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​ = 3 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​2 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​4 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 ΩR5 = 20 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​1.5 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 30 VIs = 1.5 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 15 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 ΩVA = 15 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 5 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 Ω
IR1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩIR2​R3​ = 25 Ω+−V1​24 VR4​6 ΩAR5​25 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VV2 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​6 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 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
Is = A
8.叠加定理困难
R1​ = 15 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​4 Ω−+VR3​AIs​5 AB+−V2​15 V

用叠加定理求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 15 VIs = 5 AV2 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
VR3 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAIs​3 ABRL​20 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 20 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 = 30 VIs = 3 AR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​24 Vt = 0R = 100 ΩL47 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 = 24 VR = 100 ΩL = 47 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​24 Vt = 0R = 3.3 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 2 V,极性如图所示。 vC 需要多长时间达到 19.6 V?求 t。

Vs = 24 VR = 3.3 kΩC = 10 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.交流阻抗和相量中等
100 V500 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 2.2 µFI

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 2.2 µF
cos φ =
14.交流阻抗和相量困难
VfR = 10 ΩL = 20 mHC = 0.047 µF

一个 RLC 串联电路的 R = 10 Ω,L = 20 mH,C = 0.047 µF。 求其谐振时的品质因数 Q。

R = 10 ΩL = 20 mHC = 0.047 µF
Q =
15.交流功率和功率因数中等
240 V18 kW, 0.6211 kW, 0.8I

两个负载并联接在 240 V 的单相电源上:一个 8 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一个 11 kW、功率因数为 0.8(超前)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 240 VP1 = 8 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 11 kW, pf2 = 0.8 超前
cos φ =
16.交流功率和功率因数困难
400 V50 Hz负载9 kW, 0.6C68 µFI

一个单相负载从 400 V、50 Hz 的电源吸取 9 kW,功率因数为 0.6(滞后)。一个 68 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 9 kWpf1 = 0.6V = 400 Vf = 50 HzC = 68 µF
cos φ =
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M11 kW, η = 94%cos φ = 0.85

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 11 kW。此负载下其效率为 94%,功率因数为 0.85(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 11 kWη = 94%cos φ = 0.85VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 75 kW,功率因数为 0.65(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 75 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
7200 V240 VIHV​ = ?ILV​150 kVA

一台单相 150 kVA、7200/240 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 = 150 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.9575 kVA, η = 98%

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 375 W。 在额定负载、功率因数为 0.95(滞后)时,其效率为 98%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 75 kVAPcore = 375 Wpf = 0.95η = 98%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 4.7 kΩVin​ = 0.4 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 0.4 VR1 = 4.7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = 0.2 VR1​ = 10 kΩV2​ = −0.3 VR2​ = 4.7 kΩIf​

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求流过反馈电阻、流向输出端的电流 If。

V1 = 0.2 VV2 = −0.3 VR1 = 10 kΩR2 = 4.7 kΩRf = 4.7 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
+−18 V220 Ω12 V1500 ΩIZ​ = ?

一个 12 V 的齐纳稳压器通过 220 Ω 接到 18 V,并向 1500 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 18 VVZ = 12 VR = 220 ΩRL = 1500 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
+−≤ 20 V100 Ω9.1 V

一个 9.1 V 的齐纳稳压器有一个 100 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 = 9.1 VR = 100 Ω
PZ,max = mW
25.数制中等
补码中的位权1−12816413211608141211

8 位模式 1111 0111 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1111 01118 bit
N =
26.数制困难
8 bit1 px1024 px768 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 1024 × 768 像素,每像素 8 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

1024 × 768 px8 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010011031214151716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(1, 2, 4, 5, 6, 7) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(1, 2, 4, 5, 6, 7)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​FFQ4​Q4​CLKMOD-25

模 25 计数器必须依次经过 25 个不同的状态。它至少需要多少个触发器 n?

