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​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​6 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​6 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
−+Vs​ = 5 VIs​4 AAR1​12 ΩR2​4 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 VB(相对于地)。

Is = 4 AVs = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 4 Ω
VB = V
4.节点分析困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​2 ΩB0.4·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 0.4·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 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 Ωg = 0.4 A/V
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 18 VV2 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​9 VR4​2 ΩAR5​4 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 9 VV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 ΩR5 = 4 Ω
IR3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩIR3​+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBIs​3 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 15 Ω−+VR2​R4​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩAIs​4 AB−+V2​6 V

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 9 VIs = 4 AV2 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
VR2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​2 ABRL​6 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 6 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 = 9 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 ΩRL = 6 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 68 Ωt = 0L150 mHi(t)

电感中流过 0.5 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。 求 t = 5 ms 时的电流 i。

i(0) = 0.5 AR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC33 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。 求 t = 25 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 10 Vt = 25 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
50 V500 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
12 V50 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 47 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 47 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
230 V119 kW, 0.85227 kW, 1I = ?

两个负载并联接在 230 V 的单相电源上:一个 19 kW、功率因数为 0.85(滞后)的负载,以及一台 27 kW 的加热器(功率因数为 1)。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 230 VP1 = 19 kW, pf1 = 0.85 滞后P2 = 27 kW, pf2 = 1
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、60 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.6(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 20 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.92V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M18.5 kW, η = 92%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 18.5 kW。此负载下其效率为 92%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 18.5 kWη = 92%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 200 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 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 0.92(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 200 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
4160 V480 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

一台单相 50 kVA、4160/480 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 = 4160 VV2 = 480 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.9250 kVA, 75% 负载

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 1000 W,额定负载下铜损为 2000 W。 它以 0.9(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 75%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 2000 Wx = 0.75pf = 0.9
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 20。

R1 = 47 kΩAv = 20
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 0.9 VR1​ = 2 kΩV2​ = 2 VR3​ = 2 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 = 0.9 VV2 = 2 VR1 = 2 kΩR2 = 47 kΩR3 = 2 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−12 V220 Ω5.6 V3300 ΩIZ​ = ?

一个 5.6 V 的齐纳稳压器通过 220 Ω 接到 12 V,并向 3300 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 12 VVZ = 5.6 VR = 220 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 200IC​ = ?VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = 33 kΩ

一只 β = 200 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 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 = 33 kΩ 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求输入为高电平时的集电极电流 IC,以 mA 计。先判断晶体管是否饱和。

VCC = 24 VRC = 330 Ωβ = 200Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 33 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 −82。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −828 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1101 1101 OR 1111 0000 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1101 1101OR1111 0000
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUXCI0​1I1​1I2​1I3​ABS1​S0​F

一个 4 选 1 多路选择器的选择输入为 S₁ = A 和 S₀ = B,数据输入分别接 I₀ = C,I₁ = 1,I₂ = 1,I₃ = 1。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = CI₁ = 1I₂ = 1I₃ = 1
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111100011X3121405170611211301501418X9111010

求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 7, 8, 11, 12, 13) + d(3, 9) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 7, 8, 11, 12, 13) + d(3, 9)
N =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−2−42

用配方法求 F(s) = (2s + 1)/(s² + 8s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (2s + 1)/(s² + 8s + 25)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

某系统满足 y″ + 9y′ + 18y = 72·u(t),y(0) = 5,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 10。用拉普拉斯变换求 y(0.2)。

y″ + 9y′ + 18y = 72·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.2 s
y(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+K(s + 2)(s + 11)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 2)(s + 11)) 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 + 2)(s + 11))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+2s + 6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) = 2/(s + 6)。在 R = 0 时,大小为 2 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 0.006667 的最小增益 K。

G(s) = 2/(s + 6)D = 2css ≤ 0.006667
K =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5

某系统的传递函数为 G(s) = 35/(s² + 6s + 70),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 35/(s² + 6s + 70)
ωn = rad/s
34.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 16))。求使阶跃响应有 15 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 15 %
K =
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ω = 20

