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​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​20 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBR6​12 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​4 ΩAR5​2 ΩBIs​4 A+−V2​5 V

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 10 VIs = 4 AV2 = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 ΩR5 = 2 Ω
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​24 VR3​12 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR4​12 ΩAR5​12 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 6 VV2 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 ΩR5 = 12 Ω
I1 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​8 ΩIR4​BIs​3 A

用叠加定理求 R4 吸收的功率 PR4。

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ω
PR4 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​3 Ω−+VR3​AIs​1.5 AB+−V2​10 V

用叠加定理求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 10 VIs = 1.5 AV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 Ω
VR3 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAIs​4 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 47 ΩL100 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 = 5 VR = 47 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C100 µF+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 5 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 4.5 V 时它必须触发,恰好在开始后 200 ms。 已知 C = 100 µF,求所需的电阻 R。

Vs = 5 VVth = 4.5 VT = 200 msC = 100 µF
R = kΩ
13.交流阻抗和相量中等
24 V100 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 22 µF

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 22 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
24 V50 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 47 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 47 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 5 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 5 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 5 kWpf = 0.8V = 240 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 97 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 97 kW、功率因数为 0.8(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 200 kVAP1 = 97 kWpf1 = 0.8
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = 120 Acos φ = 0.85滞后

一个对称三相负载从线电压为 415 V 的电源取用 120 A 的线电流,功率因数为 0.85(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VIL = 120 Acos φ = 0.85
P = kW
18.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 300 kW,功率因数为 0.78(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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 300 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

一台单相 50 kVA、10000/400 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求高压绕组中的电流 IHV。

S = 50 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.850 kVA, 25% 负载

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 250 W,额定负载下铜损为 500 W。 它以 0.8(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 500 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 10 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 5。

R1 = 10 kΩAv = 5
Rf = kΩ
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 22 kΩRf1​ = 100 kΩ第 2 级:同相R2​ = 100 kΩRf2​ = 4.7 kΩ

两个理想运放级级联连接:一个反相放大器(R1,Rf1),后接一个同相放大器(R2 接地,Rf2 在反馈支路中)。两级都采用 ±15 V 电源。 输入为 Vin = 1 V。求输出电压 Vout。

R1 = 22 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 4.7 kΩVin = 1 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−9 VR = ?2 × 3 V15 mA

2 个白色 LED(每个正向电压 3 V)与一个电阻串联,接到 9 V 电源上。求使电流为 15 mA 的电阻 R。

Vs = 9 VVF = 3 Vn = 2I = 15 mA
R = Ω
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 80VCC​ = 5 V5 VRB​ = ?

一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 5 V 与其集电极之间的 330 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 5 V 逻辑输出经基极电阻 RB 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 为保证可靠开关,按饱和所需最小基极电流的 4 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 5 VRC = 330 Ωβ = 80Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 4
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −67 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 = −678 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1011 0001 OR 0100 1110 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1011 0001OR0100 1110
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010110302140507061121130150140809111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 10, 11, 12, 13) 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, 1, 4, 10, 11, 12, 13)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKUP

3 位二进制加法计数器从 6(十进制,Q = 110)开始。经过 22 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 622n = 3
Q =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−5−105

用配方法求 F(s) = (3s + 38)/(s² + 8s + 52) 对应的 f(t),并计算 f(0.3)。

F(s) = (3s + 38)/(s² + 8s + 52)t = 0.3 s
f(0.3) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−5−61

某系统由微分方程 y″ + 8y′ + 12y = u′ + 6u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 0.2 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.2)。

y″ + 8y′ + 12y = u′ + 6ut = 0.2 s
g(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+10s + 5G(s)C(s)0.2H−

被控对象 G(s) = 10/(s + 5) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.2。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 10/(s + 5)H = 0.2
τ = s
32.方框图困难
R(s)+19s + 1G₁+2s + 1G₂C(s)4H₁−1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 19/(s + 1),G₂ = 2/(s + 1),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 4,外部有负反馈 H₂ = 1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 19/(s + 1)G₂ = 2/(s + 1)H₁ = 4H₂ = 1
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)2tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 154/(s² + 12s + 77),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 154/(s² + 12s + 77)
tp = s
34.阶跃响应困难
R(s)+245s(s + 20)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 245/(s(s + 20))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 245/(s(s + 20))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.1110100−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

求 G(s) = 32/((s + 2)(s + 8)) 在 ω = 4 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 32/((s + 2)(s + 8))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 56/(s(s + 4))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 56/(s(s + 4))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1(s + 3)(s + 4)(s + 6)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 6)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 6))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.5−2−4−6j2j4

