FE 电气与计算机考试练习:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 40 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

串并联电阻

电阻串联
Req = R1 + R2 + …
电阻并联
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
两个电阻并联
Req = R1R2 / (R1 + R2)
欧姆定律
V = I·R
功率
P = V·I = I²R = V²/R

方法

  1. 从离端子最远的网络末端开始。
  2. 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. 每一步之后重新画电路。
  4. 重复直到端子之间只剩一个电阻。

节点分析

基尔霍夫电流定律
ΣIin = ΣIout
支路电流
I = (Va − Vb)/R
参考节点
Vground = 0

方法

  1. 选定参考节点(地),并标出其他节点电压。
  2. 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律:流出各支路的电流等于流入的电流。
  3. 把每条支路电流表示为 (Va − Vb)/R。
  4. 解方程组,再求出所需的电流。

网孔分析

基尔霍夫电压定律
沿每个回路 ΣV = 0
公共电阻
电流 = I1 − I2
网孔中的电流源
直接确定该网孔电流

方法

  1. 在电路的每个网孔(窗口)中设一个顺时针电流。
  2. 对每个网孔应用基尔霍夫电压定律:电压降之和为零。
  3. 两个网孔共用的电阻中,电流为两个网孔电流之差。
  4. 解方程;结果为负表示电流实际方向相反。

叠加定理

叠加定理
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
置零的电压源
短路 (0 V)
置零的电流源
开路 (0 A)
分压公式
V2 = V·R2/(R1 + R2)
分流公式
I1 = I·R2/(R1 + R2)

方法

  1. 数一数独立电源的个数。每个电源对应求解一个更简单的电路。
  2. 保留一个电源,将其他电源置零:电压源用短路(导线)代替,电流源用开路(断开)代替。
  3. 在简化后的电路中求所需的电压或电流,并注意其方向。
  4. 对每个电源重复上述步骤,再将各分量按符号相加。

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。

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。

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)

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

变压器

匝数比
a = N1/N2 = V1/V2
电流比
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
额定电流
I = S/V
折算阻抗
Z1′ = a²·ZL
部分负载时的铜损
Pcu = x²·Pcu,fl
效率
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
最高效率
x = √(Pcore/Pcu,fl)

运放电路

反相放大器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 0

二极管与晶体管

二极管(恒压降模型)
VD = 0.7 V when conducting
放大区
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
固定偏置
IB = (VCC − 0.7)/RB
分压偏置
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
分压器的戴维南等效
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
集电极回路
VCE = VCC − ICRC − IERE
饱和
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

数制

位权
二进制 2k,八进制 8k,十六进制 16k
转为十进制
Σ dk·bk
从十进制转换
除以基数,余数从下往上读
十六进制 ↔ 二进制
一位十六进制数 = 4 位二进制
二进制补码
按位取反后加 1

数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

基本逻辑门
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
布尔规则
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
德摩根律
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
卡诺图的顺序
00, 01, 11, 10 (Gray code)
由 2ᵏ 个格子组成的圈
消去 k 个变量
4 选 1 多路选择器
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
触发器
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
计数器
n 位:2ⁿ 个状态; 模 N:满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n; fout = fclk/N
行波计数器
fmax = 1/(n·tpd)
环形计数器与约翰逊计数器
n 个和 2n 个状态

方法

  1. 对于电路,从输入到输出一个门一个门地分析,并在每根线上写出值;或者写出它的表达式并填写真值表。
  2. 化简时,把 1(以及标为 X 的无关项)填入行列按格雷码 00, 01, 11, 10 排列的卡诺图。
  3. 用尽可能少而大的圈(由 1、2、4、8 或 16 个格子组成)覆盖所有 1,可以绕过边界;每个圈对应一个乘积项,由保持不变的变量构成。求 POS 形式时圈 0。
  4. 对于触发器和计数器,在每个有效时钟边沿读取输入,写出每个边沿之后的状态,并记住 n 位计数器在 2ⁿ 个状态之后回绕。

稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

稳定性
特征多项式的所有根都在左半平面
劳斯表,三次多项式的 s¹ 行元素
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
右半平面的根
第一列中符号变化的次数
三次多项式 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
当所有 a > 0 且 a₂·a₁ > a₀ 时稳定
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
特征方程
1 + K·G(s) = 0
渐近线
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
分离点和汇合点
dK/ds = 0
幅值条件
K = 1/|G(s)|
出射角
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

方法

  1. 写出闭环特征多项式:即 1 + K·G(s) = 0 的分母,并展开。
  2. 把系数交替填入劳斯表的前两行,再建立其余各行。
  3. 数第一列中的符号变化:每一次对应右半平面内的一个极点。当表中含有 K 时,要求第一列的每个元素都保持为正。
  4. 画根轨迹时,标出极点和零点、实轴上的线段、来自重心的渐近线,以及 dK/ds = 0 处的分离点。用 K = 1/|G(s)| 求某点处的增益。

稳态误差与 PID 控制

系统型别
G(s) 在 s = 0 处的极点个数
误差常数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
阶跃 A
ess = A/(1 + Kp)
斜坡 A·t
ess = A/Kv
抛物线 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 控制器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
二阶目标
s² + 2ζωns + ωn²
超调量与时间指标
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

方法

  1. 数一数开环 C(s)·G(s) 在 s = 0 处的极点个数:这就是系统型别。
  2. 求出与输入相匹配的误差常数:阶跃用 Kp,斜坡用 Kv,抛物线用 Ka。
  3. 应用 ess = A/(1 + Kp)、A/Kv 或 A/Ka,或者反过来解出所需的增益。
  4. 对于阻尼或转速的指标,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζω_n·s + ω_n² 匹配。

2练习题

1.串并联电阻中等
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​3 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBR6​25 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 ΩR5 = 25 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBIs​1.5 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 6 VIs = 1.5 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 ΩIR4​+−V1​12 VR3​2 ΩAR5​10 ΩBIs​5 A+−V2​18 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 12 VIs = 5 AV2 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 ΩR5 = 10 Ω
IR4 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 ΩIR2​+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 6 VV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR4​30 ΩAR5​12 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I3(顺时针)。

V1 = 5 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 Ω
I3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​3 Ω−+VR4​BIs​2 A

用叠加定理求 R4 两端按图示极性的电压 VR4。

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 Ω
VR4 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​18 VR3​15 ΩAIs​3 AB−+V2​9 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 18 VIs = 3 AV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 Ω
IR4 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩARL​4 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 4 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 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​25 ΩAIs​4 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 ΩL150 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 25 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 9 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 25 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 V在 t = 0 断开R1​ = 3.3 kΩR2​ = 1 kΩC33 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 25 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR1 = 3.3 kΩR2 = 1 kΩC = 33 µFt = 25 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 5000 HzRL = ?C = 1 µF

一个 C = 1 µF 的 RLC 串联电路必须在 5000 Hz 发生谐振。求所需的电感 L。

f0 = 5000 HzC = 1 µF
L = mH
14.交流阻抗和相量困难
100 V50 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 10 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 25 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 25 kW,功率因数为 0.7(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 25 kWpf = 0.7V = 400 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、60 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 20 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 91%cos φ = 0.85

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 7.5 kW。此负载下其效率为 91%,功率因数为 0.85(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 7.5 kWη = 91%cos φ = 0.85VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 120 kW,功率因数为 0.75(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 120 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
10000 V400 VIHV​ILV​ = ?75 kVA

一台单相 75 kVA、10000/400 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求低压绕组中的电流 ILV。

S = 75 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
20.变压器困难
pf 0.85500 kVA, 50% 负载

