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​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩIR2​AR4​3 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​4 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 12 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 20 ΩVA = 12 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR4​5 ΩAR5​2 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I3(顺时针)。

V1 = 5 VV2 = 9 VR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 ΩR5 = 2 Ω
I3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​5 VR3​20 ΩIR3​AIs​3 AB+−V2​?

求使流过 R3 的电流 IR3 为零的电压源 V2 的值(极性如图所示)。

V1 = 5 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​4 ABRL​12 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 12 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​6 Vt = 0R = 68 ΩL220 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 75%?求 t。

Vs = 6 VR = 68 ΩL = 220 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​6 Vt = 0R = 3.3 kΩC10 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 = 50 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 6 VR = 3.3 kΩC = 10 µFvC(0) = 10 Vt = 50 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
12 V200 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 47 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 47 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
12 V200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 47 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 47 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
240 VR + jXP = 1224 W6 A

一个感性负载从 240 V(有效值)的单相电源吸取 6 A 和 1224 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 240 VI = 6 AP = 1224 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 10 kW,功率因数为 0.65(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.98。 求新的线路电流 Inew。

P = 10 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M22 kW, η = 90%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 90%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。

Pout = 22 kWη = 90%cos φ = 0.9VL = 415 V
IL = A
18.三相电困难
P = 50 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 50 kW,功率因数为 0.75(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 = 50 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
16 ΩN1​N2​400 Ω

一台输出电阻为 400 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 16 Ω 的扬声器。为实现最大功率传输,从放大器看扬声器须相当于 400 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 400 ΩRL = 16 Ω
a =
20.变压器困难
pf 0.925 kVA, 75% 负载

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 125 W,额定负载下铜损为 500 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 = 25 kVAPcore = 125 WPcu,fl = 500 Wx = 0.75pf = 0.9
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 20。

R1 = 22 kΩAv = 20
Rf = kΩ
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 10 kΩRf1​ = 10 kΩ第 2 级:同相R2​ = 22 kΩRf2​ = 1 kΩ

两个理想运放级级联连接:一个反相放大器(R1,Rf1),后接一个同相放大器(R2 接地,Rf2 在反馈支路中)。两级都采用 ±15 V 电源。 输入为 Vin = −0.65 V。求输出电压 Vout。

R1 = 10 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 1 kΩVin = −0.65 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−24 V680 Ω12 V1000 ΩIZ​ = ?

一个 12 V 的齐纳稳压器通过 680 Ω 接到 24 V,并向 1000 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 24 VVZ = 12 VR = 680 ΩRL = 1000 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 100 Ωβ = 100VCC​ = 9 V5 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 100 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 5 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 = 100 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
25.数制中等
补码中的位权1−12806413201618040201

8 位模式 1010 1000 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1010 10008 bit
N =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0110 1010 << 2 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0110 1010<< 2
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000010312140507060120130150141819111010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 8, 9, 11) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 8, 9, 11)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​CLKMOD-5

一个 100 kHz 的时钟驱动一个模 5 计数器。求其最高位输出的频率 fout,该输出每个计数周期完成一个周期。

fclk = 100 kHzN = 5
fout = kHz
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

用部分分式法求 F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.2)。

F(s) = 55/(s(s + 3)(s + 4))t = 0.2 s
f(0.2) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 9y′ + 18y = 0,初始条件 y(0) = 3,y′(0) = −15,并求 y(0.3)。

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = 3y′(0) = −15t = 0.3 s
y(0.3) =
31.方框图中等
R(s)+4s + 1G(s)C(s)0.2H−

被控对象 G(s) = 4/(s + 1) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.2。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 4/(s + 1)H = 0.2
τ = s
32.方框图困难
R(s)+10s + 3G₁+1s + 5G₂C(s)1H₁−0.1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 10/(s + 3),G₂ = 1/(s + 5),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 1,外部有负反馈 H₂ = 0.1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 10/(s + 3)G₂ = 1/(s + 5)H₁ = 1H₂ = 0.1
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)2ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 190/(s² + 4s + 95),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 190/(s² + 4s + 95)
ts = s
34.阶跃响应困难
R(s)+235s(s + 8)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 235/(s(s + 8))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 235/(s(s + 8))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

求 G(s) = 416/((s + 4)(s + 13)) 在 ω = 20 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 416/((s + 4)(s + 13))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.010.010.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 1.2/(s(s + 2))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 1.2/(s(s + 2))
ωc = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+51s(s + 1)(s + 2)C(s)+

