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
- 从离端子最远的网络末端开始。
- 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
- 每一步之后重新画电路。
- 重复直到端子之间只剩一个电阻。
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。
求流过 R2 的电流 IR2。
求流过 R2 的电流 IR2。
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。
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)。
用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。
用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。
用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。
用叠加定理求 R1 吸收的功率 PR1。
求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。
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。
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。
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。
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)。
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|。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 10。
加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。
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。
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。
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?
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?
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?
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。
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)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。
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。
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。
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。
减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。
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。
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。
箭头沿支路向上,指向节点 A。
结果为负表示实际电流与箭头方向相反。
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。
VA 已知,所以这个方程给出 VB。
经电阻从 B 流出的电流等于电源注入 B 的电流。
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。
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。
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 +)。
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 +)。
网孔电流为负表示逆时针流动。
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。
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。
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 +)。
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 +)。
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 +)。
网孔电流为负表示逆时针流动。
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。
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。
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。
结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。
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。
V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。
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。
V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。
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。
把各单独情况下的功率相加会得到 13.89 W,这是错误的。
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。
电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。
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。
电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。
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。
分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。
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。
只有有功部分做功,所以要除以功率因数。
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。
有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。
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。
只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。
验算:cos φ = R/|Z| = 0.28,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。
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。
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。
在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。
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。
理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。
验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 80 Ω,460/80 得到相同的电流。
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。
铁损在任何负载下都相同。
此负载下的效率为 η = 97.74%。
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。
V₋ = V₊ = Vin,且流过 R₁ 的电流也流过 Rf,所以 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。
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。
V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。
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。
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。
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。
β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。
晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。
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。
其余各位保持正常的正权值。
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。
AND 只有在两位都为 1 时才得 1。
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。
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。
D 触发器在每个上升沿复制 D:Q⁺ = D。
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)。
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)。
检验:y(0) = A + B = 9。
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)。
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)。
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)。
分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。
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)。
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。
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。
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。
对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。
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。
根轨迹位于实轴上 0 与 −3 之间;另一个根不在根轨迹上。
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。
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)。
微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。
本内容为独立练习材料。ExamProblems 与该考试的主办机构没有隶属关系,也未获其认可,考试名称仅用于描述内容。 FE exam 由 NCEES 举办,该机构与 ExamProblems 无关,也不为其背书。
ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical