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 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​12 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBR6​6 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 ΩR5 = 20 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
−+Vs​ = 12 VIs​2.5 AAR1​10 ΩR2​15 ΩB

A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 B,所以它使 VB − VA = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

Is = 2.5 AVs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 15 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​2 ΩB0.05·VA​

菱形符号是一个电压控制电流源,它向上注入节点 B 的电流为 0.05·VA(单位 A,VA 单位为 V)。用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ωg = 0.05 A/V
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 15 ΩIR1​R2​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
IR1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR4​8 ΩAR5​6 ΩIR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R5 的电流 IR5。

V1 = 12 VV2 = 36 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 ΩR5 = 6 Ω
IR5 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
IR3 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​?

求使流过 R3 的电流 IR3 为零的电压源 V2 的值(极性如图所示)。

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​0.5 ABRL​8 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 8 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 9 VIs = 0.5 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩRL = 8 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 10 Ωt = 0L22 mHi(t)

电感中流过 2.5 A 的稳定电流。在 t = 0 开关使回路经 R 闭合并移除电源,于是电感电流经 R 衰减。 电流降到 0.25 A 需要多长时间?求 t。

i(0) = 2.5 AR = 10 ΩL = 22 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 2.2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 24 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 15 V?求 t。

Vs = 9 VR = 2.2 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
230 V100 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 4.7 µFI

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
1 Vf0​R = 2 ΩL = 5 mHC = 4.7 µF

一个 RLC 串联电路由 1 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 1 V (rms)R = 2 ΩL = 5 mHC = 4.7 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 15 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 15 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求线路电流 I。

P = 15 kWpf = 0.8V = 230 V
I = A
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 240 V、60 Hz 电源吸取 25 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求所需电容 C。

P = 25 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
17.三相电中等
ABCVL​ = 400 VZ = 24 + j7 Ω每相

一个每相阻抗为 24 + j7 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 400 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 400 VZ = 24 + j7 Ω 每相
P = kW
18.三相电困难
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 200 kW,功率因数为 0.8(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 200 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 10 Ω511200 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 5:1 的理想变压器,一次绕组加 1200 V 电压。二次绕组两端接一个 10 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.8250 kVA, 50% 负载

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 2000 W,额定负载下铜损为 6000 W。 它以 0.8(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 6000 Wx = 0.5pf = 0.8
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −1.5 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −1.5 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −1 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = 0.6 VR2​ = 22 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −1 VV2 = 0.6 VR1 = 4.7 kΩR2 = 22 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1.5 kΩβ = 80RE​ = 680 ΩVCC​ = 12 VR1​ = 100 kΩR2​ = 22 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管由 VCC = 12 V 分压偏置:R₁ = 100 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 22 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 1.5 kΩ,发射极电阻为 RE = 680 Ω。取 VBE = 0.7 V,并使用分压器的戴维南等效电路(不忽略基极电流)。 求集电极–发射极电压 VCE。

VCC = 12 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRC = 1.5 kΩRE = 680 Ωβ = 80
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 680 Ωβ = 150VCC​ = 9 V5 VRB​ = ?

一只 β = 150 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 9 V 与其集电极之间的 680 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。 求仍能使晶体管刚好进入饱和的最大基极电阻 RB,以 kΩ 计。

VCC = 9 VRC = 680 Ωβ = 150Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −33。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −338 bit
U =
26.数制困难
8 bit1 px256 px256 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 256 × 256 像素,每像素 8 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

256 × 256 px8 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110011001031214051706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 2, 4, 7) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(0, 2, 4, 7)
N =
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
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

求 F(s) = (s + 24)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (s + 24)/(s² + 10s + 25)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−51

某系统由微分方程 y″ + 7y′ + 10y = 2u′ + 4u 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 = 0.1 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.1)。

y″ + 7y′ + 10y = 2u′ + 4ut = 0.1 s
g(0.1) =
31.方框图中等
R(s)+36s + 4G(s)C(s)0.2H−

被控对象 G(s) = 36/(s + 4) 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) = 36/(s + 4)H = 0.2
τ = s
32.方框图困难
R(s)+18s + 3G₁+9s + 1G₂C(s)1H₁−0.5H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 18/(s + 3),G₂ = 9/(s + 1),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 1,外部有负反馈 H₂ = 0.5。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 18/(s + 3)G₂ = 9/(s + 1)H₁ = 1H₂ = 0.5
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)2

