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 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩIR2​AR4​8 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​20 ΩBR6​30 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 18 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​6 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 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 14.5 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩVA = 14.5 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 18 VV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 4 Ω+−VR1​R2​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R1 两端按图示极性的电压 VR1。

V1 = 10 VV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 ΩR5 = 12 Ω
VR1 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​20 Ω+−VR4​BIs​1.5 A

用叠加定理求 R4 两端按图示极性的电压 VR4。

V1 = 6 VIs = 1.5 AR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
VR4 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​6 VR3​6 ΩAIs​2 AB+−V2​30 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 6 VIs = 2 AV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 30 Ω
IR4 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​5 ABRL​15 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 15 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 = 6 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 100 ΩL150 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 2 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 5 VR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​6 Vt = 0R = 2.2 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 12 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 9.6 V?求 t。

Vs = 6 VR = 2.2 kΩC = 33 µFvC(0) = 12 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
12 V100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
24 V200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
230 V18 kW, 0.8227 kW, 0.85I

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 8 kW、功率因数为 0.8(滞后)的负载,以及一个 27 kW、功率因数为 0.85(滞后)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 230 VP1 = 8 kW, pf1 = 0.8 滞后P2 = 27 kW, pf2 = 0.85 滞后
cos φ =
16.交流功率和功率因数困难
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、50 Hz 电源吸取 25 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求新的线路电流 Inew。

P = 25 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VIL​ = 60 Acos φ = 0.9滞后

一个对称三相负载从线电压为 208 V 的电源取用 60 A 的线电流,功率因数为 0.9(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VIL = 60 Acos φ = 0.9
P = kW
18.三相电困难
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 60 kW,功率因数为 0.72(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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 60 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
RL​ = 8 Ω41480 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 4:1 的理想变压器,一次绕组加 480 V 电压。二次绕组两端接一个 8 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 8 Ω
I1 = A
20.变压器困难
100 kVA

一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 300 W,额定负载下铜损为 900 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 100 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 900 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4.7 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 21。

R1 = 4.7 kΩAv = 21
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = 1 VR1​ = 2 kΩV2​ = −1.8 VR3​ = 47 kΩR4​ = 1 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 电阻比不匹配。求输出电压 Vout。

V1 = 1 VV2 = −1.8 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩR3 = 47 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 4.7 kΩβ = 75VCC​ = 10 VRB​ = 680 kΩ

一只 β = 75 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 10 V 经基极电阻 RB = 680 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 4.7 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极–发射极电压 VCE。

VCC = 10 VRB = 680 kΩRC = 4.7 kΩβ = 75VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 150IC​ = ?VCC​ = 12 V3.3 VRB​ = 220 kΩ

一只 β = 150 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 12 V 与其集电极之间的 330 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 = 220 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 = 330 Ωβ = 150Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 220 kΩ
IC = mA
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −14。按无符号数读取,该位模式的值 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 0100 0011 >> 2 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0100 0011>> 2
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010011312040517160120130151140809011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 6, 7, 14) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 6, 7, 14)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101001030204151706012013115X14X819011010

求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 7, 9, 15) + d(8, 14) 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(0, 5, 7, 9, 15) + d(8, 14)
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) = 50/(s(s + 3)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = 50/(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 = 0.3y(0.3) = ?

某系统满足 y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t),y(0) = 3,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 1。用拉普拉斯变换求 y(0.3)。

y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.3 s
y(0.3) =
31.方框图中等
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 10)) 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(s + 10))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+8s + 9被控对象C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 8/(s + 9)。在 R = 0 时,大小为 0.5 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 0.02222 的最小增益 K。

G(s) = 8/(s + 9)D = 0.5css ≤ 0.02222
K =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3?