图中的回路采用正反馈,L(s) = 5/(s(s + 1)(s + 2))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 5/(s(s + 1)(s + 2))
N =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−40.5j0.5j1sb​

已给出 L(s) = K/((s + 1)(s + 3)) 的根轨迹。求分离点 sb 处的增益 K,此时两个闭环极点在实轴上相遇。

L(s) = K/((s + 1)(s + 3))
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 1940.5s + 1C(s)−

过程 G(s) = 4/(0.5s + 1) 由比例增益 K = 19 在单位负反馈回路中控制。求阶跃输入的稳态误差 ess,以阶跃大小的百分数表示。

G(s) = 4/(0.5s + 1)K = 19
ess = %
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 252s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 25 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 6))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 2/(s(s + 6))K = 25
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 3.438 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​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 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 = 8 + 3 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 2·11/(2+11) = 1.692 Ω
Req = R1 + 1.692 = 2 + 1.692 = 3.692 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 = 15/3.692 = 4.063 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 − 4.063·2 = 6.875 V
IR2 = VA/R2 = 6.875/2 = 3.438 A

答案

IR2 = 3.438 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.7697 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​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​20 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 6.667 Ω
R3 + 6.667 = 14.67 Ω
R2 ∥ 14.67 = 5.176 Ω
Req = R1 + 5.176 = 15 + 5.176 = 20.18 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 24/20.18 = 1.19 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 = 24 − 1.19·15 = 6.157 V
IR2 = VA/R2 = 6.157/8 = 0.7697 A

答案

IR2 = 0.7697 A
3.节点分析

答案: PIs = 75.79 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/2 + (VA − 18)/3 + (VA − VB)/6 = 0
VA − 0.1667·VB = 6

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/8 + (VB − VA)/6 = 4
−0.1667·VA + 0.2917·VB = 4

求解

Δ = (1)(0.2917) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.2639
VA = Δ1/Δ = 2.417/0.2639 = 9.158 V
VB = Δ2/Δ = 5/0.2639 = 18.95 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 = 18.95·4 = 75.79 W

答案

PIs = 75.79 W
4.节点分析

答案: Is = 2.4 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
(12 − 12)/12 + 12/15 = (VB − 12)/25
0.8 = (VB − 12)/25 → VB = 32 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 = (32 − 12)/25 + 32/20 = 2.4 A

答案

Is = 2.4 A
5.网孔分析

答案: I2 = −1.389 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​ = 12 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​5 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 6
17·I1 − 5·I2 = 6

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 + 5(I2 − I1) = (−15)
−5·I1 + 11·I2 = −15

求解

Δ = (17)(11) − (−5)(−5) = 162
I1 = Δ1/Δ = −9/162 = −0.05556 A
I2 = Δ2/Δ = −225/162 = −1.389 A

答案

I2 = −1.389 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I3 = −0.5319 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​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR4​5 ΩAR5​2 ΩB+−V2​9 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
30·I1 + 5(I1 − I2) = 5
35·I1 − 5·I2 = 5

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 + 5(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 17·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
15·I3 + 2(I3 − I2) = (−9)
−2·I2 + 17·I3 = −9

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 9550
I1 = Δ1/Δ = 1335/9550 = 0.1398 A
I2 = Δ2/Δ = −205/9550 = −0.02147 A
I3 = Δ3/Δ = −5080/9550 = −0.5319 A

答案

I3 = −0.5319 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR3 = −2.211 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​12 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 = 12+12 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·24/(3+24) = 2.667 Ω
VA = 9·2.667/(20+2.667) = 1.059 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1.059·12/24 = 0.5294 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (1.059 − 0.5294)/12 = 0.04412 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​5 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 = 20·3/(20+3) = 2.609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 14.61 = 6.588 Ω
VB = Is·Req = 5·6.588 = 32.94 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 32.94·2.609/14.61 = 5.882 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (5.882 − 32.94)/12 = −2.255 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0.04412 + (−2.255) = −2.211 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: V2 = 20 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​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​5 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 ∥ 12 = 7.5 Ω
VA = 5·7.5/(6+7.5) = 2.778 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.778·10/12 = 2.315 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω短路R3​20 ΩAIs​3 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。