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 2500 W,额定负载下铜损为 10000 W。 它以 0.85(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 500 kVAPcore = 2500 WPcu,fl = 10000 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​ = 0.8 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 0.8 VR1 = 4.7 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = −0.2 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0.4 VR2​ = 4.7 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −0.2 VV2 = 0.4 VR1 = 2 kΩR2 = 4.7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.7 kΩβ = 100IC​ = ?RE​ = 680 ΩVCC​ = 20 VR1​ = 82 kΩR2​ = 22 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由 VCC = 20 V 分压偏置:R₁ = 82 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 22 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 2.7 kΩ,发射极电阻为 RE = 680 Ω。取 VBE = 0.7 V,并使用分压器的戴维南等效电路(不忽略基极电流)。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 20 VR1 = 82 kΩR2 = 22 kΩRC = 2.7 kΩRE = 680 Ωβ = 100
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
+−≤ 18 V100 Ω3.3 V

一个 3.3 V 的齐纳稳压器有一个 100 Ω 的串联电阻。输入可能升到 18 V,负载可能被断开。求齐纳管必须耗散的最大功率 PZ,max。

Vin,max = 18 VVZ = 3.3 VR = 100 Ω
PZ,max = mW
25.数制中等
8 位补码?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −14 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −148 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0101 0100 OR 1000 0101 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0101 0100OR1000 0101
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD00011110000111101111111

在这个卡诺图中,恰有一个 1 没有相邻的 1,所以它在最简 SOP 形式中仍是单个格子的圈(含四个文字的完整最小项)。跨越卡诺图边界的相邻关系也要计入。点选该格子。

F = Σm(1, 3, 4, 6, 7, 8, 14)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD000111100001111000111312X4150706112113115014X8X9011X10

求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 5, 12, 13, 15) + d(4, 8, 9, 10) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它包含多少个文字 L?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 5, 12, 13, 15) + d(4, 8, 9, 10)
L =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

用部分分式法求 F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 4))t = 0.4 s
f(0.4) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.75y(0.75) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 5y = 12.5·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 5(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.75)。

y″ + 6y′ + 5y = 12.5·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.75 s
y(0.75) =
31.方框图中等
R(s)+K(s + 1)(s + 12)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 1)(s + 12)) 放在单位负反馈回路中。求使闭环处于临界阻尼(两个相等的实极点)的增益 K。

G(s) = K/((s + 1)(s + 12))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+K(s + 2)(s + 3)(s + 8)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 8)) 放在单位负反馈回路中。 在最大稳定增益时回路发生振荡。求振荡频率 ω,单位 rad/s。

G(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 8))单位负反馈
ω = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5?

某系统的传递函数为 G(s) = 10/(s² + 3s + 20),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 10/(s² + 3s + 20)
%OS = %
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)18 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 8 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 8 %
ζ =
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 4.7 mHR = 100 Ωvout​

图中所示的RL 低通滤波器有R = 100 Ω, L = 4.7 mH。输入为10 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 100 ΩL = 4.7 mHf = 10 kHz
|H| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9))。 求给出 2 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9))GM = 2 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1(s + 4)(s + 5)(s + 6)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 7)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −7 之间离开实轴,绕一圈后在零点左侧再次汇入实轴。求汇合点 si。

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 7))
si =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10 + 2t+20s(s + 1)(s + 5)C(s)−

输入 r(t) = 10 + 2t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 20/(s(s + 1)(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 20/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 10 + 2t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 4C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s + 4)。闭环必须满足 ωₙ = 4 rad/s 和 ζ = 1。求比例增益 Kp。

G(s) = 10/(s + 4)ωₙ = 4 rad/sζ = 1
Kp =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.2643 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​3 ΩB

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R3 + R4 = 20 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 20·23/(20+23) = 10.7 Ω
Req = R1 + 10.7 = 12 + 10.7 = 22.7 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 6/22.7 = 0.2643 A

答案

IR1 = 0.2643 A
2.串并联电阻

答案: Req = 19.54 Ω

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBR6​25 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R5 + R6 = 25 + 25 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 14.29 Ω
R3 + 14.29 = 20.29 Ω
R2 ∥ 20.29 = 7.54 Ω
Req = R1 + 7.54 = 12 + 7.54 = 19.54 Ω

答案

Req = 19.54 Ω
3.节点分析

答案: PIs = 15.21 W

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/5 = 0
0.45·VA − 0.2·VB = 0.3