某系统的传递函数为 G(s) = 44/(s² + 2s + 22),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 44/(s² + 2s + 22)
σ =
34.阶跃响应困难
+−24 VR = 141 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 141 Ω,L = 200 mH,C = 10 µF,在 t = 0 时接到 24 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电压第一个峰值出现的时间 tp,单位 ms。

R = 141 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 24 V
tp = ms
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 8

求 G(s) = 33(s + 5)/(s(s + 18)) 在 ω = 8 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 33(s + 5)/(s(s + 18))ω = 8 rad/s
∠G(jω) = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 50/(s(s + 5))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 50/(s(s + 5))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+601s(s + 1)(s + 4)C(s)−

图中的回路采用负反馈,L(s) = 60/(s(s + 1)(s + 4))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 60/(s(s + 1)(s + 4))
N =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −1 之间离开实轴。求分离点 sb。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 1·t²/2+4(s + 5)s²(s + 5)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 1·t²/2 加到 G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 5))r(t) = 1·t²/2
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 410s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 4 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 10))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 10/(s(s + 10))K = 4
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 2.066 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​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 6·22/(6+22) = 4.714 Ω
Req = R1 + 4.714 = 4 + 4.714 = 8.714 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 = 18/8.714 = 2.066 A

答案

IR1 = 2.066 A
2.串并联电阻

答案: Req = 13.11 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​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBR6​6 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 = 20 + 6 = 26 Ω
R4 ∥ 26 = 6.118 Ω
R3 + 6.118 = 14.12 Ω
R2 ∥ 14.12 = 5.106 Ω
Req = R1 + 5.106 = 8 + 5.106 = 13.11 Ω

答案

Req = 13.11 Ω
3.节点分析

答案: VA = 10.2 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。

构成超节点

A 与 B 之间的电压源中的电流未知,所以不能分别在 A 或 B 单独列 KCL。把 A、B 和电压源一起包成一个超节点:流入它的电流等于流出它的电流。

VB = VA + Vs = VA + 12
VA/R1 + VB/R2 = Is

求解

VA/10 + (VA + 12)/15 = 2.5
VA = (2.5 − 12/15)/(1/10 + 1/15) = 10.2 V
VB = 10.2 + 12 = 22.2 V

答案

VA = 10.2 V
4.节点分析

答案: VA = 0.7194 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。

节点 A 的 KCL

经电阻从 A 流出的电流等于电源注入 A 的电流。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0.6167·VA − 0.3333·VB = 0.3333

节点 B 的 KCL

受控源向节点 B 注入 g·VA。把它当作独立源处理,然后把含 VA 的项移到左边。

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0.05·VA
−0.3833·VA + 0.8333·VB = 0

求解

Δ = (0.6167)(0.8333) − (−0.3333)(−0.3833) = 0.3861
VA = Δ1/Δ = 0.2778/0.3861 = 0.7194 V
VB = Δ2/Δ = 0.1278/0.3861 = 0.3309 V

答案

VA = 0.7194 V
5.网孔分析

答案: IR1 = −0.2 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​ = 15 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​18 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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 9
27·I1 − 12·I2 = 9

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) = (−18)
−12·I1 + 17·I2 = −18

求解

Δ = (27)(17) − (−12)(−12) = 315
I1 = Δ1/Δ = −63/315 = −0.2 A
I2 = Δ2/Δ = −378/315 = −1.2 A

答案

IR1 = I1 = −0.2 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR5 = 4.16 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​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR4​8 ΩAR5​6 ΩB+−V2​36 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
10·I1 + 8(I1 − I2) = 12
18·I1 − 8·I2 = 12

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
10·I2 + 8(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 24·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−36)
−6·I2 + 8·I3 = −36

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 2296
I1 = Δ1/Δ = 144/2296 = 0.06272 A
I2 = Δ2/Δ = −3120/2296 = −1.359 A
I3 = Δ3/Δ = −12672/2296 = −5.519 A

答案

IR5 = I2 − I3 = 4.16 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR3 = −0.9687 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​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​15 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 = 6+20 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·26/(15+26) = 9.512 Ω
VA = 15·9.512/(10+9.512) = 7.313 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7.313·20/26 = 5.625 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (7.312 − 5.625)/6 = 0.2813 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

情况 2 · Is 单独作用

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

R1 ∥ R2 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 12 = 7.5 Ω
VB = Is·Req = 2·7.5 = 15 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15·6/12 = 7.5 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (7.5 − 15)/6 = −1.25 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0.2813 + (−1.25) = −0.9687 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