求 G(s) = 9(s + 11)/(s(s + 1)) 在 ω = 20 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 9(s + 11)/(s(s + 1))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 144/(s(s + 8)(s + 10))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 144/(s(s + 8)(s + 10))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 1)(s + 3)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))
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(t) = 1 + 0.5t+2(s + 1)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

输入 r(t) = 1 + 0.5t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 2(s + 1)/(s(s + 4)(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 2(s + 1)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 1 + 0.5t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 1t+2 + 4/s4(s + 2)(s + 5)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 2 + 4/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/((s + 2)(s + 5))。求斜坡输入 r(t) = 1t 的稳态误差 ess。

C(s) = 2 + 4/sG(s) = 4/((s + 2)(s + 5))r(t) = 1t
ess =

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 6.625 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​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​6 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 3·21/(3+21) = 2.625 Ω
Req = R1 + 2.625 = 4 + 2.625 = 6.625 Ω

答案

Req = 6.625 Ω
2.串并联电阻

答案: IR1 = 0.6908 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​ = 20 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​5 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 = 4.038 Ω
R3 + 4.038 = 12.04 Ω
R2 ∥ 12.04 = 1.715 Ω
Req = R1 + 1.715 = 20 + 1.715 = 21.72 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 15/21.72 = 0.6908 A

答案

IR1 = 0.6908 A
3.节点分析

答案: VB = 13.25 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 + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is

求解

VA/12 + (VA + 5)/4 = 4
VA = (4 − 5/4)/(1/12 + 1/4) = 8.25 V
VB = 8.25 + 5 = 13.25 V

答案

VB = 13.25 V
4.节点分析

答案: VA = 11.1 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
0.5733·VA − 0.04·VB = 6

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 = 0.4·VA
−0.44·VA + 0.54·VB = 0

求解

Δ = (0.5733)(0.54) − (−0.04)(−0.44) = 0.292
VA = Δ1/Δ = 3.24/0.292 = 11.1 V
VB = Δ2/Δ = 2.64/0.292 = 9.041 V

答案

VA = 11.1 V
5.网孔分析

答案: I1 = −0.2927 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​ = 8 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
6·I1 + 20(I1 − I2) = 18
26·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
8·I2 + 20(I2 − I1) = (−30)
−20·I1 + 28·I2 = −30

求解

Δ = (26)(28) − (−20)(−20) = 328
I1 = Δ1/Δ = −96/328 = −0.2927 A
I2 = Δ2/Δ = −420/328 = −1.28 A

答案

I1 = −0.2927 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR3 = −3.75 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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR4​2 ΩAR5​4 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
6·I1 + 2(I1 − I2) = 9
8·I1 − 2·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 2(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 9·I2 − 4·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
4·I3 + 4(I3 − I2) = (−24)
−4·I2 + 8·I3 = −24

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 416
I1 = Δ1/Δ = 312/416 = 0.75 A
I2 = Δ2/Δ = −624/416 = −1.5 A
I3 = Δ3/Δ = −1560/416 = −3.75 A

答案

IR3 = I3 = −3.75 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR3 = 1.107 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​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​12 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 = 3+8 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·11/(12+11) = 5.739 Ω
VA = 10·5.739/(15+5.739) = 2.767 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2.767·8/11 = 2.013 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (2.013 − 2.767)/3 = −0.2516 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​12 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。

R1 ∥ R2 = 15·12/(15+12) = 6.667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 9.667 = 4.377 Ω
VB = Is·Req = 3·4.377 = 13.13 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 13.13·6.667/9.667 = 9.057 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (13.13 − 9.057)/3 = 1.358 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0.2516) + 1.358 = 1.107 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: VR2 = 14.91 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​ = 2 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​10 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) = 10 ∥ 25 = 7.143 Ω
VA = 9·7.143/(2+7.143) = 7.031 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7.031·10/25 = 2.813 V
VR2′ = VB − VA = 2.812 − 7.031 = −4.219 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω短路R3​10 ΩAIs​4 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。