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/5 = 1.5
−0.2·VA + 0.25·VB = 1.5

求解

Δ = (0.45)(0.25) − (−0.2)(−0.2) = 0.0725
VA = Δ1/Δ = 0.375/0.0725 = 5.172 V
VB = Δ2/Δ = 0.735/0.0725 = 10.14 V

电流源输出的功率

电源把 Iₛ 从地(0 V)向上注入节点 B,即升到 VB。电流从其 + 端流出的电源输出功率 P = V·I。

PIs = VB·Is = 10.14·1.5 = 15.21 W

答案

PIs = 15.21 W
4.节点分析

答案: IR4 = 0.7034 A

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

R1​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩAR5​10 ΩBIs​5 A+−V2​18 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 12 V, V2 = 18 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/2 + (VA − 12)/3 + (VA − VB)/5 = 0
1.033·VA − 0.2·VB = 4

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/10 + (VB − VA)/5 + (VB − 18)/2 = 5
−0.2·VA + 0.8·VB = 14

求解

Δ = (1.033)(0.8) − (−0.2)(−0.2) = 0.7867
VA = Δ1/Δ = 6/0.7867 = 7.627 V
VB = Δ2/Δ = 15.27/0.7867 = 19.41 V

答案

IR4 = (VB − V2)/R4 = (19.41 − 18)/2 = 0.7034 A
5.网孔分析

答案: IR2 = −0.1098 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 6 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​20 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
6·I1 + 20(I1 − I2) = 6
26·I1 − 20·I2 = 6

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 20(I2 − I1) = (−6)
−20·I1 + 28·I2 = −6

求解

Δ = (26)(28) − (−20)(−20) = 328
I1 = Δ1/Δ = 48/328 = 0.1463 A
I2 = Δ2/Δ = −36/328 = −0.1098 A

答案

IR2 = I2 = −0.1098 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I3 = −1.429 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 5 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR4​30 ΩAR5​12 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2, I3。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
5·I1 + 30(I1 − I2) = 5
35·I1 − 30·I2 = 5

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 30(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 45·I2 − 12·I3 = 0

网孔 3 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
2·I3 + 12(I3 − I2) = (−12)
−12·I2 + 14·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 4410
I1 = Δ1/Δ = −1890/4410 = −0.4286 A
I2 = Δ2/Δ = −2940/4410 = −0.6667 A
I3 = Δ3/Δ = −6300/4410 = −1.429 A

答案

I3 = −1.429 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR4 = 1.588 V

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​3 ΩB开路

情况 1 · V1 单独作用

Iₛ 变为开路,因此 R₃ 和 R₄ 构成一条从 A 到地的串联支路,与 R₂ 并联。

R3+R4 = 6+3 = 9 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·9/(3+9) = 2.25 Ω
VA = 15·2.25/(2+2.25) = 7.941 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7.941·3/9 = 2.647 V
VR4′ = 0 − VB = 0 − 2.647 = −2.647 V
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​2 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,因此 R₁ 与 R₂ 并联。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和经过 R₃ 的路径。

R1 ∥ R2 = 2·3/(2+3) = 1.2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 7.2 = 2.118 Ω
VB = Is·Req = (−2)·2.118 = −4.235 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −4.235·1.2/7.2 = −0.7059 V
VR4″ = 0 − VB = 0 − −4.235 = 4.235 V

叠加各分量

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = (−2.647) + 4.235 = 1.588 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

8.叠加定理

答案: IR4 = 1.643 A

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩA开路B短路

情况 1 · V1 单独作用

V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。

R3 ∥ (R2+R4) = 15 ∥ 35 = 10.5 Ω
VA = 18·10.5/(4+10.5) = 13.03 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13.03·25/35 = 9.31 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (9.31 − 0)/25 = 0.3724 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​15 ΩAIs​3 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。

