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北京航空航天大学 873 自动控制原理 2018 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,两段各 75 分、共十个大题。数电五题考含约束项卡诺图、施密特触发器波形、ROM 写逻辑式、JK 触发器画 Q 波形、D 触发器自动售货机、与非门全减器、74LS161/138/283 彩灯控制;自控五题考结构图求传函、根轨迹与衰减振荡范围、对数频率稳定判据、由对数幅频特性反求传函与稳定裕度、可观测标准型与状态反馈极点配置。

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一数电一、卡诺图化简、施密特触发器与 ROM20 分#

思路
  • 三小问各自独立:先用卡诺图对含约束项函数化简,再判施密特触发器电路功能并画输入输出波形,最后由 ROM 阵列写出输出逻辑表达式。
逻辑代数与卡诺图化简 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 题一1用卡诺图化简含约束条件的四变量逻辑函数
本卷实例
  • 关键一步:把最小项与约束项分别填入四变量卡诺图
  • 中间结果:按最大圈合并乘积项写出最简与或式
  • 卡点:约束条件书写残缺,需回原卷核对
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
  • 本卷考过题一1用卡诺图化简含约束条件的四变量逻辑函数
  • 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
  • 本卷考过把约束条件抄错,或漏圈可借约束扩大的圈
  • 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
  • 题一2由施密特触发器电路写功能并画VI、VO波形
本卷实例
  • 关键一步:由施密特触发器转换电平定输出电压翻转时刻
  • 中间结果:按输入信号幅度与阈值关系连成输出波形
  • 卡点:施密特触发器电路以图给出,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
  • 本卷考过题一2由施密特触发器电路写功能并画VI、VO波形
  • 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
  • 本卷考过上下限阈值方向搞反,或输出电平与门电路参数不对应
  • 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
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 题一3由ROM阵列写出输出函数y1、y2的逻辑表达式
本卷实例
  • 关键一步:按ROM与阵列确定各条字线的乘积项
  • 中间结果:在或阵列把乘积项相或得y1、y2
  • 卡点:ROM阵列接线以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过题一3由ROM阵列写出输出函数y1、y2的逻辑表达式
  • 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
  • 本卷考过把或阵列输出当与项,或漏看三态与使能控制
  • 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

二数电二、JK 触发器输出 Q 波形10 分#

思路
  • 由异步置复位端与 JK 激励波形判定每拍的次态,再在 CLK 有效边沿逐拍推 Q 的次态并连成波形。
触发器与波形分析 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 题二由JK触发器各端波形画输出Q端对应的电压波形
本卷实例
  • 关键一步:先判异步置复位是否有效,无效时再看JK
  • 中间结果:按特性方程逐拍定次态,再连成Q的波形
  • 卡点:触发器电路与输入波形以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过题二由JK触发器各端波形画输出Q端对应的电压波形
  • 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
  • 本卷考过异步置复位优先于时钟,或边沿触发位置画错
  • 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、D 触发器实现自动售货机10 分#

思路
  • 把投币累计金额抽象为状态,先画状态转换图并作等价状态化简,再写 D 端激励方程并画电路。
触发器与波形分析 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 题三用D触发器设计伍元、十元投币的自动售货机时序电路
本卷实例
  • 关键一步:把累计投入金额抽象为各状态并画状态转换图
  • 中间结果:由次态表写各D触发器的激励方程
  • 卡点:投币与找币的边界条件需回原卷核对题意
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
  • 本卷考过题三用D触发器设计伍元、十元投币的自动售货机时序电路
  • 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
  • 本卷考过状态定义漏掉找币分支,或激励方程未覆盖全部状态
  • 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
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 题三画状态转换图并说明投币累计与售货找币逻辑
本卷实例
  • 关键一步:按累计金额列各状态间的转移条件
  • 中间结果:售货与找币在到达相应状态时输出
  • 卡点:题意边界以文字给出,需回原卷核对
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
  • 本卷考过题三画状态转换图并说明投币累计与售货找币逻辑
  • 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
  • 本卷考过等价状态合并错,或输出条件挂错状态
  • 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

