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北京航空航天大学 873 自动控制原理 2023 年真题思维导图

985 院校共 10 题合计 150 分

难度:中等偏上 873 合卷,数电与自控各 75 分。数电五题考含约束条件的最简或与式卡诺图化简、555 电路功能与输出波形、TTL 门电压传输与输入负载特性、JK 触发器画波形并说功能、D 触发器设计逻辑电路、74LS138 设计门厅灯控制、74LS160 与 74LS194 综合电路分析;自控五题考由峰值与稳态值反求二阶指标与带宽、含重极点根轨迹与截止频率、非最小相位系统奈氏判据与稳定范围、复合校正与稳态误差、有界输入有界输出稳定与渐近稳定与状态反馈。

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一数电一、或与式化简与 555 与 TTL 电压20 分#

思路
  • 三小问各自独立:第一问把逻辑函数与约束条件填卡诺图化最简或与式;第二问说明 555 内部电路所构成电路的功能,并按输入波形画输出波形;第三问按 TTL 门电压传输特性与输入端负载特性判断两种输入组合下 M 点与输出 Y 的电压。
逻辑代数与卡诺图化简 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 含约束条件的逻辑函数化为最简或与式
本卷实例
  • 关键一步:把约束条件展开为哪些格填叉,再按零格圈最简或与式
  • 中间结果:或与式由若干最大项相与得到,圈的是输出为零的格
  • 卡点:题目要最简或与式而非与或式,圈零还是圈一要看清
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
  • 本卷考过含约束条件的逻辑函数化为最简或与式
  • 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
  • 本卷考过圈出最简与或式后未按德摩根转成或与式
  • 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
脉冲波形产生与整形 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 说明 555 接成电路的功能并按输入画输出波形
本卷实例
  • 关键一步:按两比较器阈值判断输出翻转,再逐步对照输入波形
  • 中间结果:输出波形为整幅脉冲,翻转时刻由两比较器阈值定
  • 卡点:555 内部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
  • 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
  • 本卷考过说明 555 接成电路的功能并按输入画输出波形
  • 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
  • 本卷考过把施密特触发与单稳触发功能混为一谈
  • 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
  • 由 TTL 门电压传输与输入负载特性判断各点电压
本卷实例
  • 关键一步:按输入端电流在电阻上的压降定该端电平,再查传输特性定输出
  • 中间结果:电压表内阻与门输入电阻共同决定 M 点实测电压
  • 卡点:电压传输与负载特性曲线以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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 TTL 门电压传输与输入负载特性判断各点电压
  • 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
  • 本卷考过把悬空端或经电阻接地的端当成固定低电平
  • 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

二数电二、JK 触发器画波形与功能10 分#

思路
  • 由 JK 触发器连接写各激励方程,按特性方程逐拍求次态,再按给定时钟波形画 Q1、Q2 与 Y 的波形,并由状态转移关系说明电路实现的功能。
触发器与波形分析 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 由 JK 触发器电路与时钟波形画输出波形
本卷实例
  • 关键一步:先写各 JK 激励方程,再按特性方程逐拍定次态
  • 中间结果:各级状态在时钟边沿同时更新,输出由状态组合得到
  • 卡点:触发器电路与时钟波形以图给出,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
  • 本卷考过由 JK 触发器电路与时钟波形画输出波形
  • 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
  • 本卷考过把电平触发与边沿触发混用,波形画错位置
  • 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
  • 由状态转移判断电路的计数功能
本卷实例
  • 关键一步:列出四个状态的次态,按转移关系连成状态图
  • 中间结果:四个状态构成闭环,输出随状态循环变化
  • 卡点:电路功能名称要结合状态循环方向判断,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
  • 本卷考过由状态转移判断电路的计数功能
  • 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

三数电三、D 触发器设计逻辑电路10 分#

思路
  • 先按题三图给出的状态转换要求列状态转移表,填卡诺图求各 D 触发器激励方程,再画逻辑图说明所设计的电路功能。
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 按给定状态转换要求设计同步时序电路
本卷实例
  • 关键一步:按题图状态顺序列次态表,未用状态暂作约束项
  • 中间结果:三个状态在时钟节拍下按固定顺序循环
  • 卡点:题三图的转换要求以图给出,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
  • 本卷考过按给定状态转换要求设计同步时序电路
  • 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
  • 本卷考过未用状态的次态没有按约束项处理
  • 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
  • 由次态表求 D 触发器激励方程
本卷实例
  • 关键一步:把次态直接作为 D 端输入,再用卡诺图化简各 D 端
  • 中间结果:各 D 端为现态位的与或组合,含异或或反号项
  • 卡点:激励函数化简后要回代验算每拍次态是否与要求一致
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
  • 本卷考过由次态表求 D 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
  • 本卷考过状态编码改变后未重算激励函数
  • 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 门厅灯控制15 分#

