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北京航空航天大学 873 自动控制原理 2015 年真题思维导图

985 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等偏上 873 为数字电子技术与自动控制原理合卷,数电五题占 75 分、自控五题占 75 分,共十个大题。数电覆盖选择题、门电路与触发器波形、自启动同步五进制可逆计数器设计、74LS138 实现逻辑函数、555 与 74LS161 及数据选择器综合电路;自控覆盖二阶系统稳态误差与正弦稳态输出、参数根轨迹、非最小相位系统奈氏判据、开环对数频率特性与串联校正、状态能控能观与极点配置。

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一数电一、选择(十小题)10 分#

思路
  • 十道小题各自独立,覆盖触发器分类与特性、移位寄存器、存储器地址线、CMOS 与 TTL 抗扰、施密特触发器、TTL 门电压、比较器、逻辑函数表达式与倒 T 型 D/A,逐题按定义判断。
触发器与波形分析 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由触发方式与输入端约束判断触发器特性
本卷实例
  • 关键一步:按各触发器触发方式与输入端约束逐项判断
  • 中间结果:主从与边沿触发的翻转时刻不同
  • 卡点:JK 输入不再有约束指的是无不定状态,不是抗扰更好
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 触发器具有记忆功能,输出不仅与输入有关还与当前状态有关
  • JK 触发器在 J 与 K 同时为一时翻转,同时为零时保持
  • 边沿触发器的状态只在时钟有效边沿改变,画波形要盯住边沿
  • 不同触发器的特性方程可以互相转换
步骤
  • 写出所用触发器的特性方程
  • 按题意列出激励信号在各时钟周期的取值
  • 逐拍代入特性方程求出状态序列
  • 把状态序列画成波形,注意触发边沿与传输延迟
通用考法
  • 本卷考过由触发方式与输入端约束判断触发器特性
  • 由时钟与激励波形画出输出波形
  • 判断触发器构成的电路功能
  • 由特性方程推导状态转移关系
常见易错
  • 本卷考过把电平触发与边沿触发混为一谈
  • 把电平触发与边沿触发混为一谈,波形画错位置
  • 忘记 JK 触发器同时置位时的翻转功能
公式
逻辑代数与卡诺图化简 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由逻辑函数判断给定最小项表达式是否正确
本卷实例
  • 关键一步:把各选项还原为最小项集合再与卡诺图核对
  • 中间结果:同一逻辑函数可有多个等价表达式
  • 卡点:含约束项的函数要与约束条件一起判断
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 逻辑函数化简可用公式法也可用卡诺图法,卡诺图更适合带约束项的情形
  • 约束项在卡诺图中记为叉,能圈就圈进圈里以取得更大的圈
  • 圈越大项越少,每圈包含的方格数为二的整数次幂
  • 无关项与任意项不产生新的圈,只用来帮助扩大已有的圈
步骤
  • 把逻辑函数按最小项填入卡诺图,约束条件对应的格填成叉
  • 按二、四、八格成圈,圈内至少含一个未被圈过的一,圈可以重叠
  • 每圈消去取值发生变化的变量,只保留取值不变的变量
  • 把所有圈对应的乘积项或起来得到最简与或式
通用考法
  • 本卷考过由逻辑函数判断给定最小项表达式是否正确
  • 用卡诺图求最简与或表达式
  • 含约束条件的逻辑函数化简
  • 由最简式反推需要几个门电路
常见易错
  • 本卷考过把约束项漏掉或重复计数
  • 把约束项当成必须为 1 的项,或漏圈可以用约束项扩大的圈
  • 圈数为二的整数次幂以外的方格数
公式
脉冲波形产生与整形 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 判别波形变换与脉冲产生所用电路
本卷实例
  • 关键一步:按需要矩形波还是需要自激振荡选择器件
  • 中间结果:施密特触发器具有滞回特性,用于波形整形
  • 卡点:正弦波变矩形波属整形而非振荡
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 555 定时器可用作多谐振荡器、单稳态触发器与施密特触发器
  • 多谐振荡器的输出周期由两个外接电阻与电容决定
  • 单稳态触发器的输出脉宽只与一个外接电阻电容有关
  • 周期矩形波的幅值、周期与占空比是描述它的三个参数
步骤
  • 先判断电路接法是振荡、单稳还是施密特
  • 按接法写出充放电时间常数与相应的时间表达式
  • 代入外部元件参数算出周期或脉宽
  • 由电路结构说明输出波形的功能
通用考法
  • 本卷考过判别波形变换与脉冲产生所用电路
  • 计算输出脉冲的宽度或振荡周期
  • 说明给定接法的电路功能
  • 由要求脉宽反求外接元件参数
常见易错
  • 本卷考过把施密特触发器与多谐振荡器功能混用
  • 振荡周期与单稳脉宽的公式混用
  • 电容充放电回路看错,导致时间常数少算或多算一个电阻
公式
数模与模数转换器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由输入码与参考电压求倒 T 型 D/A 输出
本卷实例
  • 关键一步:先按权值把输入码换算为等效数字量
  • 中间结果:输出模拟电压与输入等效数字量成正比
  • 卡点:倒 T 型网络输出与参考电压极性相反
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 数模转换的分辨率由位数决定,位数越多最小输出电压越小
  • 转换误差有量化误差、失调误差与增益误差之分
  • 模数转换要经过采样、保持、量化与编码四个环节
  • 转换时间与分辨率互相制约,速度与精度需要折衷
步骤
  • 由位数与满量程算出最小输出增量即分辨率
  • 按绝对误差要求校核位数是否足够
  • 写出理想输出与实际输出的偏差表达式,判断属于哪类误差
  • 需要时可加上失调与增益的补偿措施
通用考法
  • 本卷考过由输入码与参考电压求倒 T 型 D/A 输出
  • 由位数与满量程求分辨率与量化误差
  • 由精度要求反推所需位数
  • 说明各类转换误差的来源与补偿办法
常见易错
  • 本卷考过分辨率的分母漏减一或量化误差算错
  • 分辨率的分母写成二的位数次幂而漏减一
  • 把量化误差写成分辨率本身而不是它的二分之一
公式

