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北京航空航天大学 833 自控+数电 2016 年真题思维导图

985 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等偏上 833 为自动控制原理与数字电子技术合卷,自控六题占 90 分、数电四题占 60 分,共十个大题。自控覆盖结构图与测速反馈、最简补偿器、零度根轨迹、对数稳定判据、非线性相平面、不可控系统极点配置、两实现等价性证明;数电覆盖奇校验、卡诺图化简、传输门逻辑、74LS138 优先级指示、比较器与计数器时序电路、0 至 99 循环计数显示。

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1一、测速反馈与最简补偿器设计15 分#

思路
  • 先用梅森公式由结构图求闭环传递函数并化为标准二阶,按阻尼比定测速反馈系数并写动态性能公式;再按单位斜坡无稳态误差的要求反求最简补偿器。
本卷考法
  • 由多回路结构图用梅森公式求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:先数独立回路与前向通路,再看余子式是否接触
  • 中间结果:闭环分母为 1 减各回路增益之和
  • 卡点:两条回路的公共节点决定是否互相接触
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用梅森公式求闭环传递函数
  • 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
  • 本卷考过数回路或前向通路时把接触关系找错
  • 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
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
  • 由闭环传函比较系数定阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把闭环特征式整理成首一的标准二阶形式
  • 中间结果:一次项系数对应 2ξωn、常数项对应 ωn²
  • 卡点:先由阻尼比要求解出测速反馈系数再读自然频率
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
  • 本卷考过由闭环传函比较系数定阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过未把 s² 项系数归一化就套标准式
  • 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
  • 写峰值时间、超调量与调节时间的计算公式
本卷实例
  • 关键一步:把求得的阻尼比与自然频率代入欠阻尼指标公式
  • 中间结果:峰值时间与阻尼振荡频率成反比
  • 卡点:本题只要求写出计算公式,不必代入数值
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
  • 本卷考过写峰值时间、超调量与调节时间的计算公式
  • 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
  • 设计补偿器使单位斜坡输入下稳态误差为零
本卷实例
  • 关键一步:由误差传递函数在原点附近的行为反求补偿器
  • 中间结果:补偿器需在原点引入一个积分环节
  • 卡点:最简补偿器的阶次要与开环结构相匹配
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
  • 本卷考过设计补偿器使单位斜坡输入下稳态误差为零
  • 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
  • 本卷考过只提高增益而未改变系统型别
  • 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

2二、零度根轨迹与振荡收敛范围15 分#

思路
  • 开环含负号因子,先化为零度根轨迹形式,再按法则绘制并求分离点与虚轴交点,最后取使阶跃响应振荡收敛的增益范围。
本卷考法
  • 含右半平面零点时按零度根轨迹绘制
本卷实例
  • 关键一步:把开环传函整理后确认使用 0 度相角条件
  • 中间结果:实轴段判据由零点极点个数之和的奇偶确定
  • 卡点:分子中的 1-s 提出负号后系统按零度根轨迹处理
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 可变参数不是开环增益时称为参数根轨迹
  • 方法是用等效开环传递函数把参数提到标准位置
  • 正反馈系统或零度根轨迹的相角条件是 0°+360°l
步骤
  • 把特征方程整理成 1+αG*(s)=0 的形式
  • 把 α 以外部分视为等效开环传递函数
  • 按常规根轨迹法则绘制
  • 注意相角条件是否变成 0°
通用考法
  • 本卷考过含右半平面零点时按零度根轨迹绘制
  • 以时间常数或其他参数为变量绘制根轨迹
  • 绘制正反馈系统的零度根轨迹
  • 比较零度与 180 度根轨迹的差别
常见易错
  • 本卷考过仍沿用 180 度相角条件
  • 整理时没有把参数完整地提到分子位置
  • 零度根轨迹仍沿用 180° 相角条件
公式
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω 代入闭环特征式分别令实部虚部为零
  • 中间结果:交点频率与临界增益由实部虚部方程组同时确定
  • 卡点:虚轴交点给出振荡与发散的临界增益
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
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及临界增益
  • 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
本卷考法
  • 由根轨迹确定阶跃响应振荡收敛的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:在根轨迹上找虚轴以左且不在实轴上的复数段
  • 中间结果:振荡收敛对应于闭环共轭复极点位于左半平面
  • 卡点:分离点处增益与虚轴交点处增益共同界定范围
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
  • 本卷考过由根轨迹确定阶跃响应振荡收敛的增益范围
  • 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
  • 本卷考过把等阻尼线画成垂直线
  • 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