思路
  • 四个位置开关都能独立控制同一盏灯,属四变量异或关系;把其中三位接 74LS138 地址,用低有效输出配门电路得到三变量奇偶函数,再与第四位异或得到灯的亮灭。
组合逻辑电路设计 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 用 74LS138 加门电路实现四个开关控制一盏灯
本卷实例
  • 关键一步:先写四变量异或关系,再把其中三位交给译码器实现
  • 中间结果:译码输出经门电路合成三变量奇偶函数,再与第四位组合
  • 卡点:门电路类型要按输出有效电平选,器件接法以图给出,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
  • 本卷考过用 74LS138 加门电路实现四个开关控制一盏灯
  • 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
  • 本卷考过忘记译码器输出是低有效
  • 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、74LS160 与 74LS194 综合20 分#

思路
  • 四小问:先由反馈清零状态说明 74LS160 构成几进制计数器;再在时钟不变的前提下改接 74LS160 使 74LS194 更新频率加倍;再令 74LS194 初值为零画状态转换图并说明功能;最后改 74LS194 部分实现十进制计数且不改动原计数特性。
时序逻辑与计数器 数字逻辑与数字电路
本卷考法
  • 判断计数器模数并分析移位寄存器状态
本卷实例
  • 关键一步:先由反馈状态定 74LS160 模数,再按移位方向逐拍列 74LS194 状态
  • 中间结果:改接使计数状态数减半,移位寄存器构成循环状态序列
  • 卡点:74LS160 与 74LS194 的连接以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 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
  • 本卷考过判断计数器模数并分析移位寄存器状态
  • 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
  • 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

六控制六、二阶系统指标与带宽15 分#

思路
  • 开环为标准二阶形式。第一问由峰值表达式与稳态值反解阻尼比与自然频率,再用 5% 误差带算超调量与调节时间;第二问按典型二阶带宽公式求带宽频率,并说明带宽与调节时间成反比的关系。
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
  • 由峰值与稳态值反求阻尼比与自然频率
本卷实例
  • 关键一步:把峰值表达式的指数与超调量公式比对,反解阻尼比
  • 中间结果:由峰值时间表达式再解出自然频率,系统为欠阻尼
  • 卡点:指数与阻尼比的关系式中平方根项别漏
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
  • 本卷考过由峰值与稳态值反求阻尼比与自然频率
  • 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
  • 本卷考过化为标准形式时忘记把二次项系数归一化
  • 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
  • 按 5% 误差带求超调量与调节时间
本卷实例
  • 关键一步:先由阻尼比算超调量,再按 5% 误差带选系数算调节时间
  • 中间结果:超调量随阻尼比变化,调节时间与阻尼比和自然频率有关
  • 卡点:题目给 5% 误差带,系数与 2% 误差带不同,别用错
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
  • 本卷考过按 5% 误差带求超调量与调节时间
  • 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
  • 本卷考过超调量公式中漏乘百分号,或误差带系数用错
  • 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
  • 由阻尼比与自然频率求闭环带宽频率
本卷实例
  • 关键一步:按典型二阶带宽公式代入阻尼比与自然频率
  • 中间结果:带宽频率与自然频率成正比、与阻尼比成反比
  • 卡点:带宽与调节时间的关系是趋势性结论,要说明适用前提
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
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率求闭环带宽频率
  • 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
  • 本卷考过阻尼比大于零点七零七时仍套用谐振峰值公式
  • 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

