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
- 从离端子最远的网络末端开始。
- 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
- 每一步之后重新画电路。
- 重复直到端子之间只剩一个电阻。
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。
求流过 R2 的电流 IR2。
求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。
用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。
用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。
用网孔分析法求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。
用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。
用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。
用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。
求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。
在 a–b 之间接入负载 RL = 4 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。
开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时的电流 i。
跨接在 R2 两端的开关已闭合很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关断开。 求 t = 1 ms 时的电感电流 i。
一个电阻和一个电感并联接在 24 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。
一个串联 RLC 电路接在 10 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。
一台单相电动机从 400 V 电源吸取 32 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求线路电流 I。
一个 230 V(有效值)、50 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 25 + j10 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。
一个对称三相负载从线电压为 480 V 的电源取用 120 A 的线电流,功率因数为 0.95(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。
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 0.65(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(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。
一台匝数比 N₁:N₂ = 2:1 的理想变压器,一次绕组加 480 V 电压。二次绕组两端接一个 48 Ω 的电阻。求一次电流 I1。
一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 1800 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?
差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放,其中 R3 = R1,R4 = R2。 求反相输入端的电压 V−。
积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±12 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = −2.8 V 时,电容未充电。 求 t = 0.5 ms 时的输出电压 Vout。
一个 12 V 的齐纳稳压器通过 470 Ω 接到 20 V,并向 1000 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。
一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 12 V 与其集电极之间的 220 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 3.3 V 逻辑输出经基极电阻 RB = 33 kΩ 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求输入为高电平时的集电极电流 IC,以 mA 计。先判断晶体管是否饱和。
8 位模式 1001 0010 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?
24 位补码能存储的最小(最负)整数 N 是多少?
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。
一个上升沿触发的 D 触发器从 Q = 0 开始,在 6 个时钟上升沿接收到所示的输入。Q 改变状态的次数 N 是多少?
用配方法求 F(s) = (3s + 11)/(s² + 2s + 2) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。
某系统满足 y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t),y(0) = 1,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 2。用拉普拉斯变换求 y(0.75)。
被控对象 G(s) = 20/(s + 1) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 2。 求闭环的时间常数 τ。
被控对象 G(s) = K/(s(s + 8)(s + 10)) 放在单位负反馈回路中。 用劳斯–赫尔维茨判据求使闭环稳定的最大增益 Kmax。
某系统的传递函数为 G(s) = 105/(s² + 6s + 35),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。
单位负反馈回路的 G(s) = 20/(s(s + 4))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。
求 G(s) = 17(s + 4)/(s(s + 12)) 在 ω = 1 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。
一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))。 求给出 8 dB 增益裕度的增益 K。
某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1)(s + 2)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。
L(s) = K(s + 10)/(s(s + 6)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −6 之间离开实轴,绕一圈后在零点左侧再次汇入实轴。求分离点 sb。
某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 5)),必须以 0.5 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 1t。求增益 K。
比例控制器 K 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 2))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.6 的增益 K。
答案: IR2 = 0.2409 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。
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。
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。
减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。
答案: IR1 = 0.3962 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。
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。
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。
答案: VB = 19.36 V
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。
地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 30 V)。未知量:VA, VB。
经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。
经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。
答案: IR1 = 0.1218 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。
地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 9 V, V2 = 5 V)。未知量:VA, VB。
经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。
经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。
答案: VR3 = 5.053 V
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。
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。
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 +)。
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 +)。
网孔电流为负表示逆时针流动。
答案: I2 = −0.6995 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。
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。
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 +)。
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 +)。
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 +)。
网孔电流为负表示逆时针流动。
答案: PR2 = 0.3225 W
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。
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。
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。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。
功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。
把各单独情况下的功率相加会得到 4.192 W,这是错误的。
答案: PR2 = 10.54 W
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。
V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。
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。
V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。
功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。
把各单独情况下的功率相加会得到 31.7 W,这是错误的。
答案: Rth = 5.714 Ω
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。
电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。
答案: PL = 14.32 W
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。
电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。
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。
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。
答案: i = 0.4852 A
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。
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。
答案: i = 0.3046 A
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。
在 t = 0 之前,闭合的开关把 R₂ 旁路;之后 R₁ 和 R₂ 都在回路中。
答案: I = 0.8008 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。
两条支路都直接接在电源两端,所以每条支路都承受全部电压 V。
电阻电流与 V 同相,电抗电流与 V 相差 90°,所以它们按直角三角形的两边合成。
答案: VC = 9.687 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。
串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。
串联电路中每个元件流过相同电流。
答案: I = 88.89 A
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。
只有有功部分做功,所以要除以功率因数。
答案: Pmax = 529 W
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。
负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。
答案: P = 94.78 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。
答案: Cph = 198.7 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。
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。
在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。
答案: I1 = 2.5 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。
理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。
验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 192 Ω,480/192 得到相同的电流。
答案: Sη,max = 86.6 kVA
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。
答案: V− = −1.754 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。
R₃ 和 R₄ 流过相同的电流,所以构成分压器;反馈使 V₋ = V₊。
答案: Vout = 1.354 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。
kΩ 乘以 µF 得到毫秒。
理想值在 ±Vsat 以内,所以积分器尚未限幅。
答案: IZ = 5.021 mA
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。
答案: IC = 6.303 mA
BJT 用作开关:要使负载完全导通,晶体管须驱动到饱和,此时 VCE = VCE(sat),集电极电流由负载决定:IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC。饱和至少需要 IB = IC(sat)/β。若基极电流更小,晶体管仍处于放大区,IC = β·IB。
β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。
晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。
答案: N = −110
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。
其余各位保持正常的正权值。
答案: N = −8.389 × 10⁶
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。
答案: AB = 10, CD = 11
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。
有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。
答案: N = 6
触发器与计数器:触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D);T 在 T = 1 时翻转;JK 在 00 时保持,01 时复位,10 时置位,11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态,按模 2ⁿ 计数;模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0,需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半,所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 fclk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态,环形计数器有 n 个。
D 触发器在每个上升沿复制 D:Q⁺ = D。
答案: f(0.1) = 3.424
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)。
答案: y(0.75) = 2.032
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)。
检验:y(0) = A + B + C = 1。
答案: τ = 0.02439 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)。
答案: Kmax = 1440
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)。
第一列的所有元素都必须为正。
答案: tp = 0.6161 s
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)。
分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。
答案: ts = 2 s
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)。
对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。
答案: ∠G(jω) = −80.73 °
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。
答案: K = 28.66
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。
答案: Kmax = 1.5
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。
如果零点位于 s = −3 的右侧,则对所有 K > 0 回路都保持稳定。
答案: sb = −3.675
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。
用商的求导法则求导,并令分子为零。
在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √40 = 6.325。
答案: K = 10
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。
增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.7906。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。
答案: K = 0.6944
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)。
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