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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩIR2​AR4​15 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​25 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 ΩR5 = 6 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​8 Ω+−V1​12 VR2​5 Ω+−V2​9 VI2​R3​5 Ω+−V3​15 VA

如图所示,节点 A 与地之间连接了三条支路。用节点分析法求支路 2 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I2。

V1 = 12 VR1 = 8 ΩV2 = 9 VR2 = 5 ΩV3 = 15 VR3 = 5 Ω
I2 = A
4.节点分析困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 7.5 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 18 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩVA = 7.5 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 5 ΩIR1​R2​ = 15 Ω+−V1​18 VR3​2 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
IR1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 ΩR5 = 15 Ω
I2 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBIs​1 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
IR3 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩAIs​6 AB+−V2​30 V

用叠加定理求 R1 吸收的功率 PR1。

V1 = 10 VIs = 6 AV2 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
PR1 = W
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAIs​3 ABRL​8 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 8 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 = 10 VIs = 3 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​6 Vt = 0R = 68 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 95%?求 t。

Vs = 6 VR = 68 ΩL = 47 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​30 V在 t = 0 断开R1​ = 10 kΩR2​ = 6.8 kΩi2​C220 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 750 ms 时流过 R2 的电流 i2。

Vs = 30 VR1 = 10 kΩR2 = 6.8 kΩC = 220 µFt = 750 ms
i2 = mA
13.交流阻抗和相量中等
100 V60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 10 µF

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、60 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 = 100 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 10 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
120 V500 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 60 ΩC = 4.7 µF

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 120 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 120 V (rms)f = 500 HzR1 = 30 ΩR2 = 60 ΩC = 4.7 µF
|Z| = Ω
15.交流功率和功率因数中等
P = 16 kWQSφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 16 kW,功率因数为 0.7(滞后)。 求线路电流 I。

P = 16 kWpf = 0.7V = 400 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、60 Hz 电源吸取 40 kW,功率因数为 0.75(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求新的线路电流 Inew。

P = 40 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VZ = 7 + j24 Ω每相

一个每相阻抗为 7 + j24 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 208 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VZ = 7 + j24 Ω 每相
P = kW
18.三相电困难
P = 75 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 75 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 0.98(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 = 0.8pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
RL​ = 20 Ω21460 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 2:1 的理想变压器,一次绕组加 460 V 电压。二次绕组两端接一个 20 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 2:1V1 = 460 VRL = 20 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.875 kVA, 25% 负载

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 300 W,额定负载下铜损为 750 W。 它以 0.8(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 750 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 10 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 10。

R1 = 10 kΩAv = 10
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −0.3 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1.4 VR2​ = 100 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −0.3 VV2 = 1.4 VR1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1.2 kΩβ = 200IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 680 kΩ

一只 β = 200 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 15 V 经基极电阻 RB = 680 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 1.2 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 15 VRB = 680 kΩRC = 1.2 kΩβ = 200VBE = 0.7 V
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 470 Ωβ = 80IC​ = ?VCC​ = 5 V3.3 VRB​ = 47 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 5 V 与其集电极之间的 470 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 = 47 kΩ 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求输入为高电平时的集电极电流 IC,以 mA 计。先判断晶体管是否饱和。

VCC = 5 VRC = 470 Ωβ = 80Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 47 kΩ
IC = mA
25.数制中等
补码中的位权0−12816413201618140201

8 位模式 0110 1100 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

0110 11008 bit
N =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1000 1101 AND 1011 0111 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1000 1101AND1011 0111
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = A′B′ + AB + ABC′ 化简为最简积之和形式。化简后的表达式包含多少个文字 L?