二数电二、门电路表达式与触发器波形15 分#

思路
  • 第一问由门电路逐级写输出逻辑函数并列真值表;第二问按触发器触发沿与激励在给定时序下逐拍画输出波形;第三问分析三态门工作特点并说明使能端两种取值下的功能。
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由门电路写输出逻辑函数并列真值表
  • 分析三态门工作特点与使能功能
本卷实例
  • 关键一步:逐级写中间节点表达式再合并化简
  • 关键一步:由使能端电平判断门电路处于导通还是高阻
  • 中间结果:两路输出分别为异或与含进位项的组合函数
  • 中间结果:使能有效时数据传到总线,无效时呈高阻
  • 卡点:门电路以图给出,需回原卷核对图
  • 卡点:两个三态门不能同时导通,否则总线冲突
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 组合逻辑的输出只由当前输入决定,不含记忆元件
  • 设计流程是列真值表、写表达式、化简、再映射到给定器件
  • 用译码器或数据选择器实现时,输出写成最小项之和的形式最方便
  • 全加器要考虑低位来的进位,全减器要考虑低位来的借位
步骤
  • 按功能描述列真值表,输入输出个数要与题意一致
  • 写出每个输出的最小项表达式并化简
  • 把表达式改写成给定器件(译码器、数据选择器、与非门)能直接实现的形式
  • 按器件引脚特性追加必要的门电路并把输入端接好
通用考法
  • 本卷考过由门电路写输出逻辑函数并列真值表
  • 本卷考过分析三态门工作特点与使能功能
  • 用译码器或数据选择器加适当门电路设计指定逻辑功能
  • 仅用与非门实现给定逻辑功能
  • 设计一位全加或全减器
常见易错
  • 本卷考过把中间节点表达式当成最终输出
  • 本卷考过把高电平有效与低电平有效的使能条件写反
  • 控制信号取 0 与取 1 对应的加与减搞反
  • 接器件时忘记译码器的输出是低有效
公式
触发器与波形分析 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由激励波形按时钟沿画触发器输出波形
本卷实例
  • 关键一步:按特性方程在每一有效时钟沿求次态再连波形
  • 中间结果:输出只在有效触发沿时刻改变
  • 卡点:画波形要标出时钟有效沿与置复位发生的时刻
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 触发器具有记忆功能,输出不仅与输入有关还与当前状态有关
  • JK 触发器在 J 与 K 同时为一时翻转,同时为零时保持
  • 边沿触发器的状态只在时钟有效边沿改变,画波形要盯住边沿
  • 不同触发器的特性方程可以互相转换
步骤
  • 写出所用触发器的特性方程
  • 按题意列出激励信号在各时钟周期的取值
  • 逐拍代入特性方程求出状态序列
  • 把状态序列画成波形,注意触发边沿与传输延迟
通用考法
  • 本卷考过由激励波形按时钟沿画触发器输出波形
  • 由时钟与激励波形画出输出波形
  • 判断触发器构成的电路功能
  • 由特性方程推导状态转移关系
常见易错
  • 本卷考过忘记异步置复位端的优先顺序
  • 把电平触发与边沿触发混为一谈,波形画错位置
  • 忘记 JK 触发器同时置位时的翻转功能
公式