四数电四、与非门实现二进制全减器15 分#

思路
  • 先列被减数、减数与低位借位的真值表写出差与借位表达式,再用与非门作两次求反实现。
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 题四用与非门设计一个完整的二进制全减器
本卷实例
  • 关键一步:列全减器真值表写差与借位的与或式
  • 中间结果:对与或式两次取反改成与非门形式
  • 卡点:输入变量命名以题面为准,需回原卷核对
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
  • 本卷考过题四用与非门设计一个完整的二进制全减器
  • 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
  • 本卷考过借位方向取反,或用与非门实现时漏掉两次取反
  • 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

五数电五、74LS161/138/283 彩灯控制电路设计20 分#

思路
  • 把正序与逆序点亮抽象为同一计数值经译码后的两种映射,用 74LS161 计数、74LS138 译码、74LS283 或门电路按 M 切换顺序。
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 题五用74LS161与74LS138实现十一盏彩灯的顺序控制
本卷实例
  • 关键一步:由十一盏灯定计数器所需的循环模与状态
  • 中间结果:用译码器把计数值译成灯位选择信号
  • 卡点:74LS161功能表与接线以图给出,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
  • 本卷考过题五用74LS161与74LS138实现十一盏彩灯的顺序控制
  • 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
  • 本卷考过反馈置数状态取错,或译码输出与灯位对应错
  • 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
  • 题五用74LS283与门电路按M切换彩灯正序与逆序
本卷实例
  • 关键一步:按M写灯位地址与计数器输出的对应关系
  • 中间结果:用加法器与门电路按M选通两种顺序
  • 卡点:芯片管脚与连接以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过题五用74LS283与门电路按M切换彩灯正序与逆序
  • 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M=0与M=1两种映射关系写反
  • 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

六控制六、结构图求闭环传递函数15 分#

思路
  • 由结构图先定各独立回路与前向通路,再用梅森公式写总传函,最后以逐层化简复核。
本卷考法
  • 题六由结构图用梅森公式求C(s)/R(s)
本卷实例
  • 关键一步:先定各独立回路增益与前向通路
  • 中间结果:分子为各前向通路与其余子式乘积之和
  • 卡点:结构图以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过题六由结构图用梅森公式求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,或余子式未剔除接触回路
  • 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
  • 题六按结构图由内向外逐层化简复核总传函
本卷实例
  • 关键一步:先合并各局部内环再逐层向外化简
  • 中间结果:化简结果与梅森公式互为校核
  • 卡点:比较点与引出点位置以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过题六按结构图由内向外逐层化简复核总传函
  • 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输入当成常量处理
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理

七控制七、根轨迹绘制与衰减振荡范围15 分#

思路
  • 先按根轨迹法则画出实轴上零点与两个开环极点的轨迹并求分离点,再由衰减振荡条件确定增益取值范围。
本卷考法
  • 题七1按步骤绘制给定二阶开环的闭环根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:标开环零点与极点并判实轴上的根轨迹段
  • 中间结果:按法则画出复平面上的根轨迹走向
  • 卡点:根轨迹形状需结合分离点确定
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
  • 本卷考过题七1按步骤绘制给定二阶开环的闭环根轨迹
  • 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算错,或渐近线与分离点混淆
  • 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
  • 题七求根轨迹的分离点坐标并定临界增益
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程写增益的显式表达式
  • 中间结果:令其对s的导数为零解分离点
  • 卡点:分离点是否在根轨迹上需回原卷核对
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
  • 本卷考过题七求根轨迹的分离点坐标并定临界增益
  • 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
  • 本卷考过求出的根不筛选,保留了不在根轨迹上的解
  • 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
  • 题七2由衰减振荡条件确定增益的取值范围
本卷实例
  • 关键一步:由闭环极点是否共轭定衰减振荡条件
  • 中间结果:在根轨迹上取分离点之间的增益区间
  • 卡点:区间的开闭与临界值需回原卷核对
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
  • 本卷考过题七2由衰减振荡条件确定增益的取值范围
  • 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
  • 本卷考过把衰减振荡与单调收敛的分界判错
  • 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

