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​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​3 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​30 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 ΩR5 = 25 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​3 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
IR3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​25 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 17 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 25 ΩVA = 17 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​3 ΩIR3​A+−V2​15 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 Ω
IR3 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR4​15 ΩAR5​2 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 30 VV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩR4 = 15 ΩR5 = 2 Ω
I1 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​20 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 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 Ω
Is = A
8.叠加定理困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​25 Ω+−VR3​AIs​1.5 AB+−V2​12 V

用叠加定理求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 12 VIs = 1.5 AV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 Ω
VR3 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩARL​3 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 3 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 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​2.5 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 = 18 VIs = 2.5 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 4.7 kΩR2​ = 2.2 kΩC220 µF+−vC​

电源 Vₛ 通过 R₁ 给电容充电,R₂ 与 C 并联。 开关在 t = 0 闭合时电容未充电。 求开关闭合后电路的时间常数 τ。

Vs = 24 VR1 = 4.7 kΩR2 = 2.2 kΩC = 220 µF
τ = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 15 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 9.48 V 时它必须触发,恰好在开始后 1000 ms。 已知 C = 22 µF,求所需的电阻 R。

Vs = 15 VVth = 9.48 VT = 1000 msC = 22 µF
R = kΩ
13.交流阻抗和相量中等
50 V50 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 100 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
VfR = 1 ΩL = 2 mHC = 0.47 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 1 Ω,L = 2 mH,C = 0.47 µF。 求其谐振时的品质因数 Q。

R = 1 ΩL = 2 mHC = 0.47 µF
Q =
15.交流功率和功率因数中等
P = 25 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 25 kW,功率因数为 0.7(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 25 kWpf = 0.7V = 230 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
100 V1000 HzRs​ = 5 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

一个 100 V(有效值)、1000 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 5 + j10 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。

Vs = 100 V (rms)f = 1000 HzZs = 5 + j10 Ω
Pmax = W
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M15 kW, η = 91%cos φ = 0.84

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 15 kW。此负载下其效率为 91%,功率因数为 0.84(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 15 kWη = 91%cos φ = 0.84VL = 480 V
IL = A
18.三相电困难
P = 100 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 100 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 = 100 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
2 Ω21

一个 2 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 2:1 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 = 2:1RL = 2 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
75 kVA

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 600 W,额定负载下铜损为 1200 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 75 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 2 kΩVin​

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±12 V。 同相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max(峰值)。

R1 = 2 kΩRf = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 1.3 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0.5 VR3​ = 22 kΩR4​ = 22 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 = 1.3 VV2 = 0.5 VR1 = 10 kΩR2 = 22 kΩR3 = 22 kΩR4 = 22 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 3.3 kΩβ = 50VCC​ = 15 VRB​ = 390 kΩ

一只 β = 50 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 15 V 经基极电阻 RB = 390 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 3.3 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极–发射极电压 VCE。

VCC = 15 VRB = 390 kΩRC = 3.3 kΩβ = 50VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
+−≤ 20 V150 Ω12 V

一个 12 V 的齐纳稳压器有一个 150 Ω 的串联电阻。输入可能升到 20 V,负载可能被断开。求齐纳管必须耗散的最大功率 PZ,max。

Vin,max = 20 VVZ = 12 VR = 150 Ω
PZ,max = mW
25.数制中等
补码中的位权1−12816403211618041211

8 位模式 1101 1011 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1101 10118 bit
N =
26.数制困难
4984 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 4984 个项目中的每一个分配一个长度相同的独立二进制编码。最少需要多少位 b?

4984
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000110302140507060121130150140809111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 10, 11, 13) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 10, 11, 13)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

一个 4 位移位寄存器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 中存有 1010。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀,Q₀ 丢失),串行输入进入 Q₃。串行输入在 4 个边沿处为 1, 1, 1, 0。给出最终状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10101, 1, 1, 0
Q =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

用部分分式法求 F(s) = 40/(s(s + 1)(s + 3)) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = 40/(s(s + 1)(s + 3))t = 0.4 s
f(0.4) =
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 = 54·u(t),y(0) = 4,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 5。用拉普拉斯变换求 y(0.2)。

y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.2 s
y(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 4)) 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(s + 4))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+K(s + 2)(s + 4)(s + 6)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6)) 放在单位负反馈回路中。 用劳斯–赫尔维茨判据求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))单位负反馈
Kmax =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 20/(s² + 3s + 40),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 20/(s² + 3s + 40)
tp = s
34.阶跃响应困难
R(s)+120s(s + 2)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 120/(s(s + 2))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 120/(s(s + 2))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 1