F = A′B′ + AB + ABC′
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKD1234567

一个上升沿触发的 D 触发器从 Q = 0 开始,接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0D
  1. 1时钟边沿 1
  2. 2时钟边沿 2
  3. 3时钟边沿 3
  4. 4时钟边沿 4
  5. 5时钟边沿 5
  6. 6时钟边沿 6
  7. 7时钟边沿 7
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

用部分分式法求 F(s) = 40/(s(s + 3)(s + 5)) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = 40/(s(s + 3)(s + 5))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″ + 5y′ + 4y = 0,初始条件 y(0) = 9,y′(0) = −8,并求 y(0.2)。

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 9y′(0) = −8t = 0.2 s
y(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+5K+2s + 7G(s)C(s)2H₁−−

被控对象 G(s) = 2/(s + 7) 带有一个增益为 H₁ = 2 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 5 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) = 2/(s + 7)H₁ = 2K = 5
p =
32.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+9s + 8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) = 9/(s + 8)。在 R = 0 时,大小为 1 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 0.1125 的最小增益 K。

G(s) = 9/(s + 8)D = 1css ≤ 0.1125
K =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 56/(s² + 8s + 56),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 56/(s² + 8s + 56)
ωn = rad/s
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 0.1 s10 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 10 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.1 s。求固有频率 ωn。

%OS = 10 %tp = 0.1 s
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
vin​R = 22 kΩC = 4.7 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 22 kΩ, C = 4.7 nF。输入为7.7 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 22 kΩC = 4.7 nFf = 7.7 kHz
φ = °
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 + 6)(s + 8))。 求给出 5 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))GM = 5 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 10(s − 4)(s + 2)C(s)−

对象 G(s) = (s + 10)/((s − 4)(s + 2)) 在 s = 4 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 + 10)/((s − 4)(s + 2))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −3 之间离开实轴。求分离点 sb。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 1952s + 1C(s)−

过程 G(s) = 5/(2s + 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) = 5/(2s + 1)K = 19
ess = %
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+10 + Kd​s2s(s + 3)C(s)−

PD 控制器 C(s) = 10 + Kd·s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 3))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.8 的微分增益 Kd。

G(s) = 2/(s(s + 3))Kp = 10ζ = 0.8
Kd = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.4293 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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​15 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 + 15 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 10·27/(10+27) = 7.297 Ω
Req = R1 + 7.297 = 8 + 7.297 = 15.3 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 = 9/15.3 = 0.5883 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 = 9 − 0.5883·8 = 4.293 V
IR2 = VA/R2 = 4.293/10 = 0.4293 A

答案

IR2 = 0.4293 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.3274 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​ = 30 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​30 ΩBR6​25 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 + 25 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 15.25 Ω
R3 + 15.25 = 45.25 Ω
R2 ∥ 45.25 = 18.04 Ω
Req = R1 + 18.04 = 4 + 18.04 = 22.04 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 = 12/22.04 = 0.5445 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 = 12 − 0.5445·4 = 9.822 V
IR2 = VA/R2 = 9.822/30 = 0.3274 A

答案

IR2 = 0.3274 A
3.节点分析

答案: I2 = −0.6 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

取底部导线为地。每条支路从 A 流出的电流为 (VA − Vk)/Rk,其中 Vk 为该支路电源的电压(纯电阻支路为零)。从 A 流出的电流之和为零。

(VA − 12)/8 + (VA − 9)/5 + (VA − 15)/5 = 0

求 VA

VA = (12/8 + 9/5 + 15/5) / (1/8 + 1/5 + 1/5) = 6.3/0.525 = 12 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I2 = (9 − VA)/R2 = (9 − 12)/5 = −0.6 A

答案

I2 = −0.6 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

4.节点分析

答案: Is = 3.368 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
(7.5 − 18)/25 + 7.5/5 = (VB − 7.5)/10
1.08 = (VB − 7.5)/10 → VB = 18.3 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 = (18.3 − 7.5)/10 + 18.3/8 = 3.368 A

答案

Is = 3.368 A
5.网孔分析

答案: IR1 = 2.504 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​ = 5 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​18 VR3​2 ΩA+−V2​9 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
5·I1 + 2(I1 − I2) = 18
7·I1 − 2·I2 = 18