三数电三、自启动同步五进制可逆计数器设计15 分#

思路
  • 先由给定计数顺序与可逆控制端确定状态转换表,以五个有效状态为核心圈次态卡诺图并求出各触发器激励方程,再检查自启动并把无关状态引导回循环。
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由计数顺序设计同步五进制可逆计数器
  • 检查自启动能力并说明无关状态处理
本卷实例
  • 关键一步:列可逆控制端两种取值下的状态转换表
  • 关键一步:把每个无关状态的次态算出来看是否进入循环
  • 中间结果:次态卡诺图以有效状态为核心,无关状态按自启动要求处理
  • 中间结果:只要所有无关状态都在有限拍内进入主循环即自启动
  • 卡点:设计过程要完整写出,注意可逆端决定加或减
  • 卡点:计数顺序以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 时序逻辑的输出由当前输入与电路当前状态共同决定
  • 计数器有同步与异步、加法与减法、二进制与十进制之分
  • 集成计数器可通过置数或清零端改接成任意模数计数器
  • 状态图、状态表与波形图是描述时序电路的三件套
步骤
  • 由电路连接写出各触发器的驱动方程与时钟方程
  • 代入触发器特性方程得到状态方程
  • 列出状态表或状态图,确定电路的计数规律与模数
  • 需要变形时用置数端或清零端把某个状态反馈接回,得到目标模数
通用考法
  • 本卷考过由计数顺序设计同步五进制可逆计数器
  • 本卷考过检查自启动能力并说明无关状态处理
  • 分析给定电路的计数规律与模数
  • 用集成计数器设计指定模数的计数器
  • 画出加减计数器的输出波形
常见易错
  • 本卷考过异步清零与同步置数的反馈状态取错
  • 本卷考过只列有效状态循环而不检查无关状态
  • 异步清零与同步置数的反馈状态取错
  • 把模数与触发器个数直接等同,忽略反馈接线的作用
公式
触发器与波形分析 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由状态表求 JK 触发器激励方程
本卷实例
  • 关键一步:按现态与次态对照 JK 激励表填卡诺图
  • 中间结果:激励方程由化简各触发器 J、K 输入端得到
  • 卡点:无效状态要检查能否在有限拍内进入主循环
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 触发器具有记忆功能,输出不仅与输入有关还与当前状态有关
  • JK 触发器在 J 与 K 同时为一时翻转,同时为零时保持
  • 边沿触发器的状态只在时钟有效边沿改变,画波形要盯住边沿
  • 不同触发器的特性方程可以互相转换
步骤
  • 写出所用触发器的特性方程
  • 按题意列出激励信号在各时钟周期的取值
  • 逐拍代入特性方程求出状态序列
  • 把状态序列画成波形,注意触发边沿与传输延迟
通用考法
  • 本卷考过由状态表求 JK 触发器激励方程
  • 由时钟与激励波形画出输出波形
  • 判断触发器构成的电路功能
  • 由特性方程推导状态转移关系
常见易错
  • 本卷考过JK 同时为一时忘记翻转功能
  • 把电平触发与边沿触发混为一谈,波形画错位置
  • 忘记 JK 触发器同时置位时的翻转功能
公式