R1 ∥ R3 = 3.158 Ω,所以左侧路径为 R2+3.158 = 13.16 Ω
Req = R4 ∥ 13.16 = 8.621 Ω
VB = Is·Req = 3·8.621 = 25.86 V
VA = VB·3.158/13.16 = 6.207 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (25.86 − 0)/25 = 1.034 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 25 Ω短路R3​15 ΩA开路B−+V2​9 V

情况 3 · V2 单独作用

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 4·15/(4+15) = 3.158 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·13.16/38.16 = −3.103 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −3.103·3.158/13.16 = −0.7448 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−3.103 − −9)/25 = 0.2359 A

叠加各分量

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.3724 + 1.034 + 0.2359 = 1.643 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.3871 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​ = 12 ΩR3​ = 6 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 = 12·3/(12+3) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 6 = 8.4 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 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) = 24·3/(12+3) = 4.8 V
Rth​ = 8.4 Ω+−Vth​4.8 VRL​4 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) = 4.8/(8.4 + 4) = 0.3871 A
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = 160 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​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω短路R2​25 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 = 30·25/(30+25) = 13.64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13.64 + 25 = 38.64 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​25 ΩAIs​4 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) = 5.455 + 4·13.64 = 60 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 60 + 4·25 = 160 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 1.7 V

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。

时间常数和终值电流

开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 9/10 = 0.9 A

电感电压

t = 0 时全部电源电压加在电感上;之后衰减到零。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 9·e−25/15 = 1.7 V

答案

vL = 1.7 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 0.9812 V

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。

电容的初始电压

稳态时电容相当于开路,所以 R₁ 和 R₂ 构成分压器。开关断开时电容电压不能突变。

vC(0) = 9·1/(3.3 + 1) = 2.093 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 1·33 = 33 ms

放电

vC(t) = 2.093·e−25/33 = 0.9812 V

答案

vC = 0.9812 V
13.交流阻抗和相量

答案: L = 1.013 mH

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。

谐振条件

谐振时感抗与容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·5000 = 31416 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·1·10⁻⁶) = 1.013 mH

答案

L = 1.013 mH
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.3678 A

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·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.15 = 47.12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·10·10⁻⁶) = 318.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−271.2)²) = 271.9 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 100/271.9 = 0.3678 A

答案

I = 0.3678 A
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 25.51 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(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02

无功功率

Q = P·tan φ = 25·1.02 = 25.51 kvar

答案

Q = 25.51 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 5.314 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。

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(36.87°) = 15 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(25.84°) = 9.686 kvar
QC = Q1 − Q2 = 5.314 kvar

答案

QC = 5.314 kvar
17.三相电

答案: IL = 8.113 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 7.5/0.91 = 8.242 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8242/(√3·690·0.85) = 8.113 A

答案

IL = 8.113 A
18.三相电

答案: Cph = 148 µF

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 = 120·tan(acos 0.75) = 120·0.8819 = 105.8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.95) = 120·0.3287 = 39.44 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 66.39 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 22129/(314.2·690²) = 148 µF

答案

Cph = 148 µF
19.变压器

答案: ILV = 187.5 A

理想变压器:电压之比等于匝数之比,电流之比等于匝数的反比:V₁/V₂ = N₁/N₂ = a,I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a,因此输入功率等于输出功率,V₁·I₁ = V₂·I₂。二次侧的负载阻抗 Z 从一次侧看相当于 a²·Z。

额定电流

两个绕组传输相同的视在功率。

ILV = S/V = 75000/400 = 187.5 A

答案

ILV = 187.5 A
20.变压器

答案: Ploss = 5000 W

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.25·10000 = 2500 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 2500 + 2500 = 5000 W

答案

Ploss = 5000 W

此负载下的效率为 η = 97.7%。

21.运放电路

答案: Vout = 8.8 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = 0.8 V
I = V₋/R1 = 0.8/4.7 = 0.1702 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 0.8 + 0.1702·47 = 8.8 V

答案

Vout = 8.8 V
22.运放电路

答案: Vout = 0.3277 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = −0.2/2 = −0.1 mA
I2 = V2/R2 = 0.4/4.7 = 0.08511 mA
If = I1 + I2 = −0.01489 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −22·(−0.01489) = 0.3277 V

