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​ = 5 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​4 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​6 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 ΩR5 = 15 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
−+Vs​ = 8 VIs​1 AAR1​4 ΩR2​2 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 = 1 AVs = 8 VR1 = 4 ΩR2 = 2 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​9 VR3​8 ΩAR5​4 ΩBIs​4 A+−V2​36 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 9 VIs = 4 AV2 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 30 ΩR5 = 4 Ω
IR4 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 15 Ω+−VR1​R2​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

用网孔分析法求 R1 两端按图示极性的电压 VR1。

V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
VR1 = V
6.网孔分析困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​3 Ω+−VR4​AR5​8 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R4 两端按图示极性的电压 VR4。

V1 = 18 VV2 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 8 Ω
VR4 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBIs​?

求使流过 R3 的电流 IR3 为零的电流源 Is 的值(方向如图所示)。

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 Ω
Is = A
8.叠加定理困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩIR3​AIs​5 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 = 5 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​1 ABRL​3 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 3 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​10 Vt = 0R = 20 ΩL68 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 5 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 10 VR = 20 ΩL = 68 mHt = 5 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​15 Vt = 0R = 4.7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 10 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 13 V?求 t。

Vs = 15 VR = 4.7 kΩC = 100 µFvC(0) = 10 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 100 HzRL = ?C = 10 µF

一个 C = 10 µF 的 RLC 串联电路必须在 100 Hz 发生谐振。求所需的电感 L。

f0 = 100 HzC = 10 µF
L = mH
14.交流阻抗和相量困难
24 V100 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 47 µFI

一个串联 RLC 电路接在 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 = 80 ΩL = 20 mHC = 47 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 2542 W13 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 13 A 和 2542 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 X。

V = 230 VI = 13 AP = 2542 W
X = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、60 Hz 电源吸取 10 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。 求新的线路电流 Inew。

P = 10 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VZ = 12 + j9 Ω每相

一个每相阻抗为 12 + j9 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 208 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 = 208 VZ = 12 + j9 Ω 每相
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)、50 Hz 的电源取用 60 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 0.92(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 = 0.8pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
5 Ω61

一个 5 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 6:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 6:1RL = 5 Ω
R1′ = Ω
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​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 0.5 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 0.5 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = −0.9 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = 0.5 VR2​ = 100 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −0.9 VV2 = 0.5 VR1 = 4.7 kΩR2 = 100 kΩRf = 4.7 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.7 kΩβ = 120IC​ = ?RE​ = 1.5 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 68 kΩR2​ = 15 kΩ

一只 β = 120 的 NPN 晶体管由 VCC = 12 V 分压偏置:R₁ = 68 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 15 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 2.7 kΩ,发射极电阻为 RE = 1.5 kΩ。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)。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 12 VR1 = 68 kΩR2 = 15 kΩRC = 2.7 kΩRE = 1.5 kΩβ = 120
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
+−≥ 18 VR = ?6.2 V≤ 30 mA

一个 6.2 V 的齐纳稳压器必须向负载提供最多 30 mA。输入可能降到 18 V,齐纳管至少需要 2 mA 才能稳压。求能保持稳压的最大串联电阻 Rmax。

Vin,min = 18 VVZ = 6.2 VIL,max = 30 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.数制中等
补码中的位权0−12806403211608040211

8 位模式 0001 0001 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

0001 00018 bit
N =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0010 1000 OR 0100 1110 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0010 1000OR0100 1110
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010010312040507160120130150141819111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 6, 8, 9, 10, 11) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 6, 8, 9, 10, 11)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKMOD-7

同步模 7 计数器依次计 0, 1, …, 6,然后回到 0。它从 4 开始。经过 16 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 416N = 7
Q =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−30.51

F(s) = (3s + 1)/(s² + 5s + 6)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−2t + B·e−3t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (3s + 1)/(s² + 5s + 6)
A =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 9y′ + 20y = 0,初始条件 y(0) = 7,y′(0) = −3,并求 y(0.25)。

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 7y′(0) = −3t = 0.25 s
y(0.25) =
31.方框图中等
R(s)+56s(s + 9)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 56/(s(s + 9))。参考输入是斜坡 r(t) = 10·t。求稳态误差 ess。

G(s) = 56/(s(s + 9))r(t) = 10·t
ess =
32.方框图困难
R(s)+20s + 1G₁+6s + 2G₂C(s)0.5H₁−0.25H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 20/(s + 1),G₂ = 6/(s + 2),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 0.5,外部有负反馈 H₂ = 0.25。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 20/(s + 1)G₂ = 6/(s + 2)H₁ = 0.5H₂ = 0.25
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1?