四数电四、74LS138 实现逻辑函数15 分#

思路
  • 先由给定波形列真值表并写输出最小项表达式,再写 74LS138 各输出端对应的最小项方程与使能条件,最后画出加门电路实现的完整电路。
逻辑代数与卡诺图化简 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由工作波形列真值表并写最小项表达式
本卷实例
  • 关键一步:按波形逐行读输入组合与输出电平列真值表
  • 中间结果:输出表达式为输出为一的那些最小项之和
  • 卡点:波形以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 逻辑函数化简可用公式法也可用卡诺图法,卡诺图更适合带约束项的情形
  • 约束项在卡诺图中记为叉,能圈就圈进圈里以取得更大的圈
  • 圈越大项越少,每圈包含的方格数为二的整数次幂
  • 无关项与任意项不产生新的圈,只用来帮助扩大已有的圈
步骤
  • 把逻辑函数按最小项填入卡诺图,约束条件对应的格填成叉
  • 按二、四、八格成圈,圈内至少含一个未被圈过的一,圈可以重叠
  • 每圈消去取值发生变化的变量,只保留取值不变的变量
  • 把所有圈对应的乘积项或起来得到最简与或式
通用考法
  • 本卷考过由工作波形列真值表并写最小项表达式
  • 用卡诺图求最简与或表达式
  • 含约束条件的逻辑函数化简
  • 由最简式反推需要几个门电路
常见易错
  • 本卷考过把波形高电平对应的输入码读错
  • 把约束项当成必须为 1 的项,或漏圈可以用约束项扩大的圈
  • 圈数为二的整数次幂以外的方格数
公式
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 用 74LS138 低有效输出实现逻辑函数
  • 画完整设计电路图并核对器件引脚
本卷实例
  • 关键一步:写译码器各输出端对应最小项再取反相加
  • 关键一步:把译码器输出端与门电路输入按最小项编号连接
  • 中间结果:输出为若干低有效端经与非门汇总
  • 中间结果:电路图应标出使能端与地址端的输入位序
  • 卡点:译码器使能端必须接成有效电平
  • 卡点:地址端 A2A1A0 与输入变量对应关系要写清
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 组合逻辑的输出只由当前输入决定,不含记忆元件
  • 设计流程是列真值表、写表达式、化简、再映射到给定器件
  • 用译码器或数据选择器实现时,输出写成最小项之和的形式最方便
  • 全加器要考虑低位来的进位,全减器要考虑低位来的借位
步骤
  • 按功能描述列真值表,输入输出个数要与题意一致
  • 写出每个输出的最小项表达式并化简
  • 把表达式改写成给定器件(译码器、数据选择器、与非门)能直接实现的形式
  • 按器件引脚特性追加必要的门电路并把输入端接好
通用考法
  • 本卷考过用 74LS138 低有效输出实现逻辑函数
  • 本卷考过画完整设计电路图并核对器件引脚
  • 用译码器或数据选择器加适当门电路设计指定逻辑功能
  • 仅用与非门实现给定逻辑功能
  • 设计一位全加或全减器
常见易错
  • 本卷考过把低有效输出与高有效逻辑混淆
  • 本卷考过门电路输入端数目与最小项个数不符
  • 控制信号取 0 与取 1 对应的加与减搞反
  • 接器件时忘记译码器的输出是低有效
公式