3三、对数频率特性与对数稳定判据15 分#

思路
  • 先写开环对数幅频与相频表达式并画渐近线,再用对数稳定判据按截止频率与相位穿越关系分析使闭环稳定的增益范围。
本卷考法
  • 画开环对数幅频渐近特性与相频曲线
本卷实例
  • 关键一步:由开环零极点写出各段斜率与转折频率
  • 中间结果:对数幅频在转折频率处按 -20 分贝每十倍频累加
  • 卡点:非最小相位环节的相频要从 -90 度继续下降
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特性与相频曲线
  • 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乘型别对应的分贝数
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用对数频率稳定判据确定稳定增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数,再看幅频大于零频段内相频穿越次数
  • 中间结果:稳定条件由右极点、正负穿越次数与闭环右极点数的关系给出
  • 卡点:含一个右半平面开环极点时判据形式与最小相位系统不同
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
  • 本卷考过用对数频率稳定判据确定稳定增益范围
  • 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
  • 本卷考过数穿越次数时正负号取反
  • 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
  • 由传递函数写幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:把 s 换成 jω 后分别取模与取相角
  • 中间结果:相频由各环节相角代数和给出
  • 卡点:分子含 1-s,其相角随频率单调下降
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
  • 本卷考过由传递函数写幅频与相频表达式
  • 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
  • 本卷考过把非最小相位零点当成普通零点处理
  • 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

4四、非线性系统相轨迹绘制15 分#

思路
  • 按继电特性把相平面分为三个区域,各区域写出误差微分方程并求相轨迹表达式,再从给定初值出发分段画到开关线并说明终态。
相平面法 非线性系统
本卷考法
  • 分区写相轨迹微分方程并画概略相轨迹
本卷实例
  • 关键一步:按非线性环节输出把相平面分成三个区域分别积分
  • 中间结果:各区相轨迹分别为水平线、对数曲线与斜线
  • 卡点:从给定初值出发需逐段判断与开关线的交点
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 相平面以误差及其导数为坐标,适用于一、二阶非线性系统
  • 相轨迹的斜率由系统微分方程直接给出
  • 奇点对应系统的平衡状态,奇点类型决定局部行为
  • 极限环对应相平面上的孤立闭曲线
步骤
  • 写出以误差及其导数表示的二阶微分方程
  • 由等倾线法或解析法求相轨迹斜率
  • 画出各区域相轨迹并判断奇点类型
  • 由是否存在闭曲线判断极限环与自振
通用考法
  • 本卷考过分区写相轨迹微分方程并画概略相轨迹
  • 画出给定初始条件下的相轨迹
  • 判断奇点类型与稳定性
  • 分析极限环的存在与形态
常见易错
  • 本卷考过相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 相轨迹斜率公式中分子分母写反
  • 把相轨迹与根轨迹混淆
公式
本卷考法
  • 由继电特性写系统分段微分方程
本卷实例
  • 关键一步:按误差绝对值大于或小于阈值分别写二阶微分方程
  • 中间结果:开关线把相平面分成误差正大、中间、负大三个区
  • 卡点:分段方程要在开关线处衔接,初值所在区域决定首段
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过由继电特性写系统分段微分方程
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 本卷考过把继电特性的三个取值与区域对应写反
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式
非线性系统的特点 非线性系统
本卷考法
  • 说明非线性系统相轨迹与线性系统的差别
本卷实例
  • 关键一步:从分段线性与开关线角度说明运动形式
  • 中间结果:相轨迹可分段解析但整体仍呈非线性特征
  • 卡点:开关线位置由题给阈值确定,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 不满足叠加原理,输出与初始条件、输入幅值都有关
  • 可能出现自持振荡即极限环
  • 响应可能对初始条件敏感,出现跳跃谐振
  • 线性系统的稳定性概念需要推广为局部稳定性
步骤
  • 确认系统含明显非线性环节
  • 判断该非线性是本质非线性还是可线性化的弱非线性
  • 按非线性分析方法选择描述函数法或相平面法
通用考法
  • 本卷考过说明非线性系统相轨迹与线性系统的差别
  • 说明非线性系统与线性系统的本质差别
  • 指出同步振荡、跳跃谐振等特有现象
  • 判断某系统应选用哪种分析方法
常见易错
  • 本卷考过线性化后直接沿用全部线性结论
  • 把非线性环节线性化后直接沿用线性理论的全部结论
  • 认为非线性系统一定不稳定