N = 25
n =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

求 F(s) = (6s + 26)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = (6s + 26)/(s² + 10s + 25)t = 0.25 s
f(0.25) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−5−10−15−20

某系统由微分方程 y″ + 9y′ + 18y = u′ + 20u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 0.25 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.25)。

y″ + 9y′ + 18y = u′ + 20ut = 0.25 s
g(0.25) =
31.方框图中等
R(s)+18K+7s + 1G(s)C(s)1H₁−−

被控对象 G(s) = 7/(s + 1) 带有一个增益为 H₁ = 1 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 18 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 7/(s + 1)H₁ = 1K = 18
p =
32.方框图困难
R(s)+7s + 5G₁+2s + 3G₂C(s)4H₁−0.1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 7/(s + 5),G₂ = 2/(s + 3),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 4,外部有负反馈 H₂ = 0.1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 7/(s + 5)G₂ = 2/(s + 3)H₁ = 4H₂ = 0.1
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) = 4/(s² + s + 4),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 4/(s² + s + 4)
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)0.11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 10

求 G(s) = 2592/((s + 8)(s + 18)) 在 ω = 10 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 2592/((s + 8)(s + 18))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 + 3)(s + 6))。 求给出 4 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))GM = 4 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 5(s − 1)(s + 5)C(s)−

对象 G(s) = (s + 5)/((s − 1)(s + 5)) 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 + 5))
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 + 5)(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 + 5)(s + 6))
ω = rad/s
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2t+Ks(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 10)),必须以 0.02 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 2tess = 0.02
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 44s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 4 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 6))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 4/(s(s + 6))K = 4
ts = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 2.077 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​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​2 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 2·4/(2+4) = 1.333 Ω
Req = R1 + 1.333 = 3 + 1.333 = 4.333 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 = 9/4.333 = 2.077 A

答案

IR1 = 2.077 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.438 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​ = 25 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBR6​4 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R5 + R6 = 20 + 4 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 6 Ω
R3 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 2.4 Ω
Req = R1 + 2.4 = 25 + 2.4 = 27.4 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 = 15/27.4 = 0.5474 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 = 15 − 0.5474·25 = 1.314 V
IR2 = VA/R2 = 1.314/3 = 0.438 A

答案

IR2 = 0.438 A
3.节点分析

答案: PIs = 26.72 W

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/8 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/5 = 0
0.45·VA − 0.2·VB = 3.75

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/15 + (VB − VA)/5 = 1.5
−0.2·VA + 0.2667·VB = 1.5

求解

Δ = (0.45)(0.2667) − (−0.2)(−0.2) = 0.08
VA = Δ1/Δ = 1.3/0.08 = 16.25 V
VB = Δ2/Δ = 1.425/0.08 = 17.81 V

电流源输出的功率

电源把 Iₛ 从地(0 V)向上注入节点 B,即升到 VB。电流从其 + 端流出的电源输出功率 P = V·I。

PIs = VB·Is = 17.81·1.5 = 26.72 W

答案

PIs = 26.72 W
4.节点分析

答案: Is = 3.083 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
(15 − 10)/12 + 15/20 = (VB − 15)/20
1.167 = (VB − 15)/20 → VB = 38.33 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 = (38.33 − 15)/20 + 38.33/20 = 3.083 A

答案

Is = 3.083 A
5.网孔分析

答案: IR1 = 0.624 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​ = 5 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

设定网孔电流

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

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
20·I1 + 6(I1 − I2) = 24
26·I1 − 6·I2 = 24

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 6(I2 − I1) = (−18)
−6·I1 + 11·I2 = −18

求解

Δ = (26)(11) − (−6)(−6) = 250
I1 = Δ1/Δ = 156/250 = 0.624 A
I2 = Δ2/Δ = −324/250 = −1.296 A

答案

IR1 = I1 = 0.624 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR2 = 0.5152 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​ = 3 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​24 VR4​6 ΩAR5​25 ΩB+−V2​15 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
3·I1 + 6(I1 − I2) = 24
9·I1 − 6·I2 = 24

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
2·I2 + 6(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 33·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) = (−15)
−25·I2 + 50·I3 = −15

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 7425
I1 = Δ1/Δ = 22350/7425 = 3.01 A
I2 = Δ2/Δ = 3825/7425 = 0.5152 A
I3 = Δ3/Δ = −315/7425 = −0.04242 A

答案

IR2 = I2 = 0.5152 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: Is = 0.6667 A

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​6 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+6 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·16/(20+16) = 8.889 Ω
VA = 6·8.889/(10+8.889) = 2.824 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2.824·6/16 = 1.059 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (2.824 − 1.059)/10 = 0.1765 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 = 6.667 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·6/22.67 = −0.2647·Is