八控制八、对数频率稳定判据判稳15 分#

思路
  • 先把开环传函化为标准形式写对数幅频与相频特性,再求穿越频率与相角裕度,最后用对数稳定判据判断闭环稳定性。
本卷考法
  • 题八画开环对数幅频渐近特性并定幅值穿越频率
本卷实例
  • 关键一步:把开环化为标准时间常数形式并定型别
  • 中间结果:按转角频率逐段画对数渐近幅频特性
  • 卡点:转角频率与斜率变化需回原卷核对
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
  • 本卷考过题八画开环对数幅频渐近特性并定幅值穿越频率
  • 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
  • 本卷考过低频段起始高度未乘型别,或逐段改斜率时漏累加
  • 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
  • 题八由对数频率特性求相角裕度并判断稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由渐近幅频特性读出幅值穿越频率
  • 中间结果:代入相频特性求相角裕度并判稳
  • 卡点:时间常数以数值给出,计算后需复核
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
  • 本卷考过题八由对数频率特性求相角裕度并判断稳定性
  • 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
  • 本卷考过幅值穿越频率处相角算错,或裕度正负判反
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 题八用对数频率稳定判据判别系统闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由开环传函定右半平面极点数P
  • 中间结果:按对数稳定判据比较相角裕度与稳定性
  • 卡点:判据所得结论需与劳斯判据互核
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
  • 本卷考过题八用对数频率稳定判据判别系统闭环稳定性
  • 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
  • 本卷考过未先数开环右半平面极点数,或对数判据公式记错
  • 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

九控制九、由对数幅频特性反求传函与稳定裕度15 分#

思路
  • 先由渐近幅频曲线定系统型别与各环节时间常数写出开环传函,再写幅频相频函数,最后求相角裕度并给出提高裕度的措施。
本卷考法
  • 题九1由开环对数幅频渐近特性曲线写出开环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:由低频段斜率定系统型别与开环增益
  • 中间结果:按各转角频率处的斜率变化补环节
  • 卡点:幅频曲线以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过题九1由开环对数幅频渐近特性曲线写出开环传递函数
  • 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未折算型别,或转折频率对应错
  • 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
  • 题九2写出该系统的开环幅频与相频特性函数
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函中的s换成jω得频率特性
  • 中间结果:分别整理幅频函数与相频函数
  • 卡点:各环节相角随频率变化的范围需分象限讨论
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
  • 本卷考过题九2写出该系统的开环幅频与相频特性函数
  • 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
  • 本卷考过幅值表达式漏把分母复数取模,或相角漏环节
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 题九3求系统的相角裕度并叙述提高稳定裕度的措施
本卷实例
  • 关键一步:在幅频特性上求幅值穿越频率
  • 中间结果:代入相频特性求相角裕度
  • 卡点:提高裕度的措施以定性叙述为限
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
  • 本卷考过题九3求系统的相角裕度并叙述提高稳定裕度的措施
  • 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
  • 本卷考过把稳定裕度与增益裕度混用,或措施与结论不对应
  • 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

十控制十、可观测标准型与状态反馈极点配置15 分#

思路
  • 先由传递函数写可观测标准型实现,再按期望极点写特征多项式并解出状态反馈阵。
本卷考法
  • 题十1由给定传递函数写可观测标准型状态空间表达式
本卷实例
  • 关键一步:由传递函数分母分子系数确定各矩阵元素
  • 中间结果:按可观标准型规定写出A、B、C
  • 卡点:标准型形式以教材定义为准,需回原卷核对
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 同一传递函数可对应无穷多个状态空间实现
  • 常用能控标准型、能观标准型与对角标准型
  • 能控标准型的 A 阵为友矩阵形式
  • 最小实现要求系统既能控又能观
步骤
  • 把传递函数化为真分式,分离直接项 D
  • 按标准型规则写出 A、B、C、D
  • 必要时用线性变换换成其他标准型
通用考法
  • 本卷考过题十1由给定传递函数写可观测标准型状态空间表达式
  • 由传递函数写出能控标准型
  • 由传递函数写出能观标准型
  • 判断给定的实现是否为最小实现
常见易错
  • 本卷考过可观标准型的系数排列与能观性矩阵顺序不一致
  • 真分式化分时直接项 D 处理错误
  • 友矩阵中系数符号写反
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 题十2对状态空间表达式设计状态反馈阵配置闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写期望特征多项式
  • 中间结果:与闭环特征式逐项比对解出反馈阵
  • 卡点:反馈增益定义与状态顺序需回原卷核对
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
  • 本卷考过题十2对状态空间表达式设计状态反馈阵配置闭环极点
  • 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
  • 本卷考过反馈阵作用位置写错,或期望特征多项式系数错位
  • 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