已给出 L(s) = K/(s(s + 5)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.5 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0.5
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 252s + 1C(s)−

过程 G(s) = 5/(2s + 1) 由比例增益 K = 2 在单位负反馈回路中控制。求阶跃输入的稳态误差 ess,以阶跃大小的百分数表示。

G(s) = 5/(2s + 1)K = 2
ess = %
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 2C(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) = 1/(s + 2)。闭环必须满足 ωₙ = 8 rad/s 和 ζ = 0.7。求积分增益 Ki。

G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 8 rad/sζ = 0.7
Ki =

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 5.852 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​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​20 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 2·25/(2+25) = 1.852 Ω
Req = R1 + 1.852 = 4 + 1.852 = 5.852 Ω

答案

Req = 5.852 Ω
2.串并联电阻

答案: Req = 32.83 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​ = 25 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBR6​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 6.875 Ω
R3 + 6.875 = 12.88 Ω
R2 ∥ 12.88 = 7.833 Ω
Req = R1 + 7.833 = 25 + 7.833 = 32.83 Ω

答案

Req = 32.83 Ω
3.节点分析

答案: PIs = 37.45 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/15 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1.067·VA − 0.5·VB = 6

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/5 + (VB − VA)/2 = 3
−0.5·VA + 0.7·VB = 3

求解

Δ = (1.067)(0.7) − (−0.5)(−0.5) = 0.4967
VA = Δ1/Δ = 5.7/0.4967 = 11.48 V
VB = Δ2/Δ = 6.2/0.4967 = 12.48 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 = 12.48·3 = 37.45 W

答案

PIs = 37.45 W
4.节点分析

答案: VB = 6.077 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​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​4 ΩAR5​2 ΩBIs​4 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 = 10 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/4 + (VA − 10)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0.8·VA − 0.5·VB = 0.5

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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/2 + (VB − VA)/2 + (VB − 5)/8 = 4
−0.5·VA + 1.125·VB = 4.625

求解

Δ = (0.8)(1.125) − (−0.5)(−0.5) = 0.65
VA = Δ1/Δ = 2.875/0.65 = 4.423 V
VB = Δ2/Δ = 3.95/0.65 = 6.077 V

答案

VB = 6.077 V
5.网孔分析

答案: I1 = 0.7407 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​ = 5 Ω+−V1​24 VR3​12 ΩA+−V2​24 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 + 12(I1 − I2) = 24
18·I1 − 12·I2 = 24

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
5·I2 + 12(I2 − I1) = (−24)
−12·I1 + 17·I2 = −24

求解

Δ = (18)(17) − (−12)(−12) = 162
I1 = Δ1/Δ = 120/162 = 0.7407 A
I2 = Δ2/Δ = −144/162 = −0.8889 A

答案

I1 = 0.7407 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I1 = 0.4762 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​ = 2 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR4​12 ΩAR5​12 ΩB+−V2​5 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
2·I1 + 12(I1 − I2) = 6
14·I1 − 12·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
12·I2 + 12(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 36·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) = (−5)
−12·I2 + 14·I3 = −5

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 3024
I1 = Δ1/Δ = 1440/3024 = 0.4762 A
I2 = Δ2/Δ = 168/3024 = 0.05556 A
I3 = Δ3/Δ = −936/3024 = −0.3095 A

答案

I1 = 0.4762 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR4 = 14.44 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​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​8 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 = 5+8 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·13/(10+13) = 5.652 Ω
VA = 6·5.652/(6+5.652) = 2.91 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2.91·8/13 = 1.791 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1.791 − 0)/8 = 0.2239 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​10 ΩAR4​8 ΩBIs​3 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 = 6·10/(6+10) = 3.75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 8.75 = 4.179 Ω
VB = −Is·Req = −3·4.179 = −12.54 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −12.54·3.75/8.75 = −5.373 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−12.54 − 0)/8 = −1.567 A

把电流的各个贡献相加

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0.2239 + (−1.567) = −1.343 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。