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 17·I2 = −9

求解

Δ = (7)(17) − (−2)(−2) = 115
I1 = Δ1/Δ = 288/115 = 2.504 A
I2 = Δ2/Δ = −27/115 = −0.2348 A

答案

IR1 = I1 = 2.504 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I2 = 0.3679 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​ = 5 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 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
5·I1 + 25(I1 − I2) = 15
30·I1 − 25·I2 = 15

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
6·I2 + 25(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 46·I2 − 15·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 + 15(I3 − I2) = (−12)
−15·I2 + 30·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 15900
I1 = Δ1/Δ = 12825/15900 = 0.8066 A
I2 = Δ2/Δ = 5850/15900 = 0.3679 A
I3 = Δ3/Δ = −3435/15900 = −0.216 A

答案

I2 = 0.3679 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR3 = 1.073 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​12 VR2​20 ΩAR4​4 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+4 = 6 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·6/(20+6) = 4.615 Ω
VA = 12·4.615/(8+4.615) = 4.39 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4.39·4/6 = 2.927 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4.39 − 2.927)/2 = 0.7317 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​20 ΩAR4​4 ΩBIs​1 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 = 8·20/(8+20) = 5.714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 7.714 = 2.634 Ω
VB = Is·Req = (−1)·2.634 = −2.634 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −2.634·5.714/7.714 = −1.951 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (−1.951 − −2.634)/2 = 0.3415 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0.7317 + 0.3415 = 1.073 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: PR1 = 11.62 W

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​ = 3 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​10 VR3​2 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) = 2 ∥ 24 = 1.846 Ω
VA = 10·1.846/(3+1.846) = 3.81 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3.81·4/24 = 0.6349 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (10 − 3.81)/3 = 2.063 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​2 ΩAIs​6 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 = 1.2 Ω,所以左侧路径为 R2+1.2 = 21.2 Ω
Req = R4 ∥ 21.2 = 3.365 Ω
VB = −Is·Req = −6·3.365 = −20.19 V
VA = VB·1.2/21.2 = −1.143 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −1.143)/3 = 0.381 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​2 ΩA开路B+−V2​30 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 = 3·2/(3+2) = 1.2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·21.2/25.2 = 25.24 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 25.24·1.2/21.2 = 1.429 V
IR1‴ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1.429)/3 = −0.4762 A

把电流的各个贡献相加

IR1 = IR1′ + IR1″ + IR1‴ = 2.063 + 0.381 + (−0.4762) = 1.968 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR1 = IR1²·R1 = 1.968²·3 = 11.62 W

答案

PR1 = 11.62 W

把各单独情况下的功率相加会得到 13.89 W,这是错误的。

9.戴维南和诺顿

答案: Rth = 11.71 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​ = 12 ΩR3​ = 10 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 = 12·2/(12+2) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 10 = 11.71 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.527 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​ = 25 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 = 25·5/(25+5) = 4.167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.167 + 3 = 7.167 Ω
R1​ = 25 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) = 1.667 + 3·4.167 = 14.17 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14.17 + 3·3 = 23.17 V
Rth​ = 7.167 Ω+−Vth​23.17 VRL​8 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) = 23.17/(7.167 + 8) = 1.527 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 2.071 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 / 68 Ω = 0.6912 ms
i(∞) = Vs/R = 6/68 = 0.08824 A

求解时间

0.95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.95)
t = −0.6912·ln(0.05) = 2.071 ms

答案

t = 2.071 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: i2 = 1.082 mA

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。

电容的初始电压

稳态时电容相当于开路,所以 R₁ 和 R₂ 构成分压器。开关断开时电容电压不能突变。

vC(0) = 30·6.8/(10 + 6.8) = 12.14 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 6.8·220 = 1496 ms

放电

vC(t) = 12.14·e−750/1496 = 7.355 V
i2 = vC/R2 = 7.355/6.8 = 1.082 mA

答案

i2 = 1.082 mA
13.交流阻抗和相量

答案: φ = −73.7 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.25 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−171)²) = 178.2 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−171/50) = −73.7°