令总和为零

IR3′ + IR3″ = 0.1765 − 0.2647·Is = 0
Is = 0.1765/0.2647 = 0.6667 A

答案

Is = 0.6667 A
8.叠加定理

答案: VR3 = −8.276 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​ = 15 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​4 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) = 4 ∥ 35 = 3.59 Ω
VA = 15·3.59/(15+3.59) = 2.897 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.897·10/35 = 0.8276 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 2.897 = −2.897 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω短路R3​4 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。

R1 ∥ R3 = 3.158 Ω,所以左侧路径为 R2+3.158 = 28.16 Ω
Req = R4 ∥ 28.16 = 7.379 Ω
VB = Is·Req = 5·7.379 = 36.9 V
VA = VB·3.158/28.16 = 4.138 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 4.138 = −4.138 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω短路R3​4 ΩA开路B+−V2​15 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 = 15·4/(15+4) = 3.158 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·28.16/38.16 = 11.07 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 11.07·3.158/28.16 = 1.241 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 1.241 = −1.241 V

叠加各分量

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−2.897) + (−4.138) + (−1.241) = −8.276 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 = 2.526 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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​4 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 = 15·4/(15+4) = 3.158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.158 + 12 = 15.16 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​4 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) = 12·4/(15+4) = 2.526 V
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.437 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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​6 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 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 8 = 12 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​6 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) = 10 + 3·4 = 22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22 + 3·8 = 46 V
Rth​ = 12 Ω+−Vth​46 VRL​20 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) = 46/(12 + 20) = 1.437 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 0.3258 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 = 47 mH / 100 Ω = 0.47 ms
i(∞) = Vs/R = 24/100 = 0.24 A

求解时间

0.5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.5)
t = −0.47·ln(0.5) = 0.3258 ms

答案

t = 0.3258 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: t = 53.11 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 24 + (2 − 24)·e−t/τ

求解时间

19.6 = 24 + (−22)·e−t/τ → e−t/τ = (19.6 − 24)/(2 − 24) = 0.2
t = τ·ln((2 − 24)/(19.6 − 24)) = 33·ln(5) = 53.11 ms

答案

t = 53.11 ms
13.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.1239

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

XL = 785.4 Ω, XC = 144.7 Ω

阻抗

|Z| = √(80² + (640.7)²) = 645.7 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 80/645.7 = 0.1239
电路是感性的,所以功率因数滞后。

答案

cos φ = 0.1239
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·√(0.02·0.047·10⁻⁶)) = 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) = (1/10)·√(0.02/(0.047·10⁻⁶)) = 65.23

答案

Q = 65.23
15.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.992

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 = 8·tan(arccos 0.6) = 10.67 kvar
Q2 = −11·tan(arccos 0.8) = −8.25 kvar

总计

P = 8 + 11 = 19 kW
Q = 10.67 + (−8.25) = 2.417 kvar
S = √(19² + 2.417²) = 19.15 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 19/19.15 = 0.992 滞后

答案

cos φ = 0.992
16.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.7237

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 = 9·tan(arccos 0.6) = 12 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·68·10⁻⁶ = 3418 var = 3.418 kvar
Q2 = 12 − 3.418 = 8.582 kvar

新的视在功率

S2 = √(9² + 8.582²) = 12.44 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 9/12.44 = 0.7237

答案

cos φ = 0.7237
17.三相电

答案: IL = 11.52 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 = 11/0.94 = 11.7 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11702/(√3·690·0.85) = 11.52 A

答案

IL = 11.52 A
18.三相电

答案: Cph = 791 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 = 75·tan(acos 0.65) = 75·1.169 = 87.68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.9) = 75·0.4843 = 36.32 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 51.36 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 17120/(377·239.6²) = 791 µF

答案

Cph = 791 µF
19.变压器

答案: IHV = 20.83 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 = 150000/7200 = 20.83 A

答案

IHV = 20.83 A
20.变压器

答案: Pcu,fl = 1079 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。

输出功率和输入功率

Pout = 75·0.95 = 71.25 kW
Pin = 71250/0.98 = 72704 W

总损耗和铜损

Ploss = 72704 − 71250 = 1454 W
Pcu,fl = 1454 − 375 = 1079 W

答案

Pcu,fl = 1079 W
21.运放电路

答案: Vout = 2.272 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₊ = 0.4 V
I = V₋/R1 = 0.4/4.7 = 0.08511 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 0.4 + 0.08511·22 = 2.272 V

