电路分析（二）：交流电路：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 16 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

复数

直角坐标形式
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
模与辐角
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
极坐标形式与指数形式
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
除法
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
乘积与商
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
棣莫弗定理
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n 次方根
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
p² < 4q 的二次方程
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

方法

  1. 根据运算选择合适的形式：加减用直角坐标形式 a + jb，乘除、乘方和开方用极坐标形式 r∠θ。
  2. 展开相乘时使用 j² = −1；做除法时把分子和分母同乘以分母的共轭。
  3. 用 r = √(a² + b²) 转换，θ 通过画出点 (a, b) 的草图得到（注意象限），再用 a = r cos θ，b = r sin θ 换回去。
  4. 乘方用棣莫弗定理，(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ；对于 zⁿ = R∠φ，列出全部 n 个根 R1/n∠((φ + 360°k)/n)。

交流阻抗和相量

阻抗
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
角频率
ω = 2πf
模和相角
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
相量形式的欧姆定律
V = I·Z

方法

  1. 换算频率：ω = 2πf。
  2. 求各电抗：XL = ωL，XC = 1/(ωC)。
  3. 像电阻一样把阻抗相加，Z = R + jX。
  4. 求模 |Z| = √(R² + X²) 和相角 φ = atan(X/R)，再用相量形式的欧姆定律。

交流功率和功率因数

有功功率
P = V·I·cos φ
无功功率
Q = V·I·sin φ
视在功率
S = V·I = √(P² + Q²)
功率因数
pf = cos φ = P/S
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

LC 谐振、Q 因数与带宽

固有频率
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
能量
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
峰值电流
Imax = V0√(C/L)
品质因数
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
串联 RLC
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
并联 RLC
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
带宽
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
半功率频率
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
含线圈电阻 r 的谐振回路
RD = L/(C·r) = Q²·r
振幅的衰减
e−Rt/(2L)

方法

  1. 先求谐振频率：ω₀ = 1/√(LC)，f₀ = ω₀/(2π)。
  2. 判断电路是串联还是并联：串联 Q = (1/R)√(L/C)，并联 Q = R√(C/L)。
  3. 带宽用 BW = f₀/Q，或用简便公式 R/(2πL)（串联）和 1/(2πRC)（并联）。
  4. 能量类问题，利用理想 LC 电路的总能量 ½CV₀² 保持不变，并且每过四分之一周期就在 C 与 L 之间转移一次。

三相电

Y 联结
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 联结
VL = Vph, IL = √3·Iph
总有功功率
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
视在功率和无功功率
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
每个电容上的电压
Δ：VL Y：VL/√3
电动机输入
Pin = Pout/η

RC 和 RL 暂态

时间常数
τ = RC | τ = L/R
响应
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
直流下的电容
开路；vC 不能突变
直流下的电感
短路；iL 不能突变
稳态
t ≈ 5τ

方法

  1. 求换路后瞬间的初始值：电容电压和电感电流不能突变。
  2. 求换路后很长时间的终值：电容相当于开路，电感相当于短路。
  3. 求时间常数：τ = RC 或 τ = L/R，使用从电容或电感两端看进去的电阻。
  4. 使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ。

戴维南和诺顿

戴维南电压
Vth = Vopen circuit
戴维南电阻
Rth：所有独立源置零，从 a–b 看进去
诺顿电流
IN = Vth/Rth
负载电流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大功率传输
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

方法

  1. 移去负载，并标出两个端子 a 和 b。
  2. 求 a、b 之间的开路电压：这就是 Vth。
  3. 将所有独立电源置零，求从 a–b 看进去的电阻：这就是 Rth。
  4. 把负载接回等效电路：Vth 与 Rth 串联。
  5. 求诺顿等效电路时进行变换：IN = Vth/Rth，RN = Rth 并联。

2练习题

1.复数中等
ReIm22−2−244−4−4θz

把 z = −5 + j5 写成指数形式 r·ejθ。θ 以弧度给出，取 −π 到 π 之间。

z = −5 + j5
θ = rad
2.复数困难
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃z₄

n = 5、w = 32∠60° 时，zⁿ = w 的根为 zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)，k = 0, 1, …, 4。求 z₄ 的辐角，以度为单位，取 −180° 到 180° 之间。

w = 32∠60°n = 5k = 4
θ₄ = °
3.交流阻抗和相量中等
100 V500 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 100 V（有效值）、500 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ，以度为单位（电流滞后电压时为正）。