答案

φ = −73.7°
14.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 70.24 Ω

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

XC = 1/(2π·500·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 33.62 − j29.78 Ω

总阻抗

Z = 30 + 33.62 − j29.78 = 63.62 − j29.78 Ω
|Z| = √(63.62² + 29.78²) = 70.24 Ω

答案

|Z| = 70.24 Ω
15.交流功率和功率因数

答案: I = 57.14 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。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 16000/(400·0.7) = 57.14 A

答案

I = 57.14 A
16.交流功率和功率因数

答案: Inew = 193.2 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 = 40·tan(41.41°) = 35.28 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(25.84°) = 19.37 kvar
QC = Q1 − Q2 = 15.9 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(230·0.9) = 193.2 A

答案

Inew = 193.2 A
17.三相电

答案: P = 1.454 kW

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。

相电压

Vph = VL = 208 V

相电流

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 208/25 = 8.32 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·8.32²·7 = 1.454 kW

答案

P = 1.454 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.28,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: Cph = 472.3 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 0.8) = 75·0.75 = 56.25 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.98) = 75·0.2031 = 15.23 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 41.02 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 = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13674/(377·277.1²) = 472.3 µF

答案

Cph = 472.3 µF
19.变压器

答案: I1 = 5.75 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。

二次电压和电流

V2 = 460/2 = 230 V
I2 = 230/20 = 11.5 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/2 = 5.75 A

答案

I1 = 5.75 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 80 Ω,460/80 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Ploss = 346.9 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 = 0.0625·750 = 46.88 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 300 + 46.88 = 346.9 W

答案

Ploss = 346.9 W

此负载下的效率为 η = 97.74%。

21.运放电路

答案: Rf = 90 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 = (10 − 1)·10 = 90 kΩ

答案

Rf = 90 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = 1.36 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 = −0.3/2 = −0.15 mA
I2 = V2/R2 = 1.4/100 = 0.014 mA
If = I1 + I2 = −0.136 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −10·(−0.136) = 1.36 V

答案

Vout = 1.36 V
23.二极管与晶体管

答案: IC = 4.206 mA

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)/680 kΩ = 21.03 µA

集电极电流

IC = β·IB = 200·21.03 µA = 4.206 mA

答案

IC = 4.206 mA

验算:VCE = 9.953 V 远高于 0.2 V,所以晶体管确实工作在放大区。

24.二极管与晶体管

答案: IC = 4.426 mA

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

基极电流

IB = (3.3 − 0.7)/47 kΩ = 55.32 µA

饱和还是放大?

β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。

β·IB = 4.426 mA
IC(sat) = (5 − 0.2)/470 = 10.21 mA

集电极电流

IC = β·IB = 4.426 mA

答案

IC = 4.426 mA

晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。

25.数制

答案: N = 108

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。

64 + 32 + 8 + 4 = 108

答案

N = 108
26.数制

答案: R = 133

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

AND 只有在两位都为 1 时才得 1。

1000 1101
AND 1011 0111
= 1000 0101

结果的值

1000 0101₂ = 133

答案

R = 133
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 4

布尔代数:化简表达式的规则有 X + X′ = 1 和 X·X′ = 0、X + X = X、吸收律 X + X·Y = X、合并律 X·Y + X·Y′ = X、X + X′Y = X + Y,以及一致性定理 XY + X′Z + YZ = XY + X′Z。德摩根律把 (X·Y)′ 变成 X′ + Y′,把 (X + Y)′ 变成 X′·Y′。卡诺图以图形方式应用这些规则:每个由两个相邻格子组成的圈,就是一次使用 XY + XY′ = X。