R1 ∥ R3 = 4.615 Ω,所以左侧路径为 R2+4.615 = 6.615 Ω
Req = R4 ∥ 6.615 = 3.981 Ω
VB = −Is·Req = −3·3.981 = −11.94 V
VA = VB·4.615/6.615 = −8.333 V

情况 3 · V2 单独作用,按每伏计

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 4.615 Ω
VA‴ = V2·4.615/(10 + 2 + 4.615) = 0.2778·V2

令 VA 为零

VA = 0 时 R₃ 两端没有电压,所以其电流为零。

VA′ + VA″ + VA‴ = 2.778 + (−8.333) + 0.2778·V2 = 0
V2 = 5.556/0.2778 = 20 V

答案

V2 = 20 V
9.戴维南和诺顿

答案: Rth = 7.158 Ω

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​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​15 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 = 4·15/(4+15) = 3.158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.158 + 4 = 7.158 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 26.61 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​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​3 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 = 12·3/(12+3) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 4 = 6.4 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​4 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) = 1.8 + 4·2.4 = 11.4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11.4 + 4·4 = 27.4 V
Rth​ = 6.4 Ω+−Vth​27.4 VRL​12 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) = 27.4/(6.4 + 12) = 1.489 A
PL = IL²·RL = 1.489²·12 = 26.61 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 4.485 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 = 220 mH / 68 Ω = 3.235 ms
i(∞) = Vs/R = 6/68 = 0.08824 A

求解时间

0.75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)
t = −3.235·ln(0.25) = 4.485 ms

答案

t = 4.485 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 6.879 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 = 6 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 6 + (10 − 6)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(50) = 6 + (4)·e−50/33 = 6.879 V

答案

vC = 6.879 V
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.2368 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.02 = 25.13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16.93 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (8.201)²) = 50.67 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/50.67 = 0.2368 A

答案

I = 0.2368 A
14.交流阻抗和相量

答案: VC = 1.118 V

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16.93 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (171.6)²) = 181.8 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 12/181.8 = 0.06602 A

电容电压

VC = I·XC = 0.06602·16.93 = 1.118 V

答案

VC = 1.118 V
15.交流功率和功率因数

答案: R = 34 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 = 1224/6² = 34 Ω

答案

R = 34 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: Inew = 42.52 A

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

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(49.46°) = 11.69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(11.48°) = 2.031 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9.661 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(240·0.98) = 42.52 A

答案

Inew = 42.52 A
17.三相电

答案: IL = 37.79 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 = 22/0.9 = 24.44 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 24444/(√3·415·0.9) = 37.79 A

答案

IL = 37.79 A
18.三相电

答案: QC = 33.94 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 = 50·tan(acos 0.75) = 50·0.8819 = 44.1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.98) = 50·0.2031 = 10.15 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 33.94 kvar

答案

QC = 33.94 kvar
19.变压器

答案: a = 5

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。

匹配折算负载

a²·16 = 400
a = √(400/16) = √25 = 5

答案

a = 5
20.变压器

答案: Ploss = 406.3 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 = 0.5625·500 = 281.3 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 125 + 281.3 = 406.3 W

答案

Ploss = 406.3 W

此负载下的效率为 η = 97.65%。

21.运放电路

答案: Rf = 418 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)·22 = 418 kΩ

答案

Rf = 418 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = 0.6795 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。

各级的增益

A1 = −Rf1/R1 = −10/10 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/22 = 1.045

逐级计算

V1 = −1·(−0.65) = 0.65 V
Vout = 1.045·0.65 = 0.6795 V

答案

Vout = 0.6795 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 5.647 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 = 12/680 = 17.65 mA

负载电流

IL = 12/1000 = 12 mA

齐纳电流

IZ = 17.65 − 12 = 5.647 mA

答案

IZ = 5.647 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 4.886 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)/100 = 88 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 88/100 = 880 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.88 mA = 4.886 kΩ

答案

RB = 4.886 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: N = −88

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 + 32 + 8 = −88

答案

N = −88
26.数制

答案: R = 168

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

左移 2 位,把每一位向左移动 2 个位置;从左端移出的位丢失,右侧补入 0。

0110 1010 << 2
= 1010 1000

结果的值

1010 1000₂ = 168

答案

R = 168
27.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。

ABCD000111100001111000010312140507060120130150141819111010

圈 0

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

(B′ + C′)
(A + D′)
(A′ + C′ + D)
(A′ + B′)
(A + B + C)