七控制七、根轨迹与重极点与截止频率15 分#

思路
  • 开环有一个零点与三个极点,其中两个为原点重极点。第一问按法则画根轨迹并求渐近线与分离点;第二问找三条分支会合的三重极点位置并由幅值条件求对应增益;第三问把给定增益代入开环传函,用渐近幅频特性求幅值穿越频率。
本卷考法
  • 画含零点与两个原点极点的根轨迹
本卷实例
  • 关键一步:先定实轴段与渐近线,再由分离点方程求分离点
  • 中间结果:根轨迹三条分支起于极点、终于零点与无穷远
  • 卡点:分离点方程解出多个根,要筛选落在根轨迹上的解
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
  • 本卷考过画含零点与两个原点极点的根轨迹
  • 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
  • 求三支根轨迹会合的三重极点及对应增益
本卷实例
  • 关键一步:在三重极点处三条分支交于一点,用重根条件与幅值条件联立
  • 中间结果:其中一个分离点处三条分支会合,对应一个特定增益
  • 卡点:两个分离点中只有一个是三重极点,要按重根阶数辨别
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
  • 本卷考过求三支根轨迹会合的三重极点及对应增益
  • 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
  • 本卷考过会合点未同时满足重根条件
  • 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
稳定裕度 频域分析
本卷考法
  • 由渐近幅频特性求幅值穿越频率
本卷实例
  • 关键一步:按各段渐近线写幅值表达式,令其等于一求穿越频率
  • 中间结果:穿越频率落在中频段,按该段的近似式求解
  • 卡点:分段点由零极点转折频率定,选错段会得到错误频率
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
  • 本卷考过由渐近幅频特性求幅值穿越频率
  • 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
  • 本卷考过低频段起始高度没有按型别折算
  • 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

八控制八、奈氏曲线与稳定 K 范围15 分#

思路
  • 开环含右半平面零点与两个原点极点。第一问令增益等于一,写频率特性的模与相角并画出奈氏曲线;第二问先数右半平面开环极点数,再按曲线与负实轴交点相对临界点的位置,用奈氏判据求使闭环稳定的增益范围。
本卷考法
  • 由含右半平面零点的开环传函画奈氏曲线
本卷实例
  • 关键一步:写模与相角表达式,再求曲线与负实轴的交点
  • 中间结果:相角从负一百八十度起变化,曲线在某个频率穿过负实轴
  • 卡点:右半平面零点使相角变化方向与最小相位不同,需回原卷核对图
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
  • 本卷考过由含右半平面零点的开环传函画奈氏曲线
  • 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
  • 本卷考过相角累加时漏掉右半平面零点带来的相角
  • 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
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由奈氏判据求使闭环稳定的增益范围
本卷实例
  • 关键一步:先数右半平面开环极点数,再统计曲线绕过临界点的圈数
  • 中间结果:交点横坐标含增益因子,由它与临界点的相对位置定稳定条件
  • 卡点:端点增益是否包含要按临界稳定情形单独说明
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
  • 本卷考过由奈氏判据求使闭环稳定的增益范围
  • 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
  • 本卷考过没有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
  • 判断含右半平面零点的系统是否最小相位
本卷实例
  • 关键一步:检查开环零点与极点在右半平面的分布
  • 中间结果:开环有一个右半平面零点,故属非最小相位系统
  • 卡点:非最小相位系统仅由幅频曲线不能唯一确定传函
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
  • 本卷考过判断含右半平面零点的系统是否最小相位
  • 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
  • 本卷考过把右半平面极点与右半平面零点混为一谈
  • 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

