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​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​5 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​15 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 3 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
−+Vs​ = 12 VIs​3 AAR1​8 ΩR2​3 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 = 3 AVs = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 3 Ω
VB = V
4.节点分析困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAR4​3 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 24 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩVA = 24 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 12 Ω+−VR1​R2​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​15 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

用网孔分析法求 R1 两端按图示极性的电压 VR1。

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
VR1 = V
6.网孔分析困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​25 ΩIR5​B+−V2​24 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R5 的电流 IR5。

V1 = 18 VV2 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩR5 = 25 Ω
IR5 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​10 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 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.叠加定理困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​10 VR3​20 Ω+−VR3​AIs​1.5 AB−+V2​36 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 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
VR3 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAIs​3 ABRL​15 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 15 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩRL = 15 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​20 Vt = 0R = 47 ΩL22 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 开关闭合后多长时间电流达到终值的 50%?求 t。

Vs = 20 VR = 47 ΩL = 22 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 Vt = 0R = 1 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 12 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 15.2 V?求 t。

Vs = 20 VR = 1 kΩC = 10 µFvC(0) = 12 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
230 V500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 2.2 µFI

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
VfR = 5 ΩL = 1 mHC = 0.047 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 5 Ω,L = 1 mH,C = 0.047 µF。 求其带宽 B(两个半功率频率之间的频带宽度),以 Hz 表示。

R = 5 ΩL = 1 mHC = 0.047 µF
B = Hz
15.交流功率和功率因数中等
120 VR + jXP = 1152 W16 A

一个感性负载从 120 V(有效值)的单相电源吸取 16 A 和 1152 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 120 VI = 16 AP = 1152 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 48 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 48 kW、功率因数为 0.65(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 = 48 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M22 kW, η = 95%cos φ = 0.9

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 22 kW。此负载下其效率为 95%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 22 kWη = 95%cos φ = 0.9VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 80 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 80 kW,功率因数为 0.7(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.98(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 = 80 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
11000 V400 VIHV​ = ?ILV​250 kVA

一台单相 250 kVA、11000/400 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 = 250 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.8525 kVA, 50% 负载

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 100 W,额定负载下铜损为 400 W。 它以 0.85(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 = 25 kVAPcore = 100 WPcu,fl = 400 Wx = 0.5pf = 0.85
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = −2.3 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1.3 VR3​ = 10 kΩR4​ = 1 kΩ

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放,其中 R3 = R1,R4 = R2。 求反相输入端的电压 V−。

V1 = −2.3 VV2 = 1.3 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 1 kΩ
V− = V
22.运放电路困难
−+Vout​C = 0.47 µFVin​ = 2 VR = 4.7 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±12 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 2 V 时,电容未充电。 t = 0 之后多长时间输出达到饱和?求 t。

Vin = 2 VR = 4.7 kΩC = 0.47 µFVsat = ±12 V
t = ms
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1 kΩβ = 100RE​ = 1.2 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 68 kΩR2​ = 22 kΩ

一只 β = 100 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 = 22 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 1 kΩ,发射极电阻为 RE = 1.2 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–发射极电压 VCE。

VCC = 12 VR1 = 68 kΩR2 = 22 kΩRC = 1 kΩRE = 1.2 kΩβ = 100
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 680 Ωβ = 100VCC​ = 9 V3.3 VRB​ = ?

一只 β = 100 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 3.3 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 = 100Vin = 3.3 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 −47。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −478 bit
U =
26.数制困难
12 位补码, N = ??符号位???????????

12 位补码能存储的最小(最负)整数 N 是多少?

12 bit
N =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010010302041517060120131150140809011110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 7, 10, 15) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 7, 10, 15)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD000111100001111000110302X4X507060120131151141819X11110

对于 F(A, B, C, D) = Σm(1, 8, 9, 10, 14, 15) + d(4, 5, 11)(其中 d 表示无关项),求必要质蕴涵项的个数 N。

F(A, B, C, D) = Σm(1, 8, 9, 10, 14, 15) + d(4, 5, 11)
N =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

求 F(s) = (6s + 36)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = (6s + 36)/(s² + 10s + 25)t = 0.25 s
f(0.25) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 4y′ + 3y = 0,初始条件 y(0) = −1,y′(0) = −7,并求 y(0.2)。

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = −1y′(0) = −7t = 0.2 s
y(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+K(s + 6)(s + 7)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 6)(s + 7)) 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 + 6)(s + 7))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+7s + 2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) = 7/(s + 2)。在 R = 0 时,大小为 10 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 7 的最小增益 K。