求 G(s) = 43(s + 2)/(s(s + 4)) 在 ω = 1 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 43(s + 2)/(s(s + 4))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 574/(s(s + 6)(s + 9))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 574/(s(s + 6)(s + 9))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 51s(s + 2)(s + 3)C(s)−

图中的回路在 K = 5 下运行,L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))。在闭环变得不稳定之前,增益最多可以提高到原来的多少倍 m?

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))K = 5
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −1 之间离开实轴,绕一圈后在零点左侧再次汇入实轴。求分离点 sb。

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 1)(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 1)(s + 2))。求使阶跃输入的稳态误差为 4 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 4 %
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 2t+2 + 5/s5(s + 2)(s + 10)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 2 + 5/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/((s + 2)(s + 10))。求斜坡输入 r(t) = 2t 的稳态误差 ess。

C(s) = 2 + 5/sG(s) = 5/((s + 2)(s + 10))r(t) = 2t
ess =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 5.137 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​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​3 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 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 2·23/(2+23) = 1.84 Ω
Req = R1 + 1.84 = 4 + 1.84 = 5.84 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 = 30/5.84 = 5.137 A

答案

IR1 = 5.137 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.4692 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​ = 5 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBR6​30 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 11.79 Ω
R3 + 11.79 = 16.79 Ω
R2 ∥ 16.79 = 4.42 Ω
Req = R1 + 4.42 = 5 + 4.42 = 9.42 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 = 6/9.42 = 0.6369 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 = 6 − 0.6369·5 = 2.815 V
IR2 = VA/R2 = 2.815/6 = 0.4692 A

答案

IR2 = 0.4692 A
3.节点分析

答案: IR3 = −0.8961 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​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​3 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 15 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 15)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0.2833·VA − 0.06667·VB = 0.75

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/15 = 3
−0.06667·VA + 0.1667·VB = 3

求解

Δ = (0.2833)(0.1667) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.04278
VA = Δ1/Δ = 0.325/0.04278 = 7.597 V
VB = Δ2/Δ = 0.9/0.04278 = 21.04 V

答案

IR3 = (VA − VB)/R3 = (7.597 − 21.04)/15 = −0.8961 A
4.节点分析

答案: Is = 9.77 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
(17 − 18)/12 + 17/2 = (VB − 17)/2
8.417 = (VB − 17)/2 → VB = 33.83 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 = (33.83 − 17)/2 + 33.83/25 = 9.77 A

答案

Is = 9.77 A
5.网孔分析

答案: IR3 = 4.444 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​ = 4 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​30 VR3​3 ΩA+−V2​15 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
4·I1 + 3(I1 − I2) = 30
7·I1 − 3·I2 = 30

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
6·I2 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 9·I2 = −15

求解

Δ = (7)(9) − (−3)(−3) = 54
I1 = Δ1/Δ = 225/54 = 4.167 A
I2 = Δ2/Δ = −15/54 = −0.2778 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 4.444 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I1 = 1.08 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​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR4​15 ΩAR5​2 ΩB+−V2​30 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
20·I1 + 15(I1 − I2) = 30
35·I1 − 15·I2 = 30

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 + 15(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 27·I2 − 2·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 + 2(I3 − I2) = (−30)
−2·I2 + 27·I3 = −30

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 19300
I1 = Δ1/Δ = 20850/19300 = 1.08 A
I2 = Δ2/Δ = 10050/19300 = 0.5207 A
I3 = Δ3/Δ = −20700/19300 = −1.073 A

答案

I1 = 1.08 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: Is = 0.9 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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​12 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 = 2+20 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·22/(12+22) = 7.765 Ω
VA = 30·7.765/(8+7.765) = 14.78 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 14.78·20/22 = 13.43 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (14.78 − 13.43)/2 = 0.6716 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 = 4.8 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·20/26.8 = −0.7463·Is