答案

Vout = 2.272 V
22.运放电路

答案: If = −0.04383 mA

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 = 0.2/10 = 0.02 mA
I2 = V2/R2 = −0.3/4.7 = −0.06383 mA
If = I1 + I2 = −0.04383 mA

答案

If = −0.04383 mA
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 19.27 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 = 6/220 = 27.27 mA

负载电流

IL = 12/1500 = 8 mA

齐纳电流

IZ = 27.27 − 8 = 19.27 mA

答案

IZ = 19.27 mA
24.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 991.9 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 = 10.9/100 = 109 mA

齐纳功率

PZ = 9.1·109 = 991.9 mW

答案

PZ,max = 991.9 mW
25.数制

答案: N = −9

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 + 32 + 16 + 4 + 2 + 1 = −9

答案

N = −9
26.数制

答案: M = 768 KiB

位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。

位和字节

1024·768·8 = 6291456 bit = 786432 B

换算为 KiB

786432/1024 = 768 KiB

答案

M = 768 KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

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

ABC00011110010011031214151716

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

B′C
BC′
A

最简 SOP 形式

F = B′C + BC′ + A
N = 3

答案

N = 3
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: n = 5

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。

触发器的个数

2ⁿ ≥ 25 → n = 5 (2⁵ = 32)

答案

n = 5
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 1.433

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 + 26 = 6(s + 5) + −4
F(s) = 6/(s + 5) − 4/(s + 5)²

逆变换

f(t) = 6·e−5t − 4·t·e−5t
f(0.25) = (6 − 4·0.25)·e−5·0.25 = 1.433

答案

f(0.25) = 1.433
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.25) = 1.635

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 20)/(s² + 9s + 18)

部分分式

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = 5.667, B = −4.667

冲激响应

g(t) = 5.667·e−3t − 4.667·e−6t
g(0.25) = 1.635

答案

g(0.25) = 1.635
31.方框图

答案: p = −134

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 = G/(1 + G·H₁) = 7/(s + 1 + 7·1) = 7/(s + 8)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 126/(s + 8 + 126) = 126/(s + 134)

结果

p = −134

答案

p = −134
32.方框图

答案: T(0) = 0.2482

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) = 2/(s + 11)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 14/((s + 5)(s + 11) + 1.4)

直流增益

T(0) = 14/(5·11 + 1.4) = 14/56.4 = 0.2482

答案

T(0) = 0.2482
33.阶跃响应

答案: σ = −0.5

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)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2) = 0.25

结果

σ = −ζωₙ = −1/2 = −0.5

答案

σ = −0.5
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)| = 19.85 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)| = 2592/(√(10² + 8²)·√(10² + 18²)) = 2592/(12.81·20.59) = 9.829

结果

20·log₁₀(9.829) = 19.85 dB

答案

|G(jω)| = 19.85 dB
36.伯德图与裕度

答案: K = 102.2

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/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4.243 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 36)) = K/(3·6·(3 + 6)) = K/162

所需增益

162/K = 104/20 = 1.585
K = 162/1.585 = 102.2

答案

K = 102.2
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 1

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 + 5) + K(s + 5) = s² + (4 + K)s + (5K − 5)

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。

4 + K > 0 → K > −4
5K − 5 > 0 → K > 1
Kmin = 1

答案

Kmin = 1
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 7.211 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 + 13s² + 52s + 60 + K = 0
s¹: (13·52 − 60 − K)/13 = 0 → K = 616

穿越频率

13s² + 60 + 616 = 13s² + 676 = 0 → s² = −52
ω = √52 = 7.211 rad/s

答案

ω = 7.211 rad/s
39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 1000

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。

所需速度误差常数

Kv = A/ess = 2/0.02 = 100

增益

K = 10·Kv = 1000

答案

K = 1000

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.1581。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。

40.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 1.333 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 + 6) + 4·4 = s² + 6s + 16

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √16 = 4 rad/s
ζ = 6/(2·4) = 0.75

调节时间

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1.333 s

答案

ts = 1.333 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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