答案

Vout = 0.3277 V
23.二极管与晶体管

答案: IC = 4.104 mA

BJT 静态工作点:在放大区,VBE = 0.7 V,IC = β·IB,IE = (β + 1)·IB。用 KVL 由基极回路求 IB,再求 IC,然后由集电极–发射极回路求 VCE。基极的分压器用其戴维南等效电路代替:VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂),RTH = R₁∥R₂;发射极电阻在基极回路中相当于放大了 (β + 1) 倍。

分压器的戴维南等效

VTH = 20·22/(82 + 22) = 4.231 V
RTH = 82·22/(82 + 22) = 17.35 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (4.231 − 0.7)/(17.35 + 101·0.68) = 41.04 µA

集电极电流

IC = 100·41.04 µA = 4.104 mA
IE = 101·41.04 µA = 4.145 mA

答案

IC = 4.104 mA
24.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 485.1 mW

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

最坏情况的齐纳电流

IZ = 14.7/100 = 147 mA

齐纳功率

PZ = 3.3·147 = 485.1 mW

答案

PZ,max = 485.1 mW
25.数制

答案: U = 242

位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。

取反加一

14 = 0000 1110
取反后: 1111 0001
+1 → 1111 0010

按无符号数读取

1111 0010₂ = 256 − 14 = 242

答案

U = 242
26.数制

答案: R = 213

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

逐位计算

OR 在至少有一位为 1 时得 1。

0101 0100
OR 1000 0101
= 1101 0101

结果的值

1101 0101₂ = 213

答案

R = 213
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 10, CD = 00

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

每个 1 的邻格

有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。

m8: m9, m10, m12, m0 → 0
ABCD00011110000111101111111

孤立的 1

m8 = AB′C′D′ → AB = 10, CD = 00

答案

AB = 10, CD = 00
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 10

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

C′D, BC′, B′CD′, AC′, A′B′D, ABD, A′B′C
ABCD000111100001111000111312X4150706112113115014X8X9011X10

最小覆盖

F = C′D + BC′ + ABD + A′B′C
L = 10

答案

L = 10

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 1.838

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 4)
A = 55/(3·4) = 4.583
B = 55/((−3)·1) = −18.33
C = 55/((−4)·(−1)) = 13.75

逆变换

f(t) = 4.583 − 18.33·e−3t + 13.75·e−4t

求值

f(0.4) = 4.583 − 18.33·e−3·0.4 + 13.75·e−4·0.4 = 1.838

答案

f(0.4) = 1.838
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.75) = 5.193

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

对方程做变换

Y(s) = 62.5/(s(s + 1)(s + 5))

部分分式

A = 62.5/(1·5) = 12.5
B = 62.5/((−1)·4) = −15.63
C = 62.5/((−5)·(−4)) = 3.125

出量

y(t) = 12.5 − 15.63·e−t + 3.125·e−5t
y(0.75) = 5.193

答案

y(0.75) = 5.193
31.方框图

答案: K = 30.25

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

特征方程

1 + K/((s + 1)(s + 12)) = 0 → s² + 13s + 12 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

13² = 4(12 + K) → K = 169/4 − 12 = 30.25

答案

K = 30.25
此时两个闭环极点都在 s = −6.5。
32.方框图

答案: ω = 6.782 rad/s

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

特征方程

s³ + 13s² + 46s + 48 + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 46
s² | 13 48 + K
s¹ | (13·46 − 48 − K)/13
s⁰ | 48 + K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 13·46 − 48 = 550

振荡频率

13·(jω)² + 48 + 550 = 0 → ω² = 598/13 = 46
ω = 6.782 rad/s

答案

ω = 6.782 rad/s
33.阶跃响应

答案: %OS = 32.68 %

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 20 → ωₙ = 4.472 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4.472) = 0.3354