8.叠加定理

答案: V2 = 3 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​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 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 ∥ 9 = 2.25 Ω
VA = 12·2.25/(12+2.25) = 1.895 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.895·6/9 = 1.263 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω短路R3​3 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。 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 ∥ R3 = 2.4 Ω,所以左侧路径为 R2+2.4 = 5.4 Ω
Req = R4 ∥ 5.4 = 2.842 Ω
VB = −Is·Req = −2·2.842 = −5.684 V
VA = VB·2.4/5.4 = −2.526 V

情况 3 · V2 单独作用,按每伏计

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 = 2.4 Ω
VA‴ = V2·2.4/(6 + 3 + 2.4) = 0.2105·V2

令 VA 为零

VA = 0 时 R₃ 两端没有电压,所以其电流为零。

VA′ + VA″ + VA‴ = 1.895 + (−2.526) + 0.2105·V2 = 0
V2 = 0.6316/0.2105 = 3 V

答案

V2 = 3 V
9.戴维南和诺顿

答案: Rth = 9.818 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​ = 20 ΩR3​ = 8 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 = 20·2/(20+2) = 1.818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.818 + 8 = 9.818 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 0.9328 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​ = 2 ΩR3​ = 4 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 = 2·10/(2+10) = 1.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.667 + 4 = 5.667 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​0.5 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) = 7.5 + (−0.5)·1.667 = 6.667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6.667 + (−0.5)·4 = 4.667 V
Rth​ = 5.667 Ω+−Vth​4.667 VRL​8 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 4.667/(5.667 + 8) = 0.3415 A
PL = IL²·RL = 0.3415²·8 = 0.9328 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 5.066 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。

时间常数

τ = L/R = 22 mH / 10 Ω = 2.2 ms

求解时间

0.25 = 2.5·e−t/τ → t = τ·ln(2.5/0.25)
t = 2.2·ln(10) = 5.066 ms

答案

t = 5.066 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 137.1 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2.2 kΩ · 68 µF = 149.6 ms
vC(t) = 9 + (24 − 9)·e−t/τ

求解时间

15 = 9 + (15)·e−t/τ → e−t/τ = (15 − 9)/(24 − 9) = 0.4
t = τ·ln((24 − 9)/(15 − 9)) = 149.6·ln(2.5) = 137.1 ms

答案

t = 137.1 ms
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.8318 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 = 628.3·0.1 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·4.7·10⁻⁶) = 338.6 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−275.8)²) = 276.5 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/276.5 = 0.8318 A

答案

I = 0.8318 A
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 16.31 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。

谐振

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·4.7·10⁻⁶) = 6523 rad/s
I = V/R = 1/2 = 0.5 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 6523·0.005 = 32.62 Ω
VL = I·XL = 0.5·32.62 = 16.31 V

答案

VL = 16.31 V

这是电源电压的 Q = 16.31 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: I = 81.52 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) = 15000/(230·0.8) = 81.52 A

答案

I = 81.52 A
16.交流功率和功率因数

答案: C = 684.1 µF

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(45.57°) = 25.51 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(23.07°) = 10.65 kvar
QC = Q1 − Q2 = 14.86 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 14855/(2π·60·240²) = 684.1 µF

答案

C = 684.1 µF
17.三相电

答案: P = 18.43 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。

相电压

Vph = VL = 400 V

相电流

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·16²·24 = 18.43 kW

答案

P = 18.43 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.96,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: Cph = 982.1 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 = 200·tan(acos 0.8) = 200·0.75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.9) = 200·0.4843 = 96.86 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 53.14 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 17712/(314.2·239.6²) = 982.1 µF

答案

Cph = 982.1 µF
19.变压器

答案: I1 = 4.8 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 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/10 = 24 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/5 = 4.8 A

答案

I1 = 4.8 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 250 Ω,1200/250 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Ploss = 3500 W

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

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.25·6000 = 1500 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 2000 + 1500 = 3500 W

答案

Ploss = 3500 W

此负载下的效率为 η = 96.62%。

21.运放电路

答案: Vout = −3 V

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

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = −1.5 V
I = V₋/R1 = −1.5/10 = −0.15 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −1.5 + (−0.15)·10 = −3 V

答案

Vout = −3 V
22.运放电路

答案: Vout = 0.371 V

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

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = −1/4.7 = −0.2128 mA
I2 = V2/R2 = 0.6/22 = 0.02727 mA
If = I1 + I2 = −0.1855 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −2·(−0.1855) = 0.371 V

答案

Vout = 0.371 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 8.494 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。