五数电五、555 与 74LS161 及数据选择器综合电路20 分#

思路
  • 整机由 555 振荡器、74LS161 计数器与 74HC153 数据选择器组成,逐问识别各片功能、判计数器模数并画状态图、写选择器输出表达式,最后分别在不考虑与考虑缓冲级影响时写输出电压关系与波形。
脉冲波形产生与整形 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 识别 555 电路功能并计算时钟周期
本卷实例
  • 关键一步:按 555 外围充放电回路写振荡周期
  • 中间结果:周期由外接电阻电容决定,与阈值电压有关
  • 卡点:电路以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 555 定时器可用作多谐振荡器、单稳态触发器与施密特触发器
  • 多谐振荡器的输出周期由两个外接电阻与电容决定
  • 单稳态触发器的输出脉宽只与一个外接电阻电容有关
  • 周期矩形波的幅值、周期与占空比是描述它的三个参数
步骤
  • 先判断电路接法是振荡、单稳还是施密特
  • 按接法写出充放电时间常数与相应的时间表达式
  • 代入外部元件参数算出周期或脉宽
  • 由电路结构说明输出波形的功能
通用考法
  • 本卷考过识别 555 电路功能并计算时钟周期
  • 计算输出脉冲的宽度或振荡周期
  • 说明给定接法的电路功能
  • 由要求脉宽反求外接元件参数
常见易错
  • 本卷考过把振荡周期与单稳脉宽公式混用
  • 振荡周期与单稳脉宽的公式混用
  • 电容充放电回路看错,导致时间常数少算或多算一个电阻
公式
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 说明计数器功能并画状态转换图
本卷实例
  • 关键一步:由反馈接法找出计数循环并写状态转换图
  • 中间结果:模数等于反馈状态对应的十进制值
  • 卡点:状态图要覆盖所有实际出现过的状态
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 时序逻辑的输出由当前输入与电路当前状态共同决定
  • 计数器有同步与异步、加法与减法、二进制与十进制之分
  • 集成计数器可通过置数或清零端改接成任意模数计数器
  • 状态图、状态表与波形图是描述时序电路的三件套
步骤
  • 由电路连接写出各触发器的驱动方程与时钟方程
  • 代入触发器特性方程得到状态方程
  • 列出状态表或状态图,确定电路的计数规律与模数
  • 需要变形时用置数端或清零端把某个状态反馈接回,得到目标模数
通用考法
  • 本卷考过说明计数器功能并画状态转换图
  • 分析给定电路的计数规律与模数
  • 用集成计数器设计指定模数的计数器
  • 画出加减计数器的输出波形
常见易错
  • 本卷考过把模数与触发器个数直接等同
  • 异步清零与同步置数的反馈状态取错
  • 把模数与触发器个数直接等同,忽略反馈接线的作用
公式
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 说明数据选择器实现的功能并写输出表达式
本卷实例
  • 关键一步:按地址端取值选通对应数据端再写输出
  • 中间结果:输出为各数据端与地址最小项的乘积之和
  • 卡点:选择器输出表达式需与波形给出的数据端取值一致
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 组合逻辑的输出只由当前输入决定,不含记忆元件
  • 设计流程是列真值表、写表达式、化简、再映射到给定器件
  • 用译码器或数据选择器实现时,输出写成最小项之和的形式最方便
  • 全加器要考虑低位来的进位,全减器要考虑低位来的借位
步骤
  • 按功能描述列真值表,输入输出个数要与题意一致
  • 写出每个输出的最小项表达式并化简
  • 把表达式改写成给定器件(译码器、数据选择器、与非门)能直接实现的形式
  • 按器件引脚特性追加必要的门电路并把输入端接好
通用考法
  • 本卷考过说明数据选择器实现的功能并写输出表达式
  • 用译码器或数据选择器加适当门电路设计指定逻辑功能
  • 仅用与非门实现给定逻辑功能
  • 设计一位全加或全减器
常见易错
  • 本卷考过地址端高低位与通道对应写反
  • 控制信号取 0 与取 1 对应的加与减搞反
  • 接器件时忘记译码器的输出是低有效
公式
数模与模数转换器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 写输出电压与计数器状态及选择器输出的关系
本卷实例
  • 关键一步:把选择器输出与计数器高位按权电阻叠加写表达式
  • 中间结果:输出电压与计数状态成线性加权关系
  • 卡点:考虑缓冲级后波形会叠加其输出项
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 数模转换的分辨率由位数决定,位数越多最小输出电压越小
  • 转换误差有量化误差、失调误差与增益误差之分
  • 模数转换要经过采样、保持、量化与编码四个环节
  • 转换时间与分辨率互相制约,速度与精度需要折衷
步骤
  • 由位数与满量程算出最小输出增量即分辨率
  • 按绝对误差要求校核位数是否足够
  • 写出理想输出与实际输出的偏差表达式,判断属于哪类误差
  • 需要时可加上失调与增益的补偿措施
通用考法
  • 本卷考过写输出电压与计数器状态及选择器输出的关系
  • 由位数与满量程求分辨率与量化误差
  • 由精度要求反推所需位数
  • 说明各类转换误差的来源与补偿办法
常见易错
  • 本卷考过漏掉缓冲级对输出的附加影响
  • 分辨率的分母写成二的位数次幂而漏减一
  • 把量化误差写成分辨率本身而不是它的二分之一
公式