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 100 µF
φ = °
4.交流阻抗和相量困难
12 Vf0​R = 50 ΩL = 50 mHC = 0.22 µF

一个 RLC 串联电路由 12 V（有效值）的电源驱动，电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 12 V (rms)R = 50 ΩL = 50 mHC = 0.22 µF
VL = V
5.交流功率和功率因数中等
P = 5 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 5 kW，功率因数为 0.85（滞后）。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 5 kWpf = 0.85V = 240 V
Q = kvar
6.交流功率和功率因数困难
P1​ = 34 kWQ1​S1​φ

一台 50 kVA 的单相变压器为一个 34 kW、功率因数为 0.8（滞后）的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前，还能再增加多少电阻性（功率因数为 1）负载的有功功率 ΔP？

Smax = 50 kVAP1 = 34 kWpf1 = 0.8
ΔP = kW
7.LC 谐振、Q 因数与带宽中等
C = 10 µF+−2 VL = 220 µHiL​

一个充电到 10 V 的 10 µF 电容器与一个理想的 220 µH 电感振荡。求电容器电压为 2 V 的时刻电感中储存的能量 WL，单位 µJ。

C = 10 µFV0 = 10 VvC = 2 V
WL = µJ
8.LC 谐振、Q 因数与带宽困难
V1 Ω22 µH10 nF10 mA

一个串联 RLC 电路（R = 1 Ω，L = 22 µH，C = 10 nF）在谐振时被驱动，电流幅值为 10 mA。求一个周期内在 R 上耗散的能量 Ecycle，单位 nJ。

R = 1 ΩL = 22 µHC = 10 nFIm = 10 mA
Ecycle = nJ
9.三相电中等
ABCVL​ = 480 VZ = 12 + j16 Ω每相

一个每相阻抗为 12 + j16 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 480 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P，以 kW 计。

VL = 480 VZ = 12 + j16 Ω 每相
P = kW
10.三相电困难
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 415 V（线电压）、60 Hz 的电源取用 60 kW，功率因数为 0.7（滞后）。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.98（滞后）。有功功率保持不变。 求电容器组须提供的总无功功率 QC，以 kvar 计。

P = 60 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 10 Ωt = 0L33 mHi(t)

电感中流过 2.5 A 的稳定电流。在 t = 0 开关使回路经 R 闭合并移除电源，于是电感电流经 R 衰减。 电流降到 0.25 A 需要多长时间？求 t。

i(0) = 2.5 AR = 10 ΩL = 33 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 4.7 kΩC?+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 9 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 4.5 V 时它必须触发，恰好在开始后 200 ms。 已知 R = 4.7 kΩ，求所需的电容 C。

Vs = 9 VVth = 4.5 VT = 200 msR = 4.7 kΩ
C = µF
13.戴维南和诺顿中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
14.戴维南和诺顿困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAIs​5 ABRL​12 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 12 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路，求负载电流 IL。

V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩRL = 12 Ω
IL = A
15.伯德图与裕度中等
vin​R = 4.7 kΩC = 47 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 4.7 kΩ, C = 47 nF。输入为2.9 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ，单位为度。

R = 4.7 kΩC = 47 nFf = 2.9 kHz
φ = °
16.伯德图与裕度困难
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 660/(s(s + 10))。 求增益穿越频率 ωc，即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 660/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3溶液

1.复数

答案: θ = 2.356 rad

极坐标形式：z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ，其中 r = |z|，θ = arg z。换回直角坐标形式：a = r cos θ，b = r sin θ。求辐角需要考虑象限：仅当 a > 0 时 θ = atan(b/a)；当 a < 0 时要加上或减去 180°。在极坐标形式下乘法很简单：模相乘，辐角相加；除法则模相除，辐角相减。