5五、不可控系统可控分解与状态反馈15 分#

思路
  • 先求可控性矩阵判定系统不可控,再作可控性分解找出不可控模态,据此判断哪些极点可配置,最后只对可控子系统设计状态反馈。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 判定能控性并作可控性结构分解
本卷实例
  • 关键一步:先由可控性矩阵秩判定是否完全可控
  • 中间结果:不可控模态对应分解后孤立的特征值
  • 卡点:秩小于状态维数时不能任意配置全部极点
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
  • 本卷考过判定能控性并作可控性结构分解
  • 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
  • 本卷考过算到中间幂就下结论
  • 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
  • 对可控子系统设计状态反馈配置极点
本卷实例
  • 关键一步:只对可控子系统列特征式并与期望特征式比较
  • 中间结果:反馈增益由可控子系统的特征式系数差确定
  • 卡点:不可控的那一个特征值无法通过状态反馈改变
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
  • 本卷考过对可控子系统设计状态反馈配置极点
  • 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
本卷考法
  • 由分解后的实现求闭环传递函数
本卷实例
  • 关键一步:对分解后的可控子系统写传递函数
  • 中间结果:不可控模态在传递函数中被对消
  • 卡点:传递函数阶数低于原状态维数属正常现象
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由状态空间求传递函数为 C(sI-A)^{-1}B+D
  • 传递函数只反映能控能观子系统,含零极点对消
  • 系统的特征值等于传递函数的极点
  • 同一传递函数对应的状态空间实现不唯一
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 按公式求 G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D
  • 与已知传递函数比对,判断是否发生零极点对消
通用考法
  • 本卷考过由分解后的实现求闭环传递函数
  • 由状态空间表达式求传递函数
  • 判断状态空间实现是否存在零极点对消
  • 比较不同实现对应的传递函数是否相同
常见易错
  • 本卷考过漏掉直接传递项或零极点对消
  • 漏掉直接传递项 D
  • 把特征值个数与传递函数极点数直接等同而不检查对消
公式

6六、两个实现等价性证明15 分#

思路
  • 由两实现均可控可观推出它们都是最小实现,从而阶数相同;再把传递函数展成脉冲响应级数比较各阶系数,并代入可控与可观矩阵验证乘积相等。
本卷考法
  • 由传递函数相等推出两实现等价条件
本卷实例
  • 关键一步:对两实现分别作 1/s 幂级数展开并逐阶比较
  • 中间结果:各阶脉冲响应矩相等是传递函数相等的充要条件
  • 卡点:若实现非最小则会因零极点对消使阶数判断出错
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由状态空间求传递函数为 C(sI-A)^{-1}B+D
  • 传递函数只反映能控能观子系统,含零极点对消
  • 系统的特征值等于传递函数的极点
  • 同一传递函数对应的状态空间实现不唯一
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 按公式求 G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D
  • 与已知传递函数比对,判断是否发生零极点对消
通用考法
  • 本卷考过由传递函数相等推出两实现等价条件
  • 由状态空间表达式求传递函数
  • 判断状态空间实现是否存在零极点对消
  • 比较不同实现对应的传递函数是否相同
常见易错
  • 本卷考过把传递函数相等直接当作阶数相等
  • 漏掉直接传递项 D
  • 把特征值个数与传递函数极点数直接等同而不检查对消
公式
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性与能观性证明两实现同阶
本卷实例
  • 关键一步:由可控可观推出两实现均为最小实现
  • 中间结果:最小实现的阶数等于传递函数分母最高次
  • 卡点:证明阶数相等必须先排除零极点对消
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
  • 本卷考过由能控性与能观性证明两实现同阶
  • 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
  • 本卷考过只由传递函数相同就断言阶数相同
  • 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
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 写可控性与可观性矩阵并比较两实现
本卷实例
  • 关键一步:按定义分别列可控性矩阵与可观测性矩阵
  • 中间结果:两实现的可控可观矩阵乘积逐元素相等
  • 卡点:矩阵维数不同不能直接相减,要比对应元素
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过写可控性与可观性矩阵并比较两实现
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 本卷考过可控阵与可观阵的构造方式混用
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式

7七、奇校验、卡诺图化简与传输门逻辑15 分#

思路
  • 第一问按奇数个一为真的规则列真值表并写表达式;第二问把最小项与约束项填入卡诺图圈出最简式再转成与非与非形式;第三问分析传输门导通条件写输出。
逻辑代数与卡诺图化简 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由奇校验规则列真值表并写逻辑表达式
  • 含约束项的卡诺图化简并转成与非与非形式
本卷实例
  • 关键一步:按三变量取值逐个判断含一个或三个一的组合
  • 关键一步:先填最小项与约束项再按最大圈合并
  • 中间结果:表达式为三变量异或或其反
  • 中间结果:最简与或式两次取反后化为与非与非形式
  • 卡点:列真值表时输出为一的行数要与三变量组合总数核对
  • 卡点:约束项在圈组时可当一使用,但不必单独成圈
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
  • 本卷考过由奇校验规则列真值表并写逻辑表达式
  • 本卷考过含约束项的卡诺图化简并转成与非与非形式
  • 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
  • 本卷考过把奇数个一写成偶数个一
  • 本卷考过漏圈可用约束项扩大的圈
  • 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
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 分析传输门电路写出输出逻辑函数
本卷实例
  • 关键一步:由控制信号判断两个传输门哪个导通
  • 中间结果:输出在输入信号与其反相信号之间选择
  • 卡点:传输门电路以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过分析传输门电路写出输出逻辑函数
  • 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
  • 本卷考过忽略传输门控制端的有效电平
  • 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