G(s) = 7/(s + 2)D = 10css ≤ 7
K =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 45/(s² + 2s + 45),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 45/(s² + 2s + 45)
σ =
34.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 5))。求使阶跃响应有 5 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 5 %
K =
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.1110100−40−20020ω (rad/s)ω = 10

求 G(s) = 144/((s + 8)(s + 9)) 在 ω = 10 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 144/((s + 8)(s + 9))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = K/(s(s + 1)(s + 2))。 求给出 2 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 2))GM = 2 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 2)(s + 5)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))。把增益提高到闭环处于稳定边缘。求持续振荡的频率 ω。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))
ω = rad/s
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 + 5)) 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 + 5))
ω = rad/s
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5t+20s(s + 4)(s + 10)C(s)−

斜坡 r(t) = 5t 加到 G(s) = 20/(s(s + 4)(s + 10)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 20/(s(s + 4)(s + 10))r(t) = 5t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 12s(s + 2)C(s)−

比例控制器 K = 1 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 2))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 2/(s(s + 2))K = 1
ts = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 8.296 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​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​5 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 10·17/(10+17) = 6.296 Ω
Req = R1 + 6.296 = 2 + 6.296 = 8.296 Ω

答案

Req = 8.296 Ω
2.串并联电阻

答案: IR2 = 2.87 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​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBR6​15 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 = 3 + 15 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 5.538 Ω
R3 + 5.538 = 15.54 Ω
R2 ∥ 15.54 = 5.281 Ω
Req = R1 + 5.281 = 3 + 5.281 = 8.281 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 = 36/8.281 = 4.347 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 − 4.347·3 = 22.96 V
IR2 = VA/R2 = 22.96/8 = 2.87 A

答案

IR2 = 2.87 A
3.节点分析

答案: VB = 9.818 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/8 + (VA + 12)/3 = 3
VA = (3 − 12/3)/(1/8 + 1/3) = −2.182 V
VB = −2.182 + 12 = 9.818 V

答案

VB = 9.818 V
4.节点分析

答案: Is = 10.56 A

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

节点 A 的 KCL

VA 已知,所以这个方程给出 VB。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(24 − 24)/15 + 24/25 = (VB − 24)/5
0.96 = (VB − 24)/5 → VB = 28.8 V

节点 B 的 KCL

经电阻从 B 流出的电流等于电源注入 B 的电流。

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (28.8 − 24)/5 + 28.8/3 = 10.56 A

答案

Is = 10.56 A
5.网孔分析

答案: VR1 = 0.4167 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​ = 12 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​15 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
12·I1 + 15(I1 − I2) = 10
27·I1 − 15·I2 = 10

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 15(I2 − I1) = (−12)
−15·I1 + 19·I2 = −12

求解

Δ = (27)(19) − (−15)(−15) = 288
I1 = Δ1/Δ = 10/288 = 0.03472 A
I2 = Δ2/Δ = −174/288 = −0.6042 A

答案

IR1 = I1 = 0.03472 A
VR1 = IR1·R1 = 0.03472·12 = 0.4167 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR5 = 0.5393 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​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​25 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
2·I1 + 25(I1 − I2) = 18
27·I1 − 25·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
25·I2 + 25(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 75·I2 − 25·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
25·I3 + 25(I3 − I2) = (−24)
−25·I2 + 50·I3 = −24

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 53125
I1 = Δ1/Δ = 41250/53125 = 0.7765 A
I2 = Δ2/Δ = 6300/53125 = 0.1186 A
I3 = Δ3/Δ = −22350/53125 = −0.4207 A

答案

IR5 = I2 − I3 = 0.5393 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: Is = 0.375 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​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​10 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 = 10+10 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·20/(12+20) = 7.5 Ω
VA = 10·7.5/(20+7.5) = 2.727 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2.727·10/20 = 1.364 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (2.727 − 1.364)/10 = 0.1364 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 = 7.5 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·10/27.5 = −0.3636·Is

令总和为零

IR3′ + IR3″ = 0.1364 − 0.3636·Is = 0
Is = 0.1364/0.3636 = 0.375 A

答案

Is = 0.375 A
8.叠加定理

答案: VR3 = −5.938 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​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​10 VR3​20 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) = 20 ∥ 4 = 3.333 Ω
VA = 10·3.333/(2+3.333) = 6.25 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6.25·2/4 = 3.125 V
VR3′ = VA − 0 = 6.25 − 0 = 6.25 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω短路R3​20 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 = 1.818 Ω,所以左侧路径为 R2+1.818 = 3.818 Ω
Req = R4 ∥ 3.818 = 1.313 Ω
VB = Is·Req = (−1.5)·1.313 = −1.969 V
VA = VB·1.818/3.818 = −0.9375 V
VR3″ = VA − 0 = −0.9375 − 0 = −0.9375 V
R1​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω短路R3​20 ΩA开路B−+V2​36 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 = 2·20/(2+20) = 1.818 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·3.818/5.818 = −23.63 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −23.63·1.818/3.818 = −11.25 V
VR3‴ = VA − 0 = −11.25 − 0 = −11.25 V