令总和为零

IR3′ + IR3″ = 0.6716 − 0.7463·Is = 0
Is = 0.6716/0.7463 = 0.9 A

答案

Is = 0.9 A
8.叠加定理

答案: VR3 = 8.063 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​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​12 VR3​25 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) = 25 ∥ 29 = 13.43 Ω
VA = 12·13.43/(10+13.43) = 6.877 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6.877·4/29 = 0.9486 V
VR3′ = VA − 0 = 6.877 − 0 = 6.877 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​25 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 = 7.143 Ω,所以左侧路径为 R2+7.143 = 32.14 Ω
Req = R4 ∥ 32.14 = 3.557 Ω
VB = Is·Req = (−1.5)·3.557 = −5.336 V
VA = VB·7.143/32.14 = −1.186 V
VR3″ = VA − 0 = −1.186 − 0 = −1.186 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​25 ΩA开路B+−V2​12 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 = 10·25/(10+25) = 7.143 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·32.14/36.14 = 10.67 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10.67·7.143/32.14 = 2.372 V
VR3‴ = VA − 0 = 2.372 − 0 = 2.372 V

叠加各分量

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 6.877 + (−1.186) + 2.372 = 8.063 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: IL = 0.1807 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​ = 12 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 = 8·2/(8+2) = 1.6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.6 + 12 = 13.6 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​2 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) = 15·2/(8+2) = 3 V
Rth​ = 13.6 Ω+−Vth​3 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) = 3/(13.6 + 3) = 0.1807 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 19.72 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​ = 5 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 = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 5 = 7.727 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAIs​2.5 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) = 8.182 + 2.5·2.727 = 15 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15 + 2.5·5 = 27.5 V
Rth​ = 7.727 Ω+−Vth​27.5 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) = 27.5/(7.727 + 3) = 2.564 A
PL = IL²·RL = 2.564²·3 = 19.72 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: τ = 329.7 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。

电容看到的戴维南等效电路

把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。

Rth = R1 ∥ R2 = 4.7·2.2/(4.7 + 2.2) = 1.499 kΩ
vC(∞) = 24·2.2/(4.7 + 2.2) = 7.652 V

时间常数

τ = Rth·C = 1.499·220 = 329.7 ms

答案

τ = 329.7 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: R = 45.47 kΩ

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

所需的时间常数

9.48 = 15·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(15/(15 − 9.48))
τ = 1000/0.9997 = 1000 ms

电阻

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

R = τ/C = 1000/22 = 45.47 kΩ

答案

R = 45.47 kΩ
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 27.01 °

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/(314.2·100·10⁻⁶) = 31.83 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (15.29)²) = 33.67 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(15.29/30) = 27.01°

答案

φ = 27.01°
14.交流阻抗和相量

答案: Q = 65.23

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·√(0.002·0.47·10⁻⁶)) = 5191 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) = (1/1)·√(0.002/(0.47·10⁻⁶)) = 65.23

答案

Q = 65.23
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 25.51 kvar

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

相角

φ = arccos(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02

无功功率

Q = P·tan φ = 25·1.02 = 25.51 kvar

答案

Q = 25.51 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 500 W

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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 5 − j10 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 100/10 = 10 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·5) = 500 W

答案

Pmax = 500 W
17.三相电

答案: IL = 23.6 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 = 15/0.91 = 16.48 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16484/(√3·480·0.84) = 23.6 A

答案

IL = 23.6 A
18.三相电

答案: QC = 32.4 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 = 100·tan(acos 0.8) = 100·0.75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.92) = 100·0.426 = 42.6 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 32.4 kvar

答案

QC = 32.4 kvar
19.变压器

答案: R1′ = 8 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 = 2²·2 = 8 Ω

答案

R1′ = 8 Ω
20.变压器

答案: Sη,max = 53.03 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

x²·1200 = 600 → x = √(600/1200) = 0.7071

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.7071·75 = 53.03 kVA

答案

Sη,max = 53.03 kVA
21.运放电路

答案: Vin,max = 0.4898 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。

增益

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/2 = 24.5

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/24.5 = 0.4898 V

答案

Vin,max = 0.4898 V
22.运放电路

答案: Vout = −2.06 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) = 0.5·22/(22 + 22) = 0.25 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 = −(22/10)·1.3 + (1 + 22/10)·0.25 = −2.86 + 0.8 = −2.06 V

答案

Vout = −2.06 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 8.95 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。