8八、74LS138 实现列车进站优先指示15 分#

思路
  • 把三路请求信号按优先级列真值表,写出三盏灯各自的逻辑函数并化为最小项,再用 74LS138 低有效输出加门电路实现。
逻辑代数与卡诺图化简 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 按优先级列真值表并写各灯逻辑函数
  • 说明组合逻辑设计的功能与器件选型依据
本卷实例
  • 关键一步:按特快、直快、慢车的优先顺序列出八种输入组合
  • 关键一步:用真值表说明优先级屏蔽关系再映射到译码器
  • 中间结果:三盏灯分别为第四至七、第二第三、第一个最小项
  • 中间结果:优先关系由真值表输出为零的行体现
  • 卡点:高优先级请求会屏蔽低优先级输出
  • 卡点:附加门电路输入数目要与最小项个数一致
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
  • 本卷考过按优先级列真值表并写各灯逻辑函数
  • 本卷考过说明组合逻辑设计的功能与器件选型依据
  • 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
  • 本卷考过把优先级顺序与最小项编号对应写反
  • 本卷考过只写表达式不说明优先级实现方式
  • 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 加门电路实现三路输出
本卷实例
  • 关键一步:把每盏灯的函数化为最小项反相之和再接与非门
  • 中间结果:三路输出分别用与非门汇总对应的低有效输出
  • 卡点:译码器使能端接法要与有效电平匹配
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 加门电路实现三路输出
  • 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
  • 本卷考过把低有效译码输出直接当高有效使用
  • 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

9九、74LS161 与数值比较器时序电路分析15 分#

思路
  • 先由计数器输出与比较器反馈关系确定置零状态与计数模数,再分析比较器在给定接法下的输出,说明整个时序电路的功能。
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由反馈接法判断计数器计数模数
  • 说明整个时序电路的计数规律
本卷实例
  • 关键一步:找出使置零或置数端有效的计数状态
  • 关键一步:把计数器与比较器合起来列状态转换关系
  • 中间结果:模数等于该反馈状态对应的十进制值
  • 中间结果:计数在达到反馈状态后回到初始状态
  • 卡点:反馈状态由输出端接法决定,需回原卷核对图
  • 卡点:分析时先静态判断反馈条件再讲循环
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
  • 本卷考过由反馈接法判断计数器计数模数
  • 本卷考过说明整个时序电路的计数规律
  • 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
  • 本卷考过把同步置零与异步清零的反馈状态取法混用
  • 本卷考过把比较器输出当成时钟信号
  • 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
  • 分析数值比较器的输出与反馈作用
本卷实例
  • 关键一步:按计数器输出与比较阈值的大小关系判断输出端
  • 中间结果:某一输出端有效时经门电路使计数器归零
  • 卡点:比较器输出有效电平要与计数器控制端匹配
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
  • 本卷考过分析数值比较器的输出与反馈作用
  • 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
  • 本卷考过把比较器三个输出端的功能搞混
  • 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

10十、0 至 99 循环计数与数码管显示15 分#

思路
  • 用两片 74LS160 级联成百进制计数器,个位与十位分别经 74LS47 译码驱动共阳极数码管,并设计十位为零时熄灭的控制逻辑。
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 用两片 74LS160 级联实现 0 至 99 计数
  • 设计十位为零时的灭零控制逻辑
本卷实例
  • 关键一步:个位满十进位给十位,十位计到九后整体归零
  • 关键一步:用十位计数器输出全零作为灭零条件
  • 中间结果:两片计数器分别承担个位与十位
  • 中间结果:灭零信号接到数码管的熄灭控制端
  • 卡点:级联时进位输出接下一片时钟使能或时钟端
  • 卡点:灭零只关显示不改变计数状态
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
  • 本卷考过用两片 74LS160 级联实现 0 至 99 计数
  • 本卷考过设计十位为零时的灭零控制逻辑
  • 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
  • 本卷考过进位连接方式与计数范围不匹配
  • 本卷考过灭零条件写成十位为九
  • 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
  • 用 74LS47 与共阳极数码管实现译码显示
本卷实例
  • 关键一步:由计数器输出接 74LS47 译码后驱动数码管
  • 中间结果:七段译码器输出低有效,配共阳极数码管
  • 卡点:十位为零时需要熄灭控制灭零端
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 74LS47 与共阳极数码管实现译码显示
  • 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
  • 本卷考过把共阳极段码的有效电平写反
  • 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