某系统的传递函数为 G(s) = 28/(s² + 2s + 28),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 28/(s² + 2s + 28)
%OS = %
34.阶跃响应困难
k = 200 N/mc = 4 N·s/mm = 2 kgF = 20 Nx(t)

质量 m = 2 kg 的物体挂在弹簧 k = 200 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 4 N·s/m(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。在静止平衡状态下,突然施加恒力 F = 20 N。 求位移的百分比超调量 %OS。

m = 2 kgk = 200 N/mc = 4 N·s/mF = 20 N
%OS = %
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 100 nFR = 47 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 47 kΩ, C = 100 nF。输入为68 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 47 kΩC = 100 nFf = 68 Hz
φ = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 500/(s(s + 10))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 500/(s(s + 10))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 5(s − 1)(s + 3)C(s)−

对象 G(s) = (s + 5)/((s − 1)(s + 3)) 在 s = 1 处有一个不稳定极点。用比例增益 K 围绕它构成单位负反馈回路。求使闭环稳定的最小增益 Kmin。

G(s) = (s + 5)/((s − 1)(s + 3))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−5j5

已画出 L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6)) 的根轨迹。求轨迹与虚轴相交处的频率 ω。

L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))
ω = rad/s
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 1911s + 1C(s)−

过程 G(s) = 1/(1s + 1) 由比例增益 K = 19 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) = 1/(1s + 1)K = 19
ess = %
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 22s(s + 2)C(s)−

比例控制器 K = 2 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 2))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 2/(s(s + 2))K = 2
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 1.846 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​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​4 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 12·24/(12+24) = 8 Ω
Req = R1 + 8 = 5 + 8 = 13 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 = 24/13 = 1.846 A

答案

IR1 = 1.846 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.7584 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​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​15 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 5.793 Ω
R3 + 5.793 = 8.793 Ω
R2 ∥ 8.793 = 5.543 Ω
Req = R1 + 5.543 = 12 + 5.543 = 17.54 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 = 36/17.54 = 2.052 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 = 36 − 2.052·12 = 11.38 V
IR2 = VA/R2 = 11.38/15 = 0.7584 A

答案

IR2 = 0.7584 A
3.节点分析

答案: VA = −4 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 + 8
VA/R1 + VB/R2 = Is

求解

VA/4 + (VA + 8)/2 = 1
VA = (1 − 8/2)/(1/4 + 1/2) = −4 V
VB = −4 + 8 = 4 V

答案

VA = −4 V
4.节点分析

答案: IR4 = −0.6667 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​ = 3 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩAR5​4 ΩBIs​4 A+−V2​36 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 = 36 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/8 + (VA − 9)/3 + (VA − VB)/12 = 0
0.5417·VA − 0.08333·VB = 3

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/4 + (VB − VA)/12 + (VB − 36)/30 = 4
−0.08333·VA + 0.3667·VB = 5.2

求解

Δ = (0.5417)(0.3667) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.1917
VA = Δ1/Δ = 1.533/0.1917 = 8 V
VB = Δ2/Δ = 3.067/0.1917 = 16 V

答案

IR4 = (VB − V2)/R4 = (16 − 36)/30 = −0.6667 A
5.网孔分析

答案: VR1 = 9.429 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​ = 15 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​3 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 15
18·I1 − 3·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
15·I2 + 3(I2 − I1) = (−24)
−3·I1 + 18·I2 = −24

求解

Δ = (18)(18) − (−3)(−3) = 315
I1 = Δ1/Δ = 198/315 = 0.6286 A
I2 = Δ2/Δ = −387/315 = −1.229 A

答案

IR1 = I1 = 0.6286 A
VR1 = IR1·R1 = 0.6286·15 = 9.429 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR4 = 5.192 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​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​3 ΩAR5​8 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
10·I1 + 3(I1 − I2) = 18
13·I1 − 3·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 3(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 21·I2 − 8·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 + 8(I3 − I2) = (−18)
−8·I2 + 13·I3 = −18

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 2600
I1 = Δ1/Δ = 3330/2600 = 1.281 A
I2 = Δ2/Δ = −1170/2600 = −0.45 A
I3 = Δ3/Δ = −4320/2600 = −1.662 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 1.731 A
VR4 = IR4·R4 = 1.731·3 = 5.192 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: Is = 1 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​3 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 = 2+3 = 5 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω
VA = 9·2.727/(12+2.727) = 1.667 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1.667·3/5 = 1 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (1.667 − 1)/2 = 0.3333 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,所以 R₁ ∥ R₂ 接在 A 与地之间。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和支路 R₃ + R₁∥R₂;流过 R₃ 的部分从 B 流向 A,与箭头方向相反。