模

r = √(25 + 25) = 7.071

以弧度表示的辐角

θ = 135° = 135·π/180 = 2.356 rad

指数形式

z = 7.071·ej2.356

答案

θ = 2.356 rad
2.复数

答案: θ₄ = −60 °

棣莫弗定理与方根：(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ。方程 zⁿ = R∠φ 恰有 n 个根，模都是 R1/n，辐角为 (φ + 360°·k)/n，k = 0, 1, …, n − 1：它们均匀分布在一个圆上，相隔 360°/n。当 p² < 4q 时，二次方程 z² + pz + q = 0 有复根 z = −p/2 ± j√(q − p²/4)；实系数多项式的复根总是成共轭对 a ± jb 出现。

根的模

321/5 = 2

根的辐角

θ₄ = (60° + 360°·4)/5 = 300° → −60°

辐角

θ₄ = −60°

答案

θ₄ = −60°

5 个根位于半径为 2 的圆上，彼此相隔 72°。

3.交流阻抗和相量

答案: φ = 80.91 °

相量法分析交流电路：电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC)，其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加，但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.2 = 628.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3.183 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加：Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (625.1)²) = 633.1 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(625.1/100) = 80.91°

答案

φ = 80.91°
4.交流阻抗和相量

答案: VL = 114.4 V

相量法分析交流电路：电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC)，其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加，但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

谐振

谐振时电抗相互抵消，所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·0.22·10⁻⁶) = 9535 rad/s
I = V/R = 12/50 = 0.24 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 9535·0.05 = 476.7 Ω
VL = I·XL = 0.24·476.7 = 114.4 V

答案

VL = 114.4 V

这是电源电压的 Q = 9.535 倍。

5.交流功率和功率因数

答案: Q = 3.099 kvar

交流功率：视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W)，以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率，因此在有功功率不变时线路电流减小。

相角

φ = arccos(0.85) = 31.79°, tan φ = 0.6197

无功功率

Q = P·tan φ = 5·0.6197 = 3.099 kvar

答案

Q = 3.099 kvar
6.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 9.009 kW

交流功率：视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W)，以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率，因此在有功功率不变时线路电流减小。

现有负载的无功功率

Q1 = 34·tan(arccos 0.8) = 25.5 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax，而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 25.5²) = 43.01 kW

增加的有功功率

ΔP = 43.01 − 34 = 9.009 kW

答案

ΔP = 9.009 kW
7.LC 谐振、Q 因数与带宽

答案: WL = 480 µJ

LC 谐振：充电的电容器连接到电感后，驱动电流使它反向充电：能量在 C 的电场（½Cv²）与 L 的磁场（½Li²）之间以固有频率 f0 = 1/(2π√(LC)) 来回转移。没有电阻时，总能量 ½CV0² 保持不变，所以峰值电流为 Imax = V0√(C/L)。一个周期为 T = 1/f0；能量在其四分之一周期内从 C 转移到 L。

总能量

½·1 × 10⁻⁵·10² = 0.0005 J

电容器中剩余的能量

½·1 × 10⁻⁵·2² = 2 × 10⁻⁵ J

电感中的能量

WL = 0.00048 J = 480 µJ

答案

WL = 480 µJ
8.LC 谐振、Q 因数与带宽

答案: Ecycle = 0.1474 nJ

Q 因数与带宽：在谐振电路中，Q = 2π·（储存的能量）/（每周期损失的能量）。对串联 RLC，Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C)；对并联 RLC，Q = R/(ω0L) = R√(C/L)。半功率频率 f1 与 f2（功率减半，电流或电压为峰值的 1/√2）之间的带宽为 BW = f2 − f1 = f0/Q，串联时是 R/(2πL)，并联时是 1/(2πRC)。谐振频率是几何平均值 f0 = √(f1f2)，且 f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))。损耗还会使振荡衰减：在串联 RLC 中，振幅按 e−Rt/(2L) 下降。

储存的能量

W = ½·2.2 × 10⁻⁵·0.01² = 1.1 × 10⁻⁹ J

品质因数

Q = (1/1)·√(2.2 × 10⁻⁵/1 × 10⁻⁸) = 46.9

每周期损失的能量

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·1.1 × 10⁻⁹/46.9 = 1.474 × 10⁻¹⁰ J = 0.1474 nJ
校核: ½·0.01²·1/339319 = 1.474 × 10⁻¹⁰ J