九控制九、复合校正与稳态误差15 分#

思路
  • 第一问按系统结构写闭环误差传递函数,把加速度输入分解后令与抛物线项对应的误差分量系数为零,求参数条件使稳态误差为常值;第二问比较前置校正与局部反馈校正引入前后闭环传函,说明两者分别对稳态精度与稳定性的影响。
本卷考法
  • 由稳态误差为常值的条件反求系统参数
本卷实例
  • 关键一步:写误差传递函数,把加速度输入按阶次分解再逐项看极限
  • 中间结果:令含最高次输入的分量系数为零,其余分量才可能为常值
  • 卡点:须先由劳斯判据确认闭环稳定,再谈稳态误差为常值
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
  • 本卷考过由稳态误差为常值的条件反求系统参数
  • 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
  • 本卷考过输入为组合信号时漏掉某一分量
  • 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
本卷考法
  • 分析前置校正与局部反馈校正对系统性能的影响
本卷实例
  • 关键一步:分别写出加前置校正与加局部反馈后的闭环传函再比较
  • 中间结果:前置校正可改变误差传函但不影响特征方程,局部反馈改变特征方程
  • 卡点:校正环节传递函数与结构图以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 反馈校正可改变被包围环节的特性,抑制参数波动
  • 局部反馈能降低时间常数、提高响应速度
  • 复合控制通过前馈补偿实现给定或扰动不变性
  • 前馈不改变闭环稳定性,可与反馈叠加使用
步骤
  • 确定被包围的环节与反馈通道传递函数
  • 写出等效后的传递函数
  • 按不变性原理列写前馈补偿器条件
  • 求解补偿器并校验可实现性
通用考法
  • 本卷考过分析前置校正与局部反馈校正对系统性能的影响
  • 设计反馈校正装置改善被包围环节
  • 求前馈补偿器实现不变性
  • 分析复合控制对稳态误差的作用
常见易错
  • 本卷考过前馈补偿器表达式含高阶微分不可实现却直接采用
  • 前馈补偿器求出的表达式含高阶微分,不可实现却直接采用
  • 忽略反馈校正可能引起的高频噪声放大
公式
本卷考法
  • 判断系统型别对稳态误差的影响
本卷实例
  • 关键一步:数开环积分环节个数定系统型别,再对输入阶次判断误差
  • 中间结果:型别不足时高阶输入下的稳态误差为无穷
  • 卡点:结构图含前馈支路,开环传函要按实际回路取,别漏
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 型别 v 由开环传递函数中积分环节的个数决定
  • 0 型有位置误差、Ⅰ型有速度误差、Ⅱ型有加速度误差
  • 静态误差系数只与开环传递函数有关
步骤
  • 把开环传递函数写成分式,数出 s 的幂次即型别
  • 按型别选择对应的静态误差系数公式
  • 代入求值
通用考法
  • 本卷考过判断系统型别对稳态误差的影响
  • 判断系统型别
  • 求静态位置、速度、加速度误差系数
  • 分析增加积分环节对精度的影响
常见易错
  • 本卷考过数错积分环节个数导致型别判错
  • 把开环增益与静态误差系数混为一谈
  • 数错积分环节个数导致型别判错
公式

十控制十、有界输入有界输出稳定与状态反馈15 分#

思路
  • 第一问由状态矩阵求特征值,再由传递函数判断零极点对消,说明系统有界输入有界输出稳定但不渐近稳定;第二问先判能控再设反馈增益阵配置指定极点;第三问依据状态反馈不改变传递函数零点这一点判断目标传递函数能否实现。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 用特征值判断渐近稳定性
本卷实例
  • 关键一步:求状态矩阵特征值,看是否全部位于左半平面
  • 中间结果:特征值中含一个正实部,系统不是渐近稳定
  • 卡点:渐近稳定要求全部特征值严格在左半平面,边界情形要另判
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 第一法通过线性化系统的特征值判断原系统的局部稳定性
  • 第二法用李雅普诺夫函数直接判断稳定性,无需解方程
  • 李雅普诺夫函数正定且其导数为负定则渐近稳定
  • 线性定常系统中李雅普诺夫方程有正定解等价于系统稳定
步骤
  • 选取或构造李雅普诺夫函数
  • 沿系统轨迹求其对时间的导数
  • 判断函数与导数的正负定性
  • 据此得出稳定性结论
通用考法
  • 本卷考过用特征值判断渐近稳定性
  • 用李雅普诺夫方程判断系统稳定性
  • 构造李雅普诺夫函数证明渐近稳定
  • 分析非线性系统的稳定性范围
常见易错
  • 本卷考过李雅普诺夫方程中 P、Q 的角色混用
  • 李雅普诺夫方程中 P、Q 的角色混用
  • 只判断 V 正定就下结论而未检查导数
公式
本卷考法
  • 由传递函数零极点对消判断有界输入有界输出稳定
本卷实例
  • 关键一步:求传递函数并约去分子分母的公因子,看是否出现对消
  • 中间结果:不稳定特征值对应模态不可观,传递函数极点全在左半平面
  • 卡点:有界输入有界输出稳定不等于渐近稳定,两者要分别下结论
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零极点对消判断有界输入有界输出稳定
  • 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
  • 本卷考过把特征值个数与传递函数极点数直接等同
  • 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
  • 判别系统的能控性
本卷实例
  • 关键一步:构造能控判别矩阵并计算其秩
  • 中间结果:判别矩阵满秩说明系统完全能控
  • 卡点:能控判别矩阵要算满阶,别只算前几列
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
  • 本卷考过判别系统的能控性
  • 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
  • 本卷考过只算到低阶就下结论
  • 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
  • 设计状态反馈配置指定闭环极点
本卷实例
  • 关键一步:先判能控性,再设增益阵代入闭环特征多项式比较系数
  • 中间结果:目标特征多项式由三个期望极点展开得到
  • 卡点:状态反馈不改变传递函数的零点,按此判断目标传函能否实现
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配置指定闭环极点
  • 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
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 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