R1 ∥ R3 = 1.667 Ω,所以左侧路径为 R2+1.667 = 16.67 Ω
Req = R4 ∥ 16.67 = 6.25 Ω
VB = Is·Req = 4·6.25 = 25 V
VA = VB·1.667/16.67 = 2.5 V
VR2″ = VB − VA = 25 − 2.5 = 22.5 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω短路R3​10 ΩA开路B−+V2​6 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 = 2·10/(2+10) = 1.667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·16.67/26.67 = −3.75 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −3.75·1.667/16.67 = −0.375 V
VR2‴ = VB − VA = −3.75 − −0.375 = −3.375 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−4.219) + 22.5 + (−3.375) = 14.91 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: IN = 1.829 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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2.308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.308 + 4 = 6.308 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​10 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) = 15·10/(3+10) = 11.54 V
IN​1.829 ARth​6.308 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 = 11.54/6.308 = 1.829 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.765 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​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​25 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 = 8·25/(8+25) = 6.061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.061 + 10 = 16.06 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 6.818 + 2·6.061 = 18.94 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18.94 + 2·10 = 38.94 V
Rth​ = 16.06 Ω+−Vth​38.94 VRL​6 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) = 38.94/(16.06 + 6) = 1.765 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.05183 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

τ = L/R = 150 mH / 68 Ω = 2.206 ms

电流的衰减

i(t) = 0.5·e−5/2.206 = 0.05183 A

答案

i = 0.05183 A
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 9.469 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。

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 = 9 V
τ = R·C = 1 kΩ · 33 µF = 33 ms
vC(t) = 9 + (10 − 9)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(25) = 9 + (1)·e−25/33 = 9.469 V

答案

vC = 9.469 V
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.3309 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.05 = 157.1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14.47 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (142.6)²) = 151.1 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 50/151.1 = 0.3309 A

答案

I = 0.3309 A
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.2667 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·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| = 12/44.99 = 0.2667 A

答案

I = 0.2667 A
15.交流功率和功率因数

答案: I = 206.4 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。

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 = 19·tan(arccos 0.85) = 11.78 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

总计

P = 19 + 27 = 46 kW
Q = 11.78 + 0 = 11.78 kvar
S = √(46² + 11.78²) = 47.48 kVA

总电流

I = S/V = 47483/230 = 206.4 A

答案

I = 206.4 A
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 18.15 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。

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 = 20·tan(53.13°) = 26.67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23.07°) = 8.52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 18.15 kvar

答案

QC = 18.15 kvar
17.三相电

答案: IL = 20.52 A

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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 18.5/0.92 = 20.11 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20109/(√3·690·0.82) = 20.52 A

答案

IL = 20.52 A
18.三相电

答案: Cph = 248.7 µF

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。

Q1 = 200·tan(acos 0.8) = 200·0.75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.92) = 200·0.426 = 85.2 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 64.8 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21600/(377·480²) = 248.7 µF

答案

Cph = 248.7 µF
19.变压器

答案: IHV = 12.02 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 = 50000/4160 = 12.02 A

答案

IHV = 12.02 A
20.变压器

答案: Ploss = 2125 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 = 0.5625·2000 = 1125 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 1000 + 1125 = 2125 W

答案

Ploss = 2125 W

此负载下的效率为 η = 98.76%。

21.运放电路

答案: Rf = 893 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 = (20 − 1)·47 = 893 kΩ

答案

Rf = 893 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = −4.817 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) = 2·1/(2 + 1) = 0.6667 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 = −(47/2)·0.9 + (1 + 47/2)·0.6667 = −21.15 + 16.33 = −4.817 V

答案

Vout = −4.817 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 27.39 mA

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

电阻电流

IR = 6.4/220 = 29.09 mA

负载电流

IL = 5.6/3300 = 1.697 mA

齐纳电流

IZ = 29.09 − 1.697 = 27.39 mA

答案

IZ = 27.39 mA
24.二极管与晶体管

答案: IC = 15.76 mA

BJT 用作开关:要使负载完全导通,晶体管须驱动到饱和,此时 VCE = VCE(sat),集电极电流由负载决定:IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC。饱和至少需要 IB = IC(sat)/β。若基极电流更小,晶体管仍处于放大区,IC = β·IB。

基极电流

IB = (3.3 − 0.7)/33 kΩ = 78.79 µA

饱和还是放大?