PR4 = IR4²·R4 = (−1.343)²·8 = 14.44 W

答案

PR4 = 14.44 W

把各单独情况下的功率相加会得到 20.05 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: VR3 = −0.4464 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​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​3 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) = 3 ∥ 20 = 2.609 Ω
VA = 10·2.609/(12+2.609) = 1.786 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.786·15/20 = 1.339 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 1.786 = −1.786 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​3 ΩAIs​1.5 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 = 2.4 Ω,所以左侧路径为 R2+2.4 = 7.4 Ω
Req = R4 ∥ 7.4 = 4.955 Ω
VB = Is·Req = (−1.5)·4.955 = −7.433 V
VA = VB·2.4/7.4 = −2.411 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − −2.411 = 2.411 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω短路R3​3 ΩA开路B+−V2​10 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 = 12·3/(12+3) = 2.4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·7.4/22.4 = 3.304 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3.304·2.4/7.4 = 1.071 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 1.071 = −1.071 V

叠加各分量

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−1.786) + 2.411 + (−1.071) = −0.4464 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 7.5 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​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​15 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 = 3·15/(3+15) = 2.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.5 + 2 = 4.5 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​15 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) = 9·15/(3+15) = 7.5 V
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 4.333 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​ = 15 ΩR3​ = 30 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 30 = 36 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​10 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) = 12 + 4·6 = 36 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36 + 4·30 = 156 V
IN​4.333 ARth​36 Ωab

诺顿等效

诺顿电源是同一电路看作与 R_th 并联的电流源。其电流就是 a–b 的短路电流。

IN = Vth/Rth = 156/36 = 4.333 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.09624 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 = 100 mH / 47 Ω = 2.128 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0.1064 A

给定时刻的电流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.1064·(1 − e−5/2.128) = 0.09624 A

答案

i = 0.09624 A
12.RC 和 RL 暂态

答案: R = 0.8686 kΩ

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

所需的时间常数

4.5 = 5·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(5/(5 − 4.5))
τ = 200/2.303 = 86.86 ms

电阻

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

R = τ/C = 86.86/100 = 0.8686 kΩ

答案

R = 0.8686 kΩ
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 65.46 °

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) = √(10² + (21.9)²) = 24.08 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(21.9/10) = 65.46°

答案

φ = 65.46°
14.交流阻抗和相量

答案: VC = 36.13 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·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.15 = 47.12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·47·10⁻⁶) = 67.73 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−20.6)²) = 44.99 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/44.99 = 0.5334 A

电容电压

VC = I·XC = 0.5334·67.73 = 36.13 V

答案

VC = 36.13 V
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 3.75 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(0.8) = 36.87°, tan φ = 0.75

无功功率

Q = P·tan φ = 5·0.75 = 3.75 kvar

答案

Q = 3.75 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 89.3 kW

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

现有负载的无功功率

Q1 = 97·tan(arccos 0.8) = 72.75 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 72.75²) = 186.3 kW

增加的有功功率

ΔP = 186.3 − 97 = 89.3 kW

答案

ΔP = 89.3 kW
17.三相电

答案: P = 73.32 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 = √3·415·120 = 86.26 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 86.26·0.85 = 73.32 kW

答案

P = 73.32 kW
18.三相电

答案: QC = 142.1 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 = 300·tan(acos 0.78) = 300·0.8023 = 240.7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.95) = 300·0.3287 = 98.61 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 142.1 kvar

答案

QC = 142.1 kvar
19.变压器

答案: IHV = 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。

IHV = S/V = 50000/10000 = 5 A

答案

IHV = 5 A
20.变压器

答案: Ploss = 281.3 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 = 0.0625·500 = 31.25 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 250 + 31.25 = 281.3 W

答案

Ploss = 281.3 W

此负载下的效率为 η = 97.26%。

21.运放电路

答案: Rf = 40 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 = (5 − 1)·10 = 40 kΩ

答案

Rf = 40 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = −4.759 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。

各级的增益

A1 = −Rf1/R1 = −100/22 = −4.545
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4.7/100 = 1.047

逐级计算

V1 = −4.545·1 = −4.545 V
Vout = 1.047·(−4.545) = −4.759 V

答案

Vout = −4.759 V
23.二极管与晶体管

答案: R = 200 Ω

LED 与二极管电路:正向偏置的 LED 无论电流多大,压降都约为其正向电压 VF(红光约 2 V,蓝光或白光约 3 V)。串联电阻决定电流:n 个 LED 串联时 R = (Vs − n·VF)/I。用更精确的二极管模型 V = V₀ + I·rd 时,工作点在二极管线与负载线 I = (Vs − V)/R 相交处,所以 I = (Vs − V₀)/(R + rd)。

电阻两端的电压

VR = 9 − 2·3 = 3 V

电阻

R = 3/0.015 = 200 Ω

答案

R = 200 Ω

电阻耗散 45 mW。

24.二极管与晶体管

答案: RB = 5.912 kΩ

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。

饱和时的集电极电流

IC(sat) = (5 − 0.2)/330 = 14.55 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 14.55/80 = 181.8 µA