六控制六、二阶系统稳态误差与正弦稳态输出15 分#

思路
  • 先由结构图写闭环传递函数,按单位斜坡稳态误差与给定自然频率定出两个参数;再求阻尼比、说明阶跃响应形式并算调节时间;最后用频率特性物理意义求正弦输入下的稳态输出。
本卷考法
  • 由单位斜坡稳态误差反求开环增益
本卷实例
  • 关键一步:先由误差传递函数在原点附近的行为写稳态误差
  • 中间结果:斜坡误差与开环增益的关系由系统型别决定
  • 卡点:求误差前要先确认闭环系统稳定
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反求开环增益
  • 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
  • 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
  • 由特征式系数求阻尼比并判断响应形式
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征式整理成标准二阶形式再读系数
  • 中间结果:阻尼比小于一时阶跃响应为衰减振荡
  • 卡点:自然频率与增益的关系要回代到特征式核对
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
  • 本卷考过由特征式系数求阻尼比并判断响应形式
  • 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
  • 本卷考过把一次项系数直接当成阻尼比
  • 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
  • 计算调节时间并说明误差带
本卷实例
  • 关键一步:按阻尼比与自然频率代入调节时间公式
  • 中间结果:调节时间反比于阻尼比与自然频率的乘积
  • 卡点:题目取 5% 误差带,勿用 2% 的系数
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
  • 本卷考过计算调节时间并说明误差带
  • 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
  • 本卷考过两种误差带的调节时间系数混用
  • 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
  • 由频率特性求正弦输入下的稳态输出
本卷实例
  • 关键一步:把给定正弦频率代入闭环频率特性取模与相角
  • 中间结果:稳态输出幅值为输入幅值乘幅频值,相角为相频值
  • 卡点:系统稳定是套用频率特性物理意义的前提
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
  • 本卷考过由频率特性求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
  • 本卷考过只算幅值不算法相移
  • 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

七控制七、参数根轨迹15 分#

思路
  • 开环无零点、三个实极点,先按法则确定实轴段与渐近线,再求分离点坐标,最后由劳斯判据求根轨迹与虚轴交点及使闭环稳定的参数范围。
本卷考法
  • 按法则绘制三个实极点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先标零极点再判实轴段与渐近线方向
  • 中间结果:三条渐近线与正实轴方向夹角按公式给出
  • 卡点:无零点时渐近线交点由极点平均值确定
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
  • 本卷考过按法则绘制三个实极点的根轨迹
  • 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
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹分离点坐标
本卷实例
  • 关键一步:由各极点倒数之和为零列出分离点方程
  • 中间结果:分离点方程由重根条件整理成二次式
  • 卡点:求得的根要回到实轴段判据中筛选
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
  • 本卷考过求根轨迹分离点坐标
  • 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
  • 本卷考过求出两根后不筛选就全部保留
  • 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
  • 求根轨迹与虚轴交点及稳定参数范围
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω 代入特征式联立实部虚部
  • 中间结果:临界增益处出现一对纯虚根,可由劳斯表辅助方程验证
  • 卡点:稳定范围由临界参数夹出,开环增益取正值
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交点及稳定参数范围
  • 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
  • 本卷考过只代一个频率就下结论
  • 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