某系统的传递函数为 G(s) = 45/(s² + 2s + 15),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 45/(s² + 2s + 15)
%OS = %
34.阶跃响应困难
R(s)+170s(s + 10)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 170/(s(s + 10))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 170/(s(s + 10))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
vin​R = 3.3 kΩC = 47 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 3.3 kΩ, C = 47 nF。输入为2.1 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 3.3 kΩC = 47 nFf = 2.1 kHz
φ = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−100−80−60−40−20020ω (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 + 9))。 求给出 20 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 9))GM = 20 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+7201s(s + 4)(s + 5)C(s)−

图中的回路采用负反馈,L(s) = 720/(s(s + 4)(s + 5))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 720/(s(s + 4)(s + 5))
N =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−40.5j0.5j1

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −2 之间离开实轴。求分离点 sb。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5t+10(s + 4)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

斜坡 r(t) = 5t 加到 G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 4)(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 502s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 50 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 10))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 2/(s(s + 10))K = 50
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.7143 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​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​15 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 15·12/(15+12) = 6.667 Ω
Req = R1 + 6.667 = 12 + 6.667 = 18.67 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 = 30/18.67 = 1.607 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 = 30 − 1.607·12 = 10.71 V
IR2 = VA/R2 = 10.71/15 = 0.7143 A

答案

IR2 = 0.7143 A
2.串并联电阻

答案: IR1 = 0.6714 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​ = 4 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​20 ΩBR6​30 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 15 Ω
R3 + 15 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 1.81 Ω
Req = R1 + 1.81 = 25 + 1.81 = 26.81 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 = 18/26.81 = 0.6714 A

答案

IR1 = 0.6714 A
3.节点分析

答案: PIs = 20.38 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/6 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/10 = 0
0.3917·VA − 0.1·VB = 0.75

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)/10 = 1.5
−0.1·VA + 0.15·VB = 1.5

求解

Δ = (0.3917)(0.15) − (−0.1)(−0.1) = 0.04875
VA = Δ1/Δ = 0.2625/0.04875 = 5.385 V
VB = Δ2/Δ = 0.6625/0.04875 = 13.59 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 = 13.59·1.5 = 20.38 W

答案

PIs = 20.38 W
4.节点分析

答案: Is = 10.68 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。

节点 A 的 KCL

VA 已知,所以这个方程给出 VB。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(14.5 − 12)/20 + 14.5/3 = (VB − 14.5)/4
4.958 = (VB − 14.5)/4 → VB = 34.33 V

节点 B 的 KCL

经电阻从 B 流出的电流等于电源注入 B 的电流。

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (34.33 − 14.5)/4 + 34.33/6 = 10.68 A

答案

Is = 10.68 A
5.网孔分析

答案: I2 = −1.389 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​ = 12 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩA+−V2​30 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
12·I1 + 20(I1 − I2) = 18
32·I1 − 20·I2 = 18

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
6·I2 + 20(I2 − I1) = (−30)
−20·I1 + 26·I2 = −30

求解

Δ = (32)(26) − (−20)(−20) = 432
I1 = Δ1/Δ = −132/432 = −0.3056 A
I2 = Δ2/Δ = −600/432 = −1.389 A

答案

I2 = −1.389 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR1 = −0.7521 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​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 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
4·I1 + 20(I1 − I2) = 10
24·I1 − 20·I2 = 10

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
5·I2 + 20(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 37·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
5·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 17·I3 = −24

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 4840
I1 = Δ1/Δ = −910/4840 = −0.188 A
I2 = Δ2/Δ = −3512/4840 = −0.7256 A
I3 = Δ3/Δ = −9312/4840 = −1.924 A

答案

IR1 = I1 = −0.188 A
VR1 = IR1·R1 = −0.188·4 = −0.7521 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR4 = 13.07 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​20 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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·28/(8+28) = 6.222 Ω
VA = 6·6.222/(5+6.222) = 3.327 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.327·20/28 = 2.376 V
VR4′ = VB − 0 = 2.376 − 0 = 2.376 V
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​1.5 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 = 5·8/(5+8) = 3.077 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 11.08 = 7.129 Ω
VB = Is·Req = 1.5·7.129 = 10.69 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10.69·3.077/11.08 = 2.97 V
VR4″ = VB − 0 = 10.69 − 0 = 10.69 V

叠加各分量

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 2.376 + 10.69 = 13.07 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 = −0.4677 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​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​6 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) = 6 ∥ 32 = 5.053 Ω
VA = 6·5.053/(8+5.053) = 2.323 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.323·30/32 = 2.177 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (2.177 − 0)/30 = 0.07258 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​6 ΩAIs​2 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 = 3.429 Ω,所以左侧路径为 R2+3.429 = 5.429 Ω
Req = R4 ∥ 5.429 = 4.597 Ω
VB = Is·Req = 2·4.597 = 9.194 V
VA = VB·3.429/5.429 = 5.806 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (9.194 − 0)/30 = 0.3065 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​6 ΩA开路B+−V2​30 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 = 8·6/(8+6) = 3.429 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·5.429/35.43 = 4.597 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4.597·3.429/5.429 = 2.903 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (4.597 − 30)/30 = −0.8468 A

