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​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩIR2​AR4​8 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBR6​3 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 ΩR6 = 3 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.节点分析困难
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​25 ΩAR5​6 ΩBIs​2 A+−V2​5 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VIs = 2 AV2 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 25 ΩR4 = 8 ΩR5 = 6 Ω
IR1 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​2 Ω+−VR3​A+−V2​12 VI1​I2​

用网孔分析法求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 Ω
VR3 = V
6.网孔分析困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR4​5 ΩAR5​25 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 15 VV2 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 ΩR5 = 25 Ω
I2 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩIR2​AR4​6 ΩBIs​4 A

用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
PR2 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R4​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​2 ΩAIs​2.5 AB−+V2​12 V

用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。

V1 = 24 VIs = 2.5 AV2 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 Ω
PR2 = W
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​2 ABRL​4 ΩIL​

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。

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​24 Vt = 0R = 33 ΩL150 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时的电流 i。

Vs = 24 VR = 33 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 VR1​ = 47 ΩR2​ = 20 Ω在 t = 0 断开L22 mHi(t)

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。

Vs = 20 VR1 = 47 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
13.交流阻抗和相量中等
24 V100 HzR = 100 ΩL = 50 mHI

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。

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 50 mH
I = A
14.交流阻抗和相量困难
10 V60 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 100 µF+−VC​

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。

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 100 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 32 kWQSφ

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。

P = 32 kWpf = 0.9V = 400 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
230 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

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。

Vs = 230 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j10 Ω
Pmax = W
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = 120 Acos φ = 0.95滞后

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。

VL = 480 VIL = 120 Acos φ = 0.95
P = kW
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 0.65(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。

P = 120 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 48 Ω21480 VV2​I1​ = ?I2​

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。

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 48 Ω
I1 = A
20.变压器困难
150 kVA

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?

S = 150 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1800 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 4.7 kΩV1​ = 0.6 VR1​ = 2 kΩV2​ = −2.5 VR3​ = 2 kΩR4​ = 4.7 kΩ

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−。

V1 = 0.6 VV2 = −2.5 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 4.7 kΩ
V− = V
22.运放电路困难
−+Vout​C = 0.47 µFVin​ = −2.8 VR = 2.2 kΩ

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。

Vin = −2.8 VR = 2.2 kΩC = 0.47 µFVsat = ±12 Vt = 0.5 ms
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−20 V470 Ω12 V1000 ΩIZ​ = ?

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。

Vin = 20 VVZ = 12 VR = 470 ΩRL = 1000 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 220 Ωβ = 80IC​ = ?VCC​ = 12 V3.3 VRB​ = 33 kΩ

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。

VCC = 12 VRC = 220 Ωβ = 80Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 33 kΩ
IC = mA
25.数制中等
补码中的位权1−12806403211608041201

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?

1001 00108 bit
N =
26.数制困难
24 位补码, N = ??符号位???????????????????????

24 位补码能存储的最小(最负)整数 N 是多少?

24 bit
N =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111011111111

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(0, 2, 4, 5, 11, 12, 13, 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
CLKD123456

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?

Q₀ = 0D
N =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−40.51

用配方法求 F(s) = (3s + 11)/(s² + 2s + 2) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (3s + 11)/(s² + 2s + 2)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.75y(0.75) = ?

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)。

y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.75 s
y(0.75) =
31.方框图中等
R(s)+20s + 1G(s)C(s)2H−

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。

G(s) = 20/(s + 1)H = 2
τ = s
32.方框图困难
R(s)+Ks(s + 8)(s + 10)G(s)C(s)−

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。

G(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))单位负反馈
Kmax =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3tp​ = ?

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。

G(s) = 105/(s² + 6s + 35)
tp = s
34.阶跃响应困难
R(s)+20s(s + 4)G(s)C(s)−

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。

G(s) = 20/(s(s + 4))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 1

求 G(s) = 17(s + 4)/(s(s + 12)) 在 ω = 1 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 17(s + 4)/(s(s + 12))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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 + 1)(s + 8))。 求给出 8 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))GM = 8 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 7s(s + 1)(s + 2)C(s)−

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 + 7)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

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。

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 6))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 1t+Ks(s + 5)C(s)−

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。

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 1tess = 0.5
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K4s(s + 2)C(s)−