R1 ∥ R2 = 4 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·3/9 = −0.3333·Is

令总和为零

IR3′ + IR3″ = 0.3333 − 0.3333·Is = 0
Is = 0.3333/0.3333 = 1 A

答案

Is = 1 A
8.叠加定理

答案: V2 = 41.2 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​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​12 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 ∥ 22 = 4.714 Ω
VA = 12·4.714/(30+4.714) = 1.63 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.63·10/22 = 0.7407 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 10 Ω短路R3​6 ΩAIs​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。 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 = 5 Ω,所以左侧路径为 R2+5 = 17 Ω
Req = R4 ∥ 17 = 6.296 Ω
VB = −Is·Req = −5·6.296 = −31.48 V
VA = VB·5/17 = −9.259 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 = 5 Ω
VA‴ = V2·5/(10 + 12 + 5) = 0.1852·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‴ = 1.63 + (−9.259) + 0.1852·V2 = 0
V2 = 7.63/0.1852 = 41.2 V

答案

V2 = 41.2 V
9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 10.59 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​12 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 = 5·12/(5+12) = 3.529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.529 + 8 = 11.53 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 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) = 15·12/(5+12) = 10.59 V
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 4.093 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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​20 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 = 6·20/(6+20) = 4.615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.615 + 2 = 6.615 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​1 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) = 4.615 + 1·4.615 = 9.231 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9.231 + 1·2 = 11.23 V
Rth​ = 6.615 Ω+−Vth​11.23 VRL​3 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) = 11.23/(6.615 + 3) = 1.168 A
PL = IL²·RL = 1.168²·3 = 4.093 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 2.298 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 = 68 mH / 20 Ω = 3.4 ms
i(∞) = Vs/R = 10/20 = 0.5 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 = 10·e−5/3.4 = 2.298 V

答案

vL = 2.298 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 430.7 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 15 + (10 − 15)·e−t/τ

求解时间

13 = 15 + (−5)·e−t/τ → e−t/τ = (13 − 15)/(10 − 15) = 0.4
t = τ·ln((10 − 15)/(13 − 15)) = 470·ln(2.5) = 430.7 ms

答案

t = 430.7 ms
13.交流阻抗和相量

答案: L = 253.3 mH

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。

谐振条件

谐振时感抗与容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·100 = 628.3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628.3²·10·10⁻⁶) = 253.3 mH

答案

L = 253.3 mH
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.2899 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 = 628.3·0.02 = 12.57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·47·10⁻⁶) = 33.86 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−21.3)²) = 82.79 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/82.79 = 0.2899 A

答案

I = 0.2899 A
15.交流功率和功率因数

答案: X = 9.315 Ω

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。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 2542/13² = 15.04 Ω

由阻抗求电抗

|Z| = V/I = 230/13 = 17.69 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(17.69² − 15.04²) = 9.315 Ω

答案

X = 9.315 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: Inew = 26.32 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 = 10·tan(41.41°) = 8.819 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(18.19°) = 3.287 kvar
QC = Q1 − Q2 = 5.532 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(400·0.95) = 26.32 A

答案

Inew = 26.32 A
17.三相电

答案: P = 6.922 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 = 208 V

相电流

|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
Iph = 208/15 = 13.87 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 = 3·13.87²·12 = 6.922 kW

答案

P = 6.922 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: QC = 19.44 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 0.8) = 60·0.75 = 45 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 = 19.44 kvar

答案

QC = 19.44 kvar
19.变压器

答案: R1′ = 180 Ω

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。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 6²·5 = 180 Ω

答案

R1′ = 180 Ω
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: Vout = 1.568 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₊ = 0.5 V
I = V₋/R1 = 0.5/22 = 0.02273 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 0.5 + 0.02273·47 = 1.568 V

答案

Vout = 1.568 V
22.运放电路

答案: Vout = 0.8765 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 = −0.9/4.7 = −0.1915 mA
I2 = V2/R2 = 0.5/100 = 0.005 mA
If = I1 + I2 = −0.1865 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −4.7·(−0.1865) = 0.8765 V

答案

Vout = 0.8765 V
23.二极管与晶体管

答案: IC = 0.9094 mA

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 = 12·15/(68 + 15) = 2.169 V
RTH = 68·15/(68 + 15) = 12.29 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.169 − 0.7)/(12.29 + 121·1.5) = 7.579 µA