叠加各分量

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.07258 + 0.3065 + (−0.8468) = −0.4677 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: Vth = 1.765 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​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​5 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 = 12·5/(12+5) = 3.529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.529 + 3 = 6.529 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​5 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) = 6·5/(12+5) = 1.765 V
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.87 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​10 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 3 = 8 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 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) = 3 + 5·5 = 28 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28 + 5·3 = 43 V
Rth​ = 8 Ω+−Vth​43 VRL​15 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) = 43/(8 + 15) = 1.87 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 1.318 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 / 100 Ω = 1.5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/100 = 0.05 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 = 5·e−2/1.5 = 1.318 V

答案

vL = 1.318 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 37.09 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。

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 2.2 kΩ · 33 µF = 72.6 ms
vC(t) = 6 + (12 − 6)·e−t/τ

求解时间

9.6 = 6 + (6)·e−t/τ → e−t/τ = (9.6 − 6)/(12 − 6) = 0.6
t = τ·ln((12 − 6)/(9.6 − 6)) = 72.6·ln(1.667) = 37.09 ms

答案

t = 37.09 ms
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1879 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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.15 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·22·10⁻⁶) = 72.34 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (21.9)²) = 63.87 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/63.87 = 0.1879 A

答案

I = 0.1879 A
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.03542 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.1 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795.8 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−670.1)²) = 677.5 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/677.5 = 0.03542 A

答案

I = 0.03542 A
15.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.8386

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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 8·tan(arccos 0.8) = 6 kvar
Q2 = 27·tan(arccos 0.85) = 16.73 kvar

总计

P = 8 + 27 = 35 kW
Q = 6 + 16.73 = 22.73 kvar
S = √(35² + 22.73²) = 41.73 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 35/41.73 = 0.8386 滞后

答案

cos φ = 0.8386
16.交流功率和功率因数

答案: Inew = 69.44 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。

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 = 25·tan(41.41°) = 22.05 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(25.84°) = 12.11 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9.94 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(400·0.9) = 69.44 A

答案

Inew = 69.44 A
17.三相电

答案: P = 19.45 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 = √3·208·60 = 21.62 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 21.62·0.9 = 19.45 kW

答案

P = 19.45 kW
18.三相电

答案: QC = 32.27 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 0.72) = 60·0.9639 = 57.83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 32.27 kvar

答案

QC = 32.27 kvar
19.变压器

答案: I1 = 3.75 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 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/8 = 15 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/4 = 3.75 A

答案

I1 = 3.75 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 128 Ω,480/128 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Sη,max = 57.74 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

x²·900 = 300 → x = √(300/900) = 0.5774

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5774·100 = 57.74 kVA

答案

Sη,max = 57.74 kVA
21.运放电路

答案: Rf = 94 kΩ

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。

同相放大器的增益

V₋ = V₊ = Vin,且流过 R₁ 的电流也流过 Rf,所以 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (21 − 1)·4.7 = 94 kΩ

答案

Rf = 94 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = −0.5563 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

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −1.8·1/(47 + 1) = −0.0375 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时,V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时,V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

Vout = −(1/2)·1 + (1 + 1/2)·(−0.0375) = −0.5 + (−0.05625) = −0.5563 V

答案

Vout = −0.5563 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 5.179 V

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。

基极电流

IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0.7)/680 kΩ = 13.68 µA

集电极电流

IC = β·IB = 75·13.68 µA = 1.026 mA

集电极–发射极电压

VCE = 10 − 1.026 mA·4.7 kΩ = 5.179 V

答案

VCE = 5.179 V
24.二极管与晶体管

答案: IC = 1.773 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)/220 kΩ = 11.82 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 = 1.773 mA
IC(sat) = (12 − 0.2)/330 = 35.76 mA