表达式的最小项

A′B′ → m(0, 1)
AB → m(6, 7)
ABC′ → m(6)
ABC00011110011011030204051716

圈组并读出结果

F = A′B′ + AB

数出文字个数

L = 4

答案

L = 4
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 6

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 Q

D 触发器在每个上升沿复制 D:Q⁺ = D。

1: D = 0 → Q = 0
2: D = 0 → Q = 0
3: D = 0 → Q = 0
4: D = 0 → Q = 0
5: D = 1 → Q = 1
6: D = 0 → Q = 0
7: D = 0 → Q = 0

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 6

答案

时钟边沿 6
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 0.6636

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 + 5)
A = 40/(3·5) = 2.667
B = 40/((−3)·2) = −6.667
C = 40/((−5)·(−2)) = 4

逆变换

f(t) = 2.667 − 6.667·e−3t + 4·e−5t

求值

f(0.25) = 2.667 − 6.667·e−3·0.25 + 4·e−5·0.25 = 0.6636

答案

f(0.25) = 0.6636
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 7.492

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 − 9s − (−8) + 5(sY − 9) + 4Y = 0
Y(s) = (9s + 37)/((s + 1)(s + 4))

部分分式

A = 28/3 = 9.333
B = 1/(−3) = −0.3333

结果

y(t) = 9.333·e−t − 0.3333·e−4t
y(0.2) = 7.492

答案

y(0.2) = 7.492

检验:y(0) = A + B = 9。

31.方框图

答案: p = −21

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) = 2/(s + 7 + 2·2) = 2/(s + 11)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 10/(s + 11 + 10) = 10/(s + 21)

结果

p = −21

答案

p = −21
32.方框图

答案: K = 8

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)) = 1·9/(8 + 9K)

解出 K

8 + 9K = 1·9/0.1125 = 80
K = (80 − 8)/9 = 8

答案

K = 8
33.阶跃响应

答案: ωn = 7.483 rad/s

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

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 56 → ωₙ = 7.483 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7.483) = 0.5345

结果

ωₙ = 7.483 rad/s

答案

ωn = 7.483 rad/s
34.阶跃响应

答案: ωn = 38.95 rad/s

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

阻尼比

ζ = −ln(0.1)/√(π² + ln²(0.1)) = 2.303/√(9.87 + 5.302) = 0.5912

固有频率

ωd = π/tp = π/0.1 = 31.42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31.42/0.8066 = 38.95 rad/s

答案

ωn = 38.95 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: φ = −78.7 °

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。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·4.7 × 10⁻⁹) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 7700/1539 = 5.003

相位

φ = − atan(5.003) = −78.7°

答案

φ = −78.7°
36.伯德图与裕度

答案: K = 377.9

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

相位穿越

(ω/6)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(6·8) = 6.928 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 64)) = K/(6·8·(6 + 8)) = K/672

所需增益

672/K = 105/20 = 1.778
K = 672/1.778 = 377.9

答案

K = 377.9
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 2

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 − 4)(s + 2) + K(s + 10) = s² + (-2 + K)s + (10K − 8)

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。

-2 + K > 0 → K > 2
10K − 8 > 0 → K > 0.8
Kmin = 2

答案

Kmin = 2
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −1.333

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) = −s(s + 3)(s + 8) = −(s³ + 11s² + 24s)

驻点

dK/ds = −(3s² + 22s + 24) = 0
s = (−22 ± √(484 − 288))/6 = −1.333, −6

选出在根轨迹上的点

根轨迹位于实轴上 0 与 −3 之间;另一个根不在根轨迹上。

sb = −1.333

答案

sb = −1.333
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 1.042 %

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 = 19·5 = 95

阶跃误差

ess = 100/(1 + 95) = 1.042 %

答案

ess = 1.042 %
40.稳态误差与 PID 控制

答案: Kd = 2.078 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 + 3) + 2(10 + Kds) = s² + (3 + 2Kd)s + 20

固有频率

ωₙ = √20 = 4.472 rad/s

微分增益

3 + 2Kd = 2·0.8·4.472 = 7.155
Kd = 2.078 s

答案

Kd = 2.078 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

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