最简 POS 形式

F = (B′ + C′)(A + D′)(A′ + C′ + D)(A′ + B′)(A + B + C)
N = 5

答案

N = 5
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: fout = 20 kHz

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。

分频

fout = 100 kHz / 5 = 20 kHz

答案

fout = 20 kHz
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.2) = 0.7001

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 + 3) + C/(s + 4)
A = 55/(3·4) = 4.583
B = 55/((−3)·1) = −18.33
C = 55/((−4)·(−1)) = 13.75

逆变换

f(t) = 4.583 − 18.33·e−3t + 13.75·e−4t

求值

f(0.2) = 4.583 − 18.33·e−3·0.2 + 13.75·e−4·0.2 = 0.7001

答案

f(0.2) = 0.7001
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.3) = 0.7372

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 − 3s − (−15) + 9(sY − 3) + 18Y = 0
Y(s) = (3s + 12)/((s + 3)(s + 6))

部分分式

A = 3/3 = 1
B = −6/(−3) = 2

结果

y(t) = e−3t + 2·e−6t
y(0.3) = 0.7372

答案

y(0.3) = 0.7372

检验:y(0) = A + B = 3。

31.方框图

答案: τ = 0.5556 s

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)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 4/(s + 1 + 0.8) = 4/(s + 1.8)

结果

τ = 1/1.8 = 0.5556 s

答案

τ = 0.5556 s
32.方框图

答案: T(0) = 0.5263

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) = 1/(s + 6)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 10/((s + 3)(s + 6) + 1)

直流增益

T(0) = 10/(3·6 + 1) = 10/19 = 0.5263

答案

T(0) = 0.5263
33.阶跃响应

答案: ts = 2 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 = 95 → ωₙ = 9.747 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9.747) = 0.2052

结果

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

答案

ts = 2 s
34.阶跃响应

答案: ts = 1 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) = 235/(s² + 8s + 235): ωₙ = 15.33 rad/s, ζ = 0.2609

调节时间

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

答案

ts = 1 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)| = −1.36 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(j20)| = 416/(√(20² + 4²)·√(20² + 13²)) = 416/(20.4·23.85) = 0.855

结果

20·log₁₀(0.855) = −1.36 dB

答案

|G(jω)| = −1.36 dB
36.伯德图与裕度

答案: ωc = 0.5765 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。

增益穿越

ω⁴ + 4ω² − 1.44 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·1.44))/2 = 0.3324
ωc = 0.5765 rad/s

答案

ωc = 0.5765 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: N = 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

s³ + 3s² + 2s − 5 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 2
s²: 3, −5
s¹: 3.667
s⁰: −5

第一列中的符号变化

1 → 3 → 3.667 → −5
N = 1

答案

N = 1

正反馈使常数项系数变为负:总会有一个实极点移到右半平面。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 1

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。

分离点

对 K = −(s + 1)(s + 3),dK/ds = 0 给出 2s + 4 = 0。

sb = −2

幅值条件

K = |−2 + 1|·|−2 + 3| = 1·1 = 1

答案

K = 1

在这个增益下,闭环为临界阻尼(ζ = 1)。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 1.299 %

稳态误差:在单位负反馈回路中,设开环传递函数为 G(s),则误差为 E(s) = R(s)/(1 + G(s)),由终值定理得 ess = lims→0 s·E(s)。系统型别是 G(s) 在 s = 0 处的极点个数。误差常数为 Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s) 和 Ka = lim s²·G(s),均取 s → 0。大小为 A 的阶跃输入给出 ess = A/(1 + Kp),斜坡 A·t 给出 A/Kv,抛物线 A·t²/2 给出 A/Ka。0 型回路跟踪阶跃有有限误差,1 型回路能无误差跟踪阶跃,跟踪斜坡则有有限误差。

位置误差常数

Kp = 19·4 = 76

阶跃误差

ess = 100/(1 + 76) = 1.299 %

答案

ess = 1.299 %
40.稳态误差与 PID 控制

答案: tp = 0.4906 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) + 25·2 = s² + 6s + 50

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 6/(2·7.071) = 0.4243

峰值时间

ωd = 7.071·√(1 − 0.4243²) = 6.403 rad/s
tp = π/6.403 = 0.4906 s

答案

tp = 0.4906 s

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