β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。

β·IB = 15.76 mA
IC(sat) = (24 − 0.2)/330 = 72.12 mA

集电极电流

IC = β·IB = 15.76 mA

答案

IC = 15.76 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 = 174

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

82 = 0101 0010
取反后: 1010 1101
+1 → 1010 1110

按无符号数读取

1010 1110₂ = 256 − 82 = 174

答案

U = 174
26.数制

答案: R = 253

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。

1101 1101
OR 1111 0000
= 1111 1101

结果的值

1111 1101₂ = 253

答案

R = 253
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 7

多路选择器:2ⁿ 选 1 多路选择器把其数据输入之一传到输出;选择线按二进制数读取,决定选哪一个。对于选择端 S₁S₀ = AB 的 4 选 1 MUX,F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃。把数据输入接到 0、1、C 或 C′,可使 MUX 产生 A、B、C 的任意函数,这是用一块芯片实现逻辑的常用方法。

输出表达式

F = A′B′C + A′B + AB′ + AB

F = 1 的行

ABC = 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111
N = 7

答案

N = 7
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 5

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′D, BC′D′, AC′, A′CD, A′B′C
ABCD00011110000111100011X3121405170611211301501418X9111010

最小覆盖

F = B′D + BC′D′ + AC′ + A′CD + A′B′C
N = 5

答案

N = 5
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 0.8185

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 + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

匹配分子

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 3²) + (−7/3)·3/((s + 4)² + 3²)

逆变换

f(t) = e−4t·(2·cos 3t − 2.333·sin 3t)
f(0.1) = e−4·0.1·(2·cos(3·0.1) − 2.333·sin(3·0.1)) = 0.8185

答案

f(0.1) = 0.8185
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 12.12

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 + 9s + 18)·Y(s) = 5s + 45 + 720/s
Y(s) = (5s² + 45s + 720)/(s(s + 3)(s + 6))

部分分式

A = 720/(3·6) = 40
B = 630/((−3)·3) = −70
C = 630/((−6)·(−3)) = 35

结果

y(t) = 40 − 70·e−3t + 35·e−6t
y(0.2) = 12.12

答案

y(0.2) = 12.12

检验:y(0) = A + B + C = 5。

31.方框图

答案: K = 20.25

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 + 2)(s + 11)) = 0 → s² + 13s + 22 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

13² = 4(22 + K) → K = 169/4 − 22 = 20.25

答案

K = 20.25
此时两个闭环极点都在 s = −6.5。
32.方框图

答案: K = 297

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)) = 2·2/(6 + 2K)

解出 K

6 + 2K = 2·2/0.006667 = 600
K = (600 − 6)/2 = 297

答案

K = 297
33.阶跃响应

答案: ωn = 8.367 rad/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 = 70 → ωₙ = 8.367 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8.367) = 0.3586

结果

ωₙ = 8.367 rad/s

答案

ωn = 8.367 rad/s
34.阶跃响应

答案: K = 239.5

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) = K/(s² + 16s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

增益

ωₙ = 16/(2ζ) = 15.48 rad/s
K = ωₙ² = 239.5

答案

K = 239.5
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −115.9 °

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。

把各角度相加

∠G = atan(20/11) − 90° − atan(20/1) = 61.19° − 90° − 87.14°

结果

∠G(j20) = −115.9°

答案

∠G(jω) = −115.9°
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 8.944 rad/s

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/8)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(8·10) = 8.944 rad/s

答案

ω180 = 8.944 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 12

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。

特征方程

s³ + 4s² + 3s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 3
s²: 4, K
s¹: (4·3 − K)/4
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
4·3 − K > 0 → K < 12

答案

Kmax = 12

当 K = 12 时,闭环以 ω = √3 = 1.732 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 = 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) = 0.1

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 0.5/0.1 = 5

答案

ess = 5
40.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.625

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)。

速度误差常数

当 s → 0 时,s·C(s) = 2s + 4 → 4。

Kv = 4·4/10 = 1.6

斜坡误差

ess = 1/1.6 = 0.625

答案

ess = 0.625

PI 控制器能完全消除阶跃误差;斜坡则以恒定的滞后被跟踪。

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