八控制八、非最小相位系统奈氏判据10 分#

思路
  • 开环含右半平面极点与右半平面零点,先写幅相表达式并分析起点终点与负实轴交点,再数开环右极点并由包围情况写稳定条件。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由幅相曲线用奈氏判据判稳
本卷实例
  • 关键一步:先写幅相表达式再画曲线并数开环右极点
  • 中间结果:稳定条件由右极点数与包围次数关系给出
  • 卡点:含积分环节需补画无穷大半径圆弧
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
  • 本卷考过由幅相曲线用奈氏判据判稳
  • 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
  • 本卷考过没有先数开环右半平面极点数
  • 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
  • 写开环幅相表达式并求与负实轴交点
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω 后分离实部虚部再令虚部为零
  • 中间结果:负实轴交点坐标由令虚部为零的频率代入实部得到
  • 卡点:起点相位由积分环节与一阶环节共同决定
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
  • 本卷考过写开环幅相表达式并求与负实轴交点
  • 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
  • 本卷考过求幅值时漏掉分母复数的模
  • 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

九控制九、开环对数频率特性与串联校正20 分#

思路
  • 第一问画未校正系统开环对数幅频渐近线与相频曲线并求截止频率;第二问由校正后开环对数幅频渐近线反写校正装置传递函数,再画其对数幅频并判断校正类型。
本卷考法
  • 画开环对数幅频渐近线并求截止频率
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函写各段斜率与转折频率
  • 中间结果:幅频穿越零分贝处的频率为截止频率
  • 卡点:低频段延长线过增益对应的分贝高度
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
  • 本卷考过画开环对数幅频渐近线并求截止频率
  • 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
  • 本卷考过低频段高度未按型别折算
  • 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
超前校正 系统校正
本卷考法
  • 由校正后幅频特性反写校正装置传递函数
  • 判断校正类型并画校正装置对数幅频
本卷实例
  • 关键一步:由校正后幅频渐近线写校正后开环传函再除以原开环
  • 关键一步:按校正装置零点在极点左侧判断为超前校正
  • 中间结果:校正装置为含比例环节的超前网络
  • 中间结果:超前校正抬高截止频率附近的幅频
  • 卡点:校正装置零点与极点转折频率要与图一致
  • 卡点:校正后相位在中频段被抬升
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
  • 本卷考过由校正后幅频特性反写校正装置传递函数
  • 本卷考过判断校正类型并画校正装置对数幅频
  • 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
  • 本卷考过把校正前后开环传函相除时约分出错
  • 本卷考过把超前与滞后网络的转折频率顺序写反
  • 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

十控制十、能控能观、极点配置与状态响应15 分#

思路
  • 先由可控性与可观性矩阵判能控能观,再设状态反馈增益阵比较特征多项式配置指定极点,最后在零参考输入下按状态转移矩阵求初值响应解析解。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判断二阶系统的可控性与可观性
本卷实例
  • 关键一步:分别构造可控性矩阵与可观测性矩阵再求秩
  • 中间结果:秩等于状态维数时系统完全能控且能观
  • 卡点:求秩前先确认矩阵构造顺序没有写错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过判断二阶系统的可控性与可观性
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 本卷考过把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈把闭环极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:设反馈增益为行向量并写闭环特征式
  • 中间结果:闭环特征式与期望特征式逐项比较系数
  • 卡点:反馈前的能控性验证是极点可任意配置的前提
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态反馈 u=-Kx+v 可任意配置闭环极点,前提是系统完全能控
  • 状态反馈不改变系统的零点
  • 极点配置通过比较期望与实际的闭环特征多项式求解 K
  • 状态反馈可能改变能观性
步骤
  • 先验证系统能控
  • 写出希望配置的极点并求期望特征多项式
  • 求闭环系统特征多项式 det(sI-A+BK)
  • 比较系数解出反馈增益阵 K
通用考法
  • 本卷考过设计状态反馈把闭环极点配置到指定位置
  • 设计状态反馈使闭环极点位于指定位置
  • 判断给定极点是否可通过状态反馈配置
  • 分析状态反馈对系统性能的影响
常见易错
  • 本卷考过未验证能控性就直接比较特征多项式
  • 未验证能控性就直接做极点配置
  • 特征多项式比较系数时符号写反
公式
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 求零输入下状态方程的解析解
本卷实例
  • 关键一步:先求状态转移矩阵再左乘初始状态向量
  • 中间结果:零参考输入时状态解为转移矩阵乘初值
  • 卡点:矩阵求逆要求行列式不为零,注意约分
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过求零输入下状态方程的解析解
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 本卷考过把零输入响应与零状态响应混算
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式