答案

Ecycle = 0.1474 nJ
9.三相电

答案: P = 20.74 kW

对称三相系统：在 Y（星形）联结中，线电压是相电压的 √3 倍，VL = √3·Vph，线电流等于相电流。在 Δ（三角形）联结中，线电压等于相电压，线电流是相电流的 √3 倍，IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍：P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

相电压

Vph = VL = 480 V

相电流

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 480/20 = 24 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·24²·12 = 20.74 kW

答案

P = 20.74 kW

验算：cos φ = R/|Z| = 0.6，用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

10.三相电

答案: QC = 49.03 kvar

对称三相系统：在 Y（星形）联结中，线电压是相电压的 √3 倍，VL = √3·Vph，线电流等于相电流。在 Δ（三角形）联结中，线电压等于相电压，线电流是相电流的 √3 倍，IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍：P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正：电容就地提供无功功率，QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C，其中 V 是该电容两端的电压：Δ 联结电容器组为 VL，Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变，因此每个功率因数对应确定的无功功率：Q = P·tan φ。

Q1 = 60·tan(acos 0.7) = 60·1.02 = 61.21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.98) = 60·0.2031 = 12.18 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 49.03 kvar

答案

QC = 49.03 kvar
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 7.599 ms

一阶暂态：在只含一个电容或一个电感的电路中，每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值：x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ，其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

时间常数

τ = L/R = 33 mH / 10 Ω = 3.3 ms

求解时间

0.25 = 2.5·e−t/τ → t = τ·ln(2.5/0.25)
t = 3.3·ln(10) = 7.599 ms

答案

t = 7.599 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: C = 61.39 µF

一阶暂态：在只含一个电容或一个电感的电路中，每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值：x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ，其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

所需的时间常数

4.5 = 9·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(9/(9 − 4.5))
τ = 200/0.6931 = 288.5 ms

电容

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

C = τ/R = 288.5/4.7 = 61.39 µF

答案

C = 61.39 µF
13.戴维南和诺顿

答案: Vth = 2.348 V

戴维南定理：任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​3 ΩAabRth​

将所有电源置零，求 Rth

电压源换成短路，电流源换成开路，然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 20·3/(20+3) = 2.609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.609 + 15 = 17.61 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时 R₃ 中没有电流，因此其上无压降，V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·3/(20+3) = 2.348 V
14.戴维南和诺顿

答案: IL = 2.793 A

戴维南定理：任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​6 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零，求 Rth

电压源换成短路，电流源换成开路，然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 4·6/(4+6) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 3 = 5.4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时，Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A，再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 21.6 + 5·2.4 = 33.6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33.6 + 5·3 = 48.6 V
Rth​ = 5.4 Ω+−Vth​48.6 VRL​12 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同，因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 48.6/(5.4 + 12) = 2.793 A
15.伯德图与裕度

答案: φ = −76.05 °

频率响应：在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|，相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折（−3 dB）频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L，而 fc = ωc/(2π)；低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)，φ = −atan(ω/ωc)。在渐近（折线）伯德图中，每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频，每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频，积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc：|L(jω)| = 1（0 dB）；相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180：∠L(jω) = −180°；增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时，闭环稳定。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·4.7 × 10⁻⁸) = 4527 rad/s
fc = 720.5 Hz → f/fc = 2900/720.5 = 4.025

相位

φ = − atan(4.025) = −76.05°

答案

φ = −76.05°
16.伯德图与裕度

答案: ωc = 24.74 rad/s

频率响应：在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|，相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折（−3 dB）频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L，而 fc = ωc/(2π)；低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)，φ = −atan(ω/ωc)。在渐近（折线）伯德图中，每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频，每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频，积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc：|L(jω)| = 1（0 dB）；相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180：∠L(jω) = −180°；增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时，闭环稳定。

增益穿越

ω⁴ + 100ω² − 435600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·435600))/2 = 611.9
ωc = 24.74 rad/s

答案

ωc = 24.74 rad/s

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