叠加各分量

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 6.25 + (−0.9375) + (−11.25) = −5.938 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 = 3.75 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​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​6 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 = 10·6/(10+6) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 4 = 7.75 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​6 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) = 10·6/(10+6) = 3.75 V
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 11.19 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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​5 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 3 = 7 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAIs​3 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) = 2 + (−3)·4 = −10 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10 + (−3)·3 = −19 V
Rth​ = 7 Ω−+Vth​19 VRL​15 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

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

IL = Vth/(Rth + RL) = −19/(7 + 15) = −0.8636 A
PL = IL²·RL = −0.8636²·15 = 11.19 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 0.3245 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 = 22 mH / 47 Ω = 0.4681 ms
i(∞) = Vs/R = 20/47 = 0.4255 A

求解时间

0.5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.5)
t = −0.4681·ln(0.5) = 0.3245 ms

答案

t = 0.3245 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 5.108 ms

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

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 1 kΩ · 10 µF = 10 ms
vC(t) = 20 + (12 − 20)·e−t/τ

求解时间

15.2 = 20 + (−8)·e−t/τ → e−t/τ = (15.2 − 20)/(12 − 20) = 0.6
t = τ·ln((12 − 20)/(15.2 − 20)) = 10·ln(1.667) = 5.108 ms

答案

t = 5.108 ms
13.交流阻抗和相量

答案: I = 2.283 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/(3142·2.2·10⁻⁶) = 144.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (12.39)²) = 100.8 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/100.8 = 2.283 A

答案

I = 2.283 A
14.交流阻抗和相量

答案: B = 795.8 Hz

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。

谐振频率

f0 = 1/(2π·√(0.001·0.047·10⁻⁶)) = 23215 Hz

品质因数

Q 把谐振时的电抗与电阻进行比较:Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0.001/(0.047·10⁻⁶)) = 29.17

带宽

B = f0/Q = 23215/29.17 = 795.8 Hz

答案

B = 795.8 Hz
15.交流功率和功率因数

答案: R = 4.5 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 = 1152/16² = 4.5 Ω

答案

R = 4.5 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 144 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 = 48·tan(arccos 0.65) = 56.12 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 − 56.12²) = 192 kW

增加的有功功率

ΔP = 192 − 48 = 144 kW

答案

ΔP = 144 kW
17.三相电

答案: IL = 21.53 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 = 22/0.95 = 23.16 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23158/(√3·690·0.9) = 21.53 A

答案

IL = 21.53 A
18.三相电

答案: QC = 65.37 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 = 80·tan(acos 0.7) = 80·1.02 = 81.62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.98) = 80·0.2031 = 16.24 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 65.37 kvar

答案

QC = 65.37 kvar
19.变压器

答案: IHV = 22.73 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 = 250000/11000 = 22.73 A

答案

IHV = 22.73 A
20.变压器

答案: Ploss = 200 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 = 0.25·400 = 100 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 100 + 100 = 200 W

答案

Ploss = 200 W

此负载下的效率为 η = 98.15%。

21.运放电路

答案: V− = 0.1182 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

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流,所以构成分压器;反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1.3·1/(10 + 1) = 0.1182 V
V₋ = V₊

答案

V− = 0.1182 V
22.运放电路

答案: t = 13.25 ms

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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 4.7 kΩ · 0.47 µF = 2.209 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −2/2.209 = −0.9054 V/ms

达到饱和的时间

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·2.209/2 = 13.25 ms

答案

t = 13.25 ms
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 8.416 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/(68 + 22) = 2.933 V
RTH = 68·22/(68 + 22) = 16.62 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.933 − 0.7)/(16.62 + 101·1.2) = 16.2 µA

集电极电流

IC = 100·16.2 µA = 1.62 mA
IE = 101·16.2 µA = 1.637 mA

集电极–发射极电压

VCE = 12 − 1.62·1 − 1.637·1.2 = 8.416 V

答案

VCE = 8.416 V
24.二极管与晶体管

答案: RB = 20.09 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 = 12.94/100 = 129.4 µA