集电极电流

IC = β·IB = 1.773 mA

答案

IC = 1.773 mA

晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。

25.数制

答案: U = 242

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。

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 = 16

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

右移 2 位,把每一位向右移动 2 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

0100 0011 >> 2
= 0001 0000

结果的值

0001 0000₂ = 16

答案

R = 16
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 8

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。

ABCD000111100001111010011312040517160120130151140809011010

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

BCD′
A′C
A′B′D′

最简 SOP 形式

F = BCD′ + A′C + A′B′D′
L = 8

答案

L = 8
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 12

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。

B′C′D′, BCD, A′BD, AB′C′, ABC
ABCD00011110000111101001030204151706012013115X14X819011010

最小覆盖

F = B′C′D′ + BCD + A′BD + AB′C′
L = 12

答案

L = 12

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) = 1.67

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 = 50/(3·4) = 4.167
B = 50/((−3)·1) = −16.67
C = 50/((−4)·(−1)) = 12.5

逆变换

f(t) = 4.167 − 16.67·e−3t + 12.5·e−4t

求值

f(0.4) = 4.167 − 16.67·e−3·0.4 + 12.5·e−4·0.4 = 1.67

答案

f(0.4) = 1.67
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.3) = 3.167

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 + 5s + 6)·Y(s) = 3s + 15 + 24/s
Y(s) = (3s² + 15s + 24)/(s(s + 2)(s + 3))

部分分式

A = 24/(2·3) = 4
B = 6/((−2)·1) = −3
C = 6/((−3)·(−1)) = 2

结果

y(t) = 4 − 3·e−2t + 2·e−3t
y(0.3) = 3.167

答案

y(0.3) = 3.167

检验:y(0) = A + B + C = 3。

31.方框图

答案: K = 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(s + 10)) = 0 → s² + 10s + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

10² = 4K → K = 100/4 = 25

答案

K = 25
此时两个闭环极点都在 s = −5。
32.方框图

答案: K = 21.38

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)。

扰动响应

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 0.5·8/(9 + 8K)

解出 K

9 + 8K = 0.5·8/0.02222 = 180
K = (180 − 9)/8 = 21.38

答案

K = 21.38
33.阶跃响应

答案: %OS = 43.19 %

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 = 15 → ωₙ = 3.873 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·3.873) = 0.2582

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.8396 = 43.19 %

答案

%OS = 43.19 %
34.阶跃响应

答案: ts = 0.8 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) = 170/(s² + 10s + 170): ωₙ = 13.04 rad/s, ζ = 0.3835

调节时间

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.8 s

答案

ts = 0.8 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: φ = −63.96 °

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/(3300·4.7 × 10⁻⁸) = 6447 rad/s
fc = 1026 Hz → f/fc = 2100/1026 = 2.046

相位

φ = − atan(2.046) = −63.96°

答案

φ = −63.96°
36.伯德图与裕度

答案: K = 9

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/9) = 1 → ω180 = √(1·9) = 3 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 81)) = K/(1·9·(1 + 9)) = K/90

所需增益

90/K = 1020/20 = 10
K = 90/10 = 9

答案

K = 9
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: N = 2

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 + 9s² + 20s + 720 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 20
s²: 9, 720
s¹: −60
s⁰: 720

第一列中的符号变化

1 → 9 → −60 → 720
N = 2

答案

N = 2

增益超过了极限 K = 180,所以一对复极点已经越过虚轴进入右半平面。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −0.7847

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) = −s(s + 2)(s + 3) = −(s³ + 5s² + 6s)

驻点

dK/ds = −(3s² + 10s + 6) = 0
s = (−10 ± √(100 − 72))/6 = −0.7847, −2.549

选出在根轨迹上的点

根轨迹位于实轴上 0 与 −2 之间;另一个根不在根轨迹上。

sb = −0.7847

答案

sb = −0.7847
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 2.5

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) = 2

斜坡误差

ess = 5/2 = 2.5

答案

ess = 2.5
40.稳态误差与 PID 控制

答案: tp = 0.3628 s

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 + 10) + 50·2 = s² + 10s + 100

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 10/(2·10) = 0.5

峰值时间

ωd = 10·√(1 − 0.5²) = 8.66 rad/s
tp = π/8.66 = 0.3628 s

答案

tp = 0.3628 s

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