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.119 = 32.68 %

答案

%OS = 32.68 %
34.阶跃响应

答案: ζ = 0.6266

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

阻尼比

ζ = −ln(0.08)/√(π² + ln²(0.08)) = 2.526/√(9.87 + 6.379) = 0.6266

答案

ζ = 0.6266
35.伯德图与裕度

答案: |H| = −9.877 dB

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 = R/L = 100/0.0047 = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 10000/3386 = 2.953

增益

|H| = 1/√(1 + 2.953²) = 0.3207
20·log₁₀(0.3207) = −9.877 dB

答案

|H| = −9.877 dB
36.伯德图与裕度

答案: K = 643.4

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。

相位穿越

(ω/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7.348 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

所需增益

810/K = 102/20 = 1.259
K = 810/1.259 = 643.4

答案

K = 643.4
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 990

劳斯–赫尔维茨判据:当特征多项式的所有根都位于 s 平面左半部分时,线性系统是稳定的。把系数交替写入劳斯表的前两行。新一行的每个元素由上面两行得出;对于三次多项式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀,s¹ 行的元素为 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂。第一列中符号变化的次数等于右半平面内根的个数。当系数中含有增益 K 时,第一列的每个元素都必须保持为正:使 s¹ 行元素为零的增益就是稳定极限,此时 s² 行给出持续振荡的频率。

特征多项式

s³ + 15s² + 74s + 120 + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 74
s²: 15, 120 + K
s¹: (15·74 − 120 − K)/15
s⁰: 120 + K

条件

s¹ 行元素必须保持为正。

K < 15·74 − 120 = 990

答案

Kmax = 990

在极限处,回路以 ω = √74 = 8.602 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: si = −10.83

根轨迹:当增益 K 从 0 增大到 ∞ 时,闭环极点(即 1 + K·G(s) = 0 的根)从开环极点移向开环零点或无穷远。实轴上的某一点属于根轨迹,当且仅当其右侧的实极点和实零点的总数为奇数。趋向无穷远的 n − m 条分支沿渐近线延伸,渐近线的角度为 (2q + 1)·180°/(n − m),起点为重心 σₐ = (Σ极点 − Σ零点)/(n − m)。分支在 dK/ds = 0 处离开或汇入实轴。相角条件 ∠G(s) = 180° 决定轨迹的形状,幅值条件 K = 1/|G(s)| 给出轨迹上任意一点对应的增益。

实轴上的增益

K(s) = −(s² + 7s)/(s + 8)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 7)(s + 8) − (s² + 7s) = s² + 16s + 56 = 0
s = −8 ± √8 = −5.172, −10.83

汇合点

si = −10.83

答案

si = −10.83

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √8 = 2.828。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.5

稳态误差:在单位负反馈回路中,设开环传递函数为 G(s),则误差为 E(s) = R(s)/(1 + G(s)),由终值定理得 ess = lims→0 s·E(s)。系统型别是 G(s) 在 s = 0 处的极点个数。误差常数为 Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s) 和 Ka = lim s²·G(s),均取 s → 0。大小为 A 的阶跃输入给出 ess = A/(1 + Kp),斜坡 A·t 给出 A/Kv,抛物线 A·t²/2 给出 A/Ka。0 型回路跟踪阶跃有有限误差,1 型回路能无误差跟踪阶跃,跟踪斜坡则有有限误差。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 4

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 2/4 = 0.5

答案

ess = 0.5
40.稳态误差与 PID 控制

答案: Kp = 0.4

P、PI 和 PID 控制:控制器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s 作用于误差。比例增益使回路更快,并减小 0 型对象的误差,但无法将其消除。积分项增加一个 s = 0 处的极点:系统型别升高一级,阶跃输入可以被无误差地跟踪。微分项增加阻尼。选取增益时,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζωns + ωn² 比较。然后 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),tp = π/ωd,其中 ωd = ωn√(1 − ζ²),ts ≈ 4/(ζωn)。

特征多项式

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 4)。

s² + (4 + 10Kp)s + 10Ki

目标多项式

s² + 2·1·4s + 4² = s² + 8s + 16

匹配各项系数

4 + 10Kp = 8 → Kp = 0.4

答案

Kp = 0.4

积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。

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