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。

G(s) = 4/(s(s + 2))ζ = 0.6
K =

3溶液

1.串并联电阻

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。

R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​8 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 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 20·11/(20+11) = 7.097 Ω
Req = R1 + 7.097 = 15 + 7.097 = 22.1 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 = 15/22.1 = 0.6788 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0.6788·15 = 4.818 V
IR2 = VA/R2 = 4.818/20 = 0.2409 A

答案

IR2 = 0.2409 A
2.串并联电阻

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。

R1​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBR6​3 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 = 6 + 3 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 3.6 Ω
R3 + 3.6 = 15.6 Ω
R2 ∥ 15.6 = 5.288 Ω
Req = R1 + 5.288 = 25 + 5.288 = 30.29 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 = 12/30.29 = 0.3962 A

答案

IR1 = 0.3962 A
3.节点分析

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。

R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

设定节点

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。

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/20 + (VA − 30)/12 + (VA − VB)/2 = 0
0.6333·VA − 0.5·VB = 2.5

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/10 + (VB − VA)/2 = 2
−0.5·VA + 0.6·VB = 2

求解

Δ = (0.6333)(0.6) − (−0.5)(−0.5) = 0.13
VA = Δ1/Δ = 2.5/0.13 = 19.23 V
VB = Δ2/Δ = 2.517/0.13 = 19.36 V

答案

VB = 19.36 V
4.节点分析

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。

R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​25 ΩAR5​6 ΩBIs​2 A+−V2​5 V

设定节点

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。

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/25 + (VA − 9)/10 + (VA − VB)/3 = 0
0.4733·VA − 0.3333·VB = 0.9

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/6 + (VB − VA)/3 + (VB − 5)/8 = 2
−0.3333·VA + 0.625·VB = 2.625

求解

Δ = (0.4733)(0.625) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.1847
VA = Δ1/Δ = 1.438/0.1847 = 7.782 V
VB = Δ2/Δ = 1.542/0.1847 = 8.35 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 7.782)/10 = 0.1218 A
5.网孔分析

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。

R1​ = 6 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​2 ΩA+−V2​12 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 + 2(I1 − I2) = 15
8·I1 − 2·I2 = 15

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 + 2(I2 − I1) = (−12)
−2·I1 + 10·I2 = −12

求解

Δ = (8)(10) − (−2)(−2) = 76
I1 = Δ1/Δ = 126/76 = 1.658 A
I2 = Δ2/Δ = −66/76 = −0.8684 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 2.526 A
VR3 = IR3·R3 = 2.526·2 = 5.053 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

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。

R1​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR4​5 ΩAR5​25 ΩB+−V2​18 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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 15
8·I1 − 5·I2 = 15

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
2·I2 + 5(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 32·I2 − 25·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
5·I3 + 25(I3 − I2) = (−18)
−25·I2 + 30·I3 = −18

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 1930
I1 = Δ1/Δ = 2775/1930 = 1.438 A
I2 = Δ2/Δ = −1350/1930 = −0.6995 A
I3 = Δ3/Δ = −2283/1930 = −1.183 A

答案

I2 = −0.6995 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

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。

R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​6 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 = 12+6 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·18/(12+18) = 7.2 Ω
VA = 10·7.2/(5+7.2) = 5.902 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5.902·6/18 = 1.967 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (5.902 − 0)/12 = 0.4918 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​12 ΩAR4​6 ΩBIs​4 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。 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。

R1 ∥ R2 = 5·12/(5+12) = 3.529 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 15.53 = 4.328 Ω
VB = −Is·Req = −4·4.328 = −17.31 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −17.31·3.529/15.53 = −3.934 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (−3.934 − 0)/12 = −0.3279 A

把电流的各个贡献相加

IR2 = IR2′ + IR2″ = 0.4918 + (−0.3279) = 0.1639 A

电阻中的功率

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。

PR2 = IR2²·R2 = 0.1639²·12 = 0.3225 W

答案

PR2 = 0.3225 W

把各单独情况下的功率相加会得到 4.192 W,这是错误的。

8.叠加定理

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。

R1​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​2 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) = 2 ∥ 40 = 1.905 Ω
VA = 24·1.905/(4+1.905) = 7.742 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7.742·20/40 = 3.871 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (7.742 − 3.871)/20 = 0.1935 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 20 Ω短路R3​2 ΩAIs​2.5 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 = 1.333 Ω,所以左侧路径为 R2+1.333 = 21.33 Ω
Req = R4 ∥ 21.33 = 10.32 Ω
VB = Is·Req = 2.5·10.32 = 25.81 V
VA = VB·1.333/21.33 = 1.613 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (1.613 − 25.81)/20 = −1.21 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 20 Ω短路R3​2 ΩA开路B−+V2​12 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 = 4·2/(4+2) = 1.333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·21.33/41.33 = −6.194 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −6.194·1.333/21.33 = −0.3871 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−0.3871 − −6.194)/20 = 0.2903 A