基极电流

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0.7)/390 kΩ = 36.67 µA

集电极电流

IC = β·IB = 50·36.67 µA = 1.833 mA

集电极–发射极电压

VCE = 15 − 1.833 mA·3.3 kΩ = 8.95 V

答案

VCE = 8.95 V
24.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 640 mW

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。

最坏情况的齐纳电流

IZ = 8/150 = 53.33 mA

齐纳功率

PZ = 12·53.33 = 640 mW

答案

PZ,max = 640 mW
25.数制

答案: N = −37

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。

−128 + 64 + 16 + 8 + 2 + 1 = −37

答案

N = −37
26.数制

答案: b = 13 bit

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。

2 的幂

212 = 4096 < 4984
213 = 8192 ≥ 4984

答案

b = 13
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。

ABCD000111100001111000110302140507060121130150140809111110

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。

AB′C
A′B′C′D
A′BC′D′
ABC′D

最简 SOP 形式

F = AB′C + A′B′C′D + A′BC′D′ + ABC′D
N = 4

答案

N = 4
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 7

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。

每个边沿之后的状态

1010 → 1101 → 1110 → 1111 → 0111

十进制值

0111₂ = 7

答案

Q = 7
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 1.935

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)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)
A = 40/(1·3) = 13.33
B = 40/((−1)·2) = −20
C = 40/((−3)·(−2)) = 6.667

逆变换

f(t) = 13.33 − 20·e−t + 6.667·e−3t

求值

f(0.4) = 13.33 − 20·e−0.4 + 6.667·e−3·0.4 = 1.935

答案

f(0.4) = 1.935
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 6.239

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) = 4s + 36 + 270/s
Y(s) = (4s² + 36s + 270)/(s(s + 3)(s + 6))

部分分式

A = 270/(3·6) = 15
B = 198/((−3)·3) = −22
C = 198/((−6)·(−3)) = 11

结果

y(t) = 15 − 22·e−3t + 11·e−6t
y(0.2) = 6.239

答案

y(0.2) = 6.239

检验:y(0) = A + B + C = 4。

31.方框图

答案: K = 4

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(s + 4)) = 0 → s² + 4s + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

4² = 4K → K = 16/4 = 4

答案

K = 4
此时两个闭环极点都在 s = −2。
32.方框图

答案: Kmax = 480

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

s³ + 12s² + 44s + 48 + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 44
s² | 12 48 + K
s¹ | (12·44 − 48 − K)/12
s⁰ | 48 + K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 12·44 − 48 = 480

答案

Kmax = 480
33.阶跃响应

答案: tp = 0.5113 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 = 40 → ωₙ = 6.325 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6.325) = 0.2372

结果

ωd = 6.325·√(1 − 0.2372²) = 6.144 rad/s → tp = π/ωd = 0.5113 s

答案

tp = 0.5113 s
34.阶跃响应

答案: ts = 4 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

闭环传递函数

T(s) = 120/(s² + 2s + 120): ωₙ = 10.95 rad/s, ζ = 0.09129

调节时间

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

答案

ts = 4 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −77.47 °

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。

把各角度相加

∠G = atan(1/2) − 90° − atan(1/4) = 26.57° − 90° − 14.04°

结果

∠G(j1) = −77.47°

答案

∠G(jω) = −77.47°
36.伯德图与裕度

答案: GM = 2.991 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。

相位穿越

(ω/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7.348 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

增益裕度

GM = 20·log₁₀(810/574) = 2.991 dB

答案

GM = 2.991 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 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。

劳斯阵列

s³ + 5s² + 6s + K = 0
s³: 1, 6
s²: 5, K
s¹: (5·6 − K)/5
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 5·6 = 30

倍数

m = 30/5 = 6

答案

m = 6

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:15.56 dB。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −0.5193

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) = −(s² + 1s)/(s + 7)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 1)(s + 7) − (s² + 1s) = s² + 14s + 7 = 0
s = −7 ± √42 = −0.5193, −13.48

分离点

sb = −0.5193

答案

sb = −0.5193

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √42 = 6.481。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 48

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。

所需误差常数

1/(1 + Kp) = 0.04 → Kp = 24

增益

K/2 = 24 → K = 48

答案

K = 48

还要检查闭环稳定性:对这个二阶回路,任何 K > 0 都是稳定的。

40.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 1.6

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 + 5 → 5。

Kv = 5·5/20 = 1.25

斜坡误差

ess = 2/1.25 = 1.6

答案

ess = 1.6

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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