设计基极电流

IB = 4·181.8 µA = 727.3 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.7273 mA = 5.912 kΩ

答案

RB = 5.912 kΩ
25.数制

答案: U = 189

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

67 = 0100 0011
取反后: 1011 1100
+1 → 1011 1101

按无符号数读取

1011 1101₂ = 256 − 67 = 189

答案

U = 189
26.数制

答案: R = 255

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。

1011 0001
OR 0100 1110
= 1111 1111

结果的值

1111 1111₂ = 255

答案

R = 255
27.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。

ABCD000111100001111010110302140507061121130150140809111110

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。

BC′D′
A′B′C′
AB′C
ABC′

最简 SOP 形式

F = BC′D′ + A′B′C′ + AB′C + ABC′
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。

28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 4

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。

完整循环

每 8 个脉冲使计数器回到相同的状态。

22 = 2·8 + 6

剩余脉冲之后的计数

Q = (6 + 6) mod 8 = 4
Q = 100₂

答案

Q = 4
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.3) = 1.066

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 + 8s + 52 = (s + 4)² + 36 = (s + 4)² + 6²

匹配分子

F(s) = 3·(s + 4)/((s + 4)² + 6²) + (26/6)·6/((s + 4)² + 6²)

逆变换

f(t) = e−4t·(3·cos 6t + 4.333·sin 6t)
f(0.3) = e−4·0.3·(3·cos(6·0.3) + 4.333·sin(6·0.3)) = 1.066

答案

f(0.3) = 1.066
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.2) = 0.6703

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)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 6)/(s² + 8s + 12)

部分分式

s² + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
A = 1, B = 0

冲激响应

g(t) = e−2t
g(0.2) = 0.6703

答案

g(0.2) = 0.6703
31.方框图

答案: τ = 0.1429 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) = 10/(s + 5 + 2) = 10/(s + 7)

结果

τ = 1/7 = 0.1429 s

答案

τ = 0.1429 s
32.方框图

答案: T(0) = 0.8085

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)。

内环

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 2/(s + 9)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 38/((s + 1)(s + 9) + 38)

直流增益

T(0) = 38/(1·9 + 38) = 38/47 = 0.8085

答案

T(0) = 0.8085
33.阶跃响应

答案: tp = 0.4906 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 = 77 → ωₙ = 8.775 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·8.775) = 0.6838

结果

ωd = 8.775·√(1 − 0.6838²) = 6.403 rad/s → tp = π/ωd = 0.4906 s

答案

tp = 0.4906 s
34.阶跃响应

答案: ts = 0.4 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) = 245/(s² + 20s + 245): ωₙ = 15.65 rad/s, ζ = 0.6389

调节时间

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.4 s

答案

ts = 0.4 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)| = −1.938 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。

把各模相乘

|G(j4)| = 32/(√(4² + 2²)·√(4² + 8²)) = 32/(4.472·8.944) = 0.8

结果

20·log₁₀(0.8) = −1.938 dB

答案

|G(jω)| = −1.938 dB
36.伯德图与裕度

答案: PM = 29.85 °

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

增益穿越

ω⁴ + 16ω² − 3136 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·3136))/2 = 48.57
ωc = 6.969 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(6.969/4) = −150.1°
PM = 180° + ∠L = 29.85°

答案

PM = 29.85°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 630

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 + 13s² + 54s + 72 + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 54
s²: 13, 72 + K
s¹: (13·54 − 72 − K)/13
s⁰: 72 + K

条件

s¹ 行元素必须保持为正。

K < 13·54 − 72 = 630

答案

Kmax = 630

在极限处,回路以 ω = √54 = 7.348 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 25

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。

与标准形式比较

s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.5·ωₙ = 5 → ωₙ = 5 rad/s

增益

K = ωₙ² = 5² = 25

答案

K = 25

闭环极点位于 ζ 线与 s = −2.5 处垂直分支的交点。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 9.091 %

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。

位置误差常数

Kp = 2·5 = 10

阶跃误差

ess = 100/(1 + 10) = 9.091 %

答案

ess = 9.091 %
40.稳态误差与 PID 控制

答案: Ki = 64

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 + 2)。

s² + (2 + 1Kp)s + 1Ki

目标多项式

s² + 2·0.7·8s + 8² = s² + 11.2s + 64

匹配各项系数

1Ki = 64 → Ki = 64

答案

Ki = 64

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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