把电流的各个贡献相加

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴ = 0.1935 + (−1.21) + 0.2903 = −0.7258 A

电阻中的功率

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。

PR2 = IR2²·R2 = (−0.7258)²·20 = 10.54 W

答案

PR2 = 10.54 W

把各单独情况下的功率相加会得到 31.7 W,这是错误的。

9.戴维南和诺顿

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。

R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​2 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 = 12·2/(12+2) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 4 = 5.714 Ω
10.戴维南和诺顿

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。

R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​15 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 = 12·15/(12+15) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 12 = 18.67 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​2 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) = 5.556 + 2·6.667 = 18.89 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18.89 + 2·12 = 42.89 V
Rth​ = 18.67 Ω+−Vth​42.89 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) = 42.89/(18.67 + 4) = 1.892 A
PL = IL²·RL = 1.892²·4 = 14.32 W
11.RC 和 RL 暂态

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。

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 / 33 Ω = 4.545 ms
i(∞) = Vs/R = 24/33 = 0.7273 A

给定时刻的电流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.7273·(1 − e−5/4.545) = 0.4852 A

答案

i = 0.4852 A
12.RC 和 RL 暂态

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。

初始值、终值、时间常数

在 t = 0 之前,闭合的开关把 R₂ 旁路;之后 R₁ 和 R₂ 都在回路中。

i(0) = 20/47 = 0.4255 A
i(∞) = 20/(47 + 20) = 0.2985 A
τ = L/R = 22/67 = 0.3284 ms
i(t) = 0.2985 + (0.4255 − 0.2985)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(1) = 0.2985 + (0.127)·e−1/0.3284 = 0.3046 A

答案

i = 0.3046 A
13.交流阻抗和相量

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。

电抗

XL = ωL = 2π·100·0.05 = 31.42 Ω

支路电流

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。

IR = V/R = 24/100 = 0.24 A
IX = V/XL = 24/31.42 = 0.7639 A

总电流

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。

I = √(IR² + IX²) = √(0.24² + 0.7639²) = 0.8008 A

答案

I = 0.8008 A
14.交流阻抗和相量

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。

电抗

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.1 = 37.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26.53 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (11.17)²) = 27.38 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 10/27.38 = 0.3652 A

电容电压

VC = I·XC = 0.3652·26.53 = 9.687 V

答案

VC = 9.687 V
15.交流功率和功率因数

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。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 32000/(400·0.9) = 88.89 A

答案

I = 88.89 A
16.交流功率和功率因数

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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 25 − j10 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 230/50 = 4.6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·25) = 529 W

答案

Pmax = 529 W
17.三相电

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。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·480·120 = 99.77 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 99.77·0.95 = 94.78 kW

答案

P = 94.78 kW
18.三相电

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。

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 0.65) = 120·1.169 = 140.3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 89.18 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) = 29725/(314.2·690²) = 198.7 µF

答案

Cph = 198.7 µF
19.变压器

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。

二次电压和电流

V2 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/48 = 5 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/2 = 2.5 A

答案

I1 = 2.5 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 192 Ω,480/192 得到相同的电流。

20.变压器

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。

铜损等于铁损

x²·1800 = 600 → x = √(600/1800) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·150 = 86.6 kVA

答案

Sη,max = 86.6 kVA
21.运放电路

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。

输入端的电压

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流,所以构成分压器;反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −2.5·4.7/(2 + 4.7) = −1.754 V
V₋ = V₊

答案

V− = −1.754 V
22.运放电路

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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 2.2 kΩ · 0.47 µF = 1.034 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −(−2.8)/1.034 = 2.708 V/ms

给定时刻的输出

理想值在 ±Vsat 以内,所以积分器尚未限幅。

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2.8)·0.5/1.034 = 1.354 V

答案

Vout = 1.354 V
23.二极管与晶体管

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。

电阻电流

IR = 8/470 = 17.02 mA

负载电流

IL = 12/1000 = 12 mA

齐纳电流

IZ = 17.02 − 12 = 5.021 mA

答案

IZ = 5.021 mA
24.二极管与晶体管

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。

基极电流

IB = (3.3 − 0.7)/33 kΩ = 78.79 µA

饱和还是放大?