集电极电流

IC = 120·7.579 µA = 0.9094 mA
IE = 121·7.579 µA = 0.917 mA

答案

IC = 0.9094 mA
24.二极管与晶体管

答案: Rmax = 368.8 Ω

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。

最坏情况的电流

IR = 30 + 2 = 32 mA

最大电阻

Rmax = 11.8/0.032 = 368.8 Ω

答案

Rmax = 368.8 Ω
25.数制

答案: N = 17

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。

16 + 1 = 17

答案

N = 17
26.数制

答案: R = 110

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。

0010 1000
OR 0100 1110
= 0110 1110

结果的值

0110 1110₂ = 110

答案

R = 110
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。

ABCD000111100001111010010312040507160120130150141819111110

圈 0

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 + D′)
(A′ + B′)

最简 POS 形式

F = (B′ + C)(A + D′)(A′ + B′)
N = 3

答案

N = 3
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 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。

完整循环

每 7 个脉冲使计数器回到相同的状态。

16 = 2·7 + 2

剩余脉冲之后的计数

Q = (4 + 2) mod 7 = 6
Q = 110₂

答案

Q = 6
29.拉普拉斯变换

答案: A = −5

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 + 5s + 6 = (s + 2)(s + 3)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 3)

遮盖法

乘以 (s + 2) 并令 s = −2:B 项消失。

A = (3s + 1)/(s + 3) |s = −2 = −5/1 = −5

答案

A = −5
(B = 8,所以 f(t) = −5·e−2t + 8·e−3t)
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.25) = 4.61

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

s²Y − 7s − (−3) + 9(sY − 7) + 20Y = 0
Y(s) = (7s + 60)/((s + 4)(s + 5))

部分分式

A = 32/1 = 32
B = 25/(−1) = −25

结果

y(t) = 32·e−4t − 25·e−5t
y(0.25) = 4.61

答案

y(0.25) = 4.61

检验:y(0) = A + B = 7。

31.方框图

答案: ess = 1.607

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)。

速度误差系数

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 56/9 = 6.222

稳态误差

ess = A/Kᵥ = 10/6.222 = 1.607

答案

ess = 1.607
32.方框图

答案: T(0) = 3.429

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) = 6/(s + 5)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 120/((s + 1)(s + 5) + 30)

直流增益

T(0) = 120/(1·5 + 30) = 120/35 = 3.429

答案

T(0) = 3.429
33.阶跃响应

答案: %OS = 54.63 %

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 = 28 → ωₙ = 5.292 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5.292) = 0.189

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.6046 = 54.63 %

答案

%OS = 54.63 %
34.阶跃响应

答案: %OS = 72.92 %

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 = √(k/m) = √(200/2) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 4/(2·√(200·2)) = 0.1

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 72.92 %

答案

%OS = 72.92 %
35.伯德图与裕度

答案: φ = 26.47 °

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/(47000·1 × 10⁻⁷) = 212.8 rad/s
fc = 33.86 Hz → f/fc = 68/33.86 = 2.008

相位

φ = 90° − atan(2.008) = 26.47°

答案

φ = 26.47°
36.伯德图与裕度

答案: PM = 25.18 °

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 + 100ω² − 250000 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·250000))/2 = 452.5
ωc = 21.27 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(21.27/10) = −154.8°
PM = 180° + ∠L = 25.18°

答案

PM = 25.18°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 0.6

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 − 1)(s + 3) + K(s + 5) = s² + (2 + K)s + (5K − 3)

条件

对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。

2 + K > 0 → K > −2
5K − 3 > 0 → K > 0.6
Kmin = 0.6

答案

Kmin = 0.6
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 6.633 rad/s

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。

临界增益

s³ + 12s² + 44s + 48 + K = 0
s¹: (12·44 − 48 − K)/12 = 0 → K = 480

穿越频率

12s² + 48 + 480 = 12s² + 528 = 0 → s² = −44
ω = √44 = 6.633 rad/s

答案

ω = 6.633 rad/s
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 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。

位置误差常数

Kp = 19·1 = 19

阶跃误差

ess = 100/(1 + 19) = 5 %

答案

ess = 5 %
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 16.3 %

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) + 2·2 = s² + 2s + 4

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √4 = 2 rad/s
ζ = 2/(2·2) = 0.5

超调量

%OS = 100·e−0.5π/√(1 − 0.5²) = 16.3 %

答案

%OS = 16.3 %

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