基极电阻

RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.1294 mA = 20.09 kΩ

答案

RB = 20.09 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 = 209

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

47 = 0010 1111
取反后: 1101 0000
+1 → 1101 0001

按无符号数读取

1101 0001₂ = 256 − 47 = 209

答案

U = 209
26.数制

答案: N = −2048

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。

最负值

−211 = −2048

答案

N = −2048
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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。

ABCD000111100001111010010302041517060120131150140809011110

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

BCD
A′BD
A′B′C′D′
AB′CD′

最简 SOP 形式

F = BCD + A′BD + A′B′C′D′ + AB′CD′
N = 4

答案

N = 4
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 2

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

B′C′D, AC, A′C′D, AB′
ABCD000111100001111000110302X4X507060120131151141819X11110

必要质蕴涵项

AC, AB′
N = 2

答案

N = 2
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 2.149

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

6s + 36 = 6(s + 5) + 6
F(s) = 6/(s + 5) + 6/(s + 5)²

逆变换

f(t) = 6·e−5t + 6·t·e−5t
f(0.25) = (6 + 6·0.25)·e−5·0.25 = 2.149

答案

f(0.25) = 2.149
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = −1.898

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 − (−1)s − (−7) + 4(sY − (−1)) + 3Y = 0
Y(s) = (−s − 11)/((s + 1)(s + 3))

部分分式

A = −10/2 = −5
B = −8/(−2) = 4

结果

y(t) = −5·e−t + 4·e−3t
y(0.2) = −1.898

答案

y(0.2) = −1.898

检验:y(0) = A + B = −1。

31.方框图

答案: K = 0.25

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 + 6)(s + 7)) = 0 → s² + 13s + 42 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

13² = 4(42 + K) → K = 169/4 − 42 = 0.25

答案

K = 0.25
此时两个闭环极点都在 s = −6.5。
32.方框图

答案: K = 1.143

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)) = 10·7/(2 + 7K)

解出 K

2 + 7K = 10·7/7 = 10
K = (10 − 2)/7 = 1.143

答案

K = 1.143
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 = 45 → ωₙ = 6.708 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6.708) = 0.1491

结果

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

答案

σ = −1
34.阶跃响应

答案: K = 13.12

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 + 5s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 0.6901

增益

ωₙ = 5/(2ζ) = 3.623 rad/s
K = ωₙ² = 13.12

答案

K = 13.12
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = −1.558 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(j10)| = 144/(√(10² + 8²)·√(10² + 9²)) = 144/(12.81·13.45) = 0.8358

结果

20·log₁₀(0.8358) = −1.558 dB

答案

|G(jω)| = −1.558 dB
36.伯德图与裕度

答案: K = 4.766

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

相位穿越

(ω/1)·(ω/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1.414 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 4)) = K/(1·2·(1 + 2)) = K/6

所需增益

6/K = 102/20 = 1.259
K = 6/1.259 = 4.766

答案

K = 4.766
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 3.162 rad/s

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。

劳斯阵列

s³ + 7s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K

临界增益

K = 7·10 = 70

辅助方程

在临界增益下 s¹ 行为零;s² 行给出虚轴上的极点。

7s² + 70 = 0 → s = ±j√10
ω = 3.162 rad/s

答案

ω = 3.162 rad/s
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 6.164 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 + 11s² + 38s + 40 + K = 0
s¹: (11·38 − 40 − K)/11 = 0 → K = 378

穿越频率

11s² + 40 + 378 = 11s² + 418 = 0 → s² = −38
ω = √38 = 6.164 rad/s

答案

ω = 6.164 rad/s
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 10

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) = 0.5

斜坡误差

ess = 5/0.5 = 10

答案

ess = 10
40.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 4 s

P、PI 和 PID 控制:控制器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s 作用于误差。比例增益使回路更快,并减小 0 型对象的误差,但无法将其消除。积分项增加一个 s = 0 处的极点:系统型别升高一级,阶跃输入可以被无误差地跟踪。微分项增加阻尼。选取增益时,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζωns + ωn² 比较。然后 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),tp = π/ωd,其中 ωd = ωn√(1 − ζ²),ts ≈ 4/(ζωn)。

特征多项式

s(s + 2) + 1·2 = s² + 2s + 2

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √2 = 1.414 rad/s
ζ = 2/(2·1.414) = 0.7071

调节时间

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/1 = 4 s

答案

ts = 4 s

这里调节时间与 K 无关:增大 K 只会使响应振荡得更快。

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