分压器的戴维南等效

VTH = 12·22/(100 + 22) = 2.164 V
RTH = 100·22/(100 + 22) = 18.03 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.164 − 0.7)/(18.03 + 81·0.68) = 20.02 µA

集电极电流

IC = 80·20.02 µA = 1.602 mA
IE = 81·20.02 µA = 1.622 mA

集电极–发射极电压

VCE = 12 − 1.602·1.5 − 1.622·0.68 = 8.494 V

答案

VCE = 8.494 V
24.二极管与晶体管

答案: RB = 49.84 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) = (9 − 0.2)/680 = 12.94 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 12.94/150 = 86.27 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.08627 mA = 49.84 kΩ

答案

RB = 49.84 kΩ

任何更小的基极电阻也能使晶体管饱和;实际中通常选小几倍的电阻。

25.数制

答案: U = 223

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

33 = 0010 0001
取反后: 1101 1110
+1 → 1101 1111

按无符号数读取

1101 1111₂ = 256 − 33 = 223

答案

U = 223
26.数制

答案: M = 64 KiB

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。

位和字节

256·256·8 = 524288 bit = 65536 B

换算为 KiB

65536/1024 = 64 KiB

答案

M = 64 KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

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。

ABC00011110011001031214051706

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。

B′C′
A′C′
ABC

最简 SOP 形式

F = B′C′ + A′C′ + ABC
N = 3

答案

N = 3
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

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

数出变化的次数

0 → 0 → 0 → 1 → 1 → 0 → 1
N = 3

答案

N = 3
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 1.759

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)。

分解分母

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分式

s + 24 = 1(s + 5) + 19
F(s) = 1/(s + 5) + 19/(s + 5)²

逆变换

f(t) = e−5t + 19·t·e−5t
f(0.1) = (1 + 19·0.1)·e−5·0.1 = 1.759

答案

f(0.1) = 1.759
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.1) = 1.213

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) = (2s + 4)/(s² + 7s + 10)

部分分式

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 0, B = 2

冲激响应

g(t) = 2·e−5t
g(0.1) = 1.213

答案

g(0.1) = 1.213
31.方框图

答案: τ = 0.08929 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) = 36/(s + 4 + 7.2) = 36/(s + 11.2)

结果

τ = 1/11.2 = 0.08929 s

答案

τ = 0.08929 s
32.方框图

答案: T(0) = 1.459

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) = 9/(s + 10)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 162/((s + 3)(s + 10) + 81)

直流增益

T(0) = 162/(3·10 + 81) = 162/111 = 1.459

答案

T(0) = 1.459
33.阶跃响应

答案: σ = −1

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 = 22 → ωₙ = 4.69 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4.69) = 0.2132

结果

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

答案

σ = −1
34.阶跃响应

答案: tp = 5.125 ms

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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.2·1 × 10⁻⁵) = 707.1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (141/2)·√(1 × 10⁻⁵/0.2) = 0.4985

结果

ωd = 613 rad/s
tp = π/ωd = 5.125 ms

答案

tp = 5.125 ms
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −55.97 °

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(8/5) − 90° − atan(8/18) = 57.99° − 90° − 23.96°

结果

∠G(j8) = −55.97°

答案

∠G(jω) = −55.97°
36.伯德图与裕度

答案: PM = 38.67 °

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 + 25ω² − 2500 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·2500))/2 = 39.04
ωc = 6.248 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(6.248/5) = −141.3°
PM = 180° + ∠L = 38.67°

答案

PM = 38.67°
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 + 5s² + 4s + 60 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 4
s²: 5, 60
s¹: −8
s⁰: 60

第一列中的符号变化

1 → 5 → −8 → 60
N = 2

答案

N = 2

增益超过了极限 K = 20,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 = −0.4774

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 + 1)(s + 6) = −(s³ + 7s² + 6s)

驻点

dK/ds = −(3s² + 14s + 6) = 0
s = (−14 ± √(196 − 72))/6 = −0.4774, −4.189

选出在根轨迹上的点

根轨迹位于实轴上 0 与 −1 之间;另一个根不在根轨迹上。

sb = −0.4774

答案

sb = −0.4774
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.25

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。

加速度误差常数

Ka = 4·5/5 = 4

抛物线误差

ess = 1/4 = 0.25

答案

ess = 0.25
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 1.732 %

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) + 4·10 = s² + 10s + 40

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 10/(2·6.325) = 0.7906

超调量

%OS = 100·e−0.7906π/√(1 − 0.7906²) = 1.732 %

答案

%OS = 1.732 %

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