β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。

β·IB = 6.303 mA
IC(sat) = (12 − 0.2)/220 = 53.64 mA

集电极电流

IC = β·IB = 6.303 mA

答案

IC = 6.303 mA

晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。

25.数制

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。

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

−128 + 16 + 2 = −110

答案

N = −110
26.数制

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。

最负值

−223 = −8388608

答案

N = −8388608
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

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。

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。

m11: m10, m9, m15, m3 → 0
ABCD000111100001111011111111

孤立的 1

m11 = AB′CD → AB = 10, CD = 11

答案

AB = 10, CD = 11
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

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。

每个边沿之后的 Q

D 触发器在每个上升沿复制 D:Q⁺ = D。

1: D = 1 → Q = 1
2: D = 0 → Q = 0
3: D = 1 → Q = 1
4: D = 0 → Q = 0
5: D = 1 → Q = 1
6: D = 0 → Q = 0

数出变化的次数

0 → 1 → 0 → 1 → 0 → 1 → 0
N = 6

答案

N = 6
29.拉普拉斯变换

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)。

配方

s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1 = (s + 1)² + 1²

匹配分子

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (8/1)·1/((s + 1)² + 1²)

逆变换

f(t) = e−t·(3·cos 1t + 8·sin 1t)
f(0.1) = e−0.1·(3·cos(1·0.1) + 8·sin(1·0.1)) = 3.424

答案

f(0.1) = 3.424
30.拉普拉斯变换

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)。

对方程做变换

(s² + 4s + 3)·Y(s) = 1s + 4 + 12/s
Y(s) = (s² + 4s + 12)/(s(s + 1)(s + 3))

部分分式

A = 12/(1·3) = 4
B = 9/((−1)·2) = −4.5
C = 9/((−3)·(−2)) = 1.5

结果

y(t) = 4 − 4.5·e−t + 1.5·e−3t
y(0.75) = 2.032

答案

y(0.75) = 2.032

检验:y(0) = A + B + C = 1。

31.方框图

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)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 20/(s + 1 + 40) = 20/(s + 41)

结果

τ = 1/41 = 0.02439 s

答案

τ = 0.02439 s
32.方框图

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)。

特征方程

s³ + 18s² + 80s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 80
s² | 18 K
s¹ | (18·80 − K)/18
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 18·80 = 1440

答案

Kmax = 1440
33.阶跃响应

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)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 35 → ωₙ = 5.916 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5.916) = 0.5071

结果

ωd = 5.916·√(1 − 0.5071²) = 5.099 rad/s → tp = π/ωd = 0.6161 s

答案

tp = 0.6161 s
34.阶跃响应

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)。

闭环传递函数

T(s) = 20/(s² + 4s + 20): ωₙ = 4.472 rad/s, ζ = 0.4472

调节时间

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

答案

ts = 2 s

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。

35.伯德图与裕度

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。

把各角度相加

∠G = atan(1/4) − 90° − atan(1/12) = 14.04° − 90° − 4.764°

结果

∠G(j1) = −80.73°

答案

∠G(jω) = −80.73°
36.伯德图与裕度

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。

相位穿越

(ω/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2.828 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 64)) = K/(1·8·(1 + 8)) = K/72

所需增益

72/K = 108/20 = 2.512
K = 72/2.512 = 28.66

答案

K = 28.66
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

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。

特征多项式

s(s + 1)(s + 2) + K(s + 7) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 7K

劳斯阵列

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 7K
s¹: (3·(2 + K) − 7K)/3
s⁰: 7K

条件

6 − 4K > 0
K < 6/4 = 1.5

答案

Kmax = 1.5

如果零点位于 s = −3 的右侧,则对所有 K > 0 回路都保持稳定。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

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。

实轴上的增益

K(s) = −(s² + 6s)/(s + 10)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 6)(s + 10) − (s² + 6s) = s² + 20s + 60 = 0
s = −10 ± √40 = −3.675, −16.32

分离点

sb = −3.675

答案

sb = −3.675

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。

39.稳态误差与 PID 控制

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。

所需速度误差常数

Kv = A/ess = 1/0.5 = 2

增益

K = 5·Kv = 10

答案

K = 10

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。

40.稳态误差与 PID 控制

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)。

特征多项式

s(s + 2) + 4K = s² + 2s + 4K

固有频率

2·0.6·ωₙ = 2 → ωₙ = 1.667 rad/s

增益

4K = ωₙ² = 2.778 → K = 0.6944

答案

K = 0.6944

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