适用场合
  • 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
  • 本卷考过把截止频率与相位穿越频率混用
  • 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

6一阶测温系统的时域响应与稳态误差#

思路
  • 由一阶系统阶跃响应求时间常数,再求升降时间与斜坡输入稳态指示误差
一阶系统的单位阶跃响应 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阶跃响应到达稳态值96%反求时间常数
本卷实例
  • 关键一步:由响应表达式解出时间常数 T
  • 中间结果:10%与90%各对应一个时刻,取其差
  • 卡点:求的是10%到90%的时间差
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
  • 本卷考过由阶跃响应到达稳态值96%反求时间常数
  • 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
  • 本卷考过把响应到达63.2%的时刻当成50%
  • 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
  • 求一阶系统对斜坡输入的稳态指示误差
本卷实例
  • 关键一步:按误差定义列误差传函再用终值定理
  • 中间结果:斜坡输入下稳态误差由速度误差系数定
  • 卡点:误差定义为 r-c 时须用闭环误差传函
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
  • 本卷考过求一阶系统对斜坡输入的稳态指示误差
  • 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
  • 本卷考过输入幅度不为1时漏乘输入幅度
  • 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