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 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​6 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBR6​30 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 ΩR5 = 8 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 6 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩAR5​8 ΩBIs​6 A−+V2​10 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 30 VIs = 6 AV2 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 ΩR5 = 8 Ω
IR1 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 15 VV2 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR4​5 ΩAR5​5 Ω+−VR5​B+−V2​9 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R5 两端按图示极性的电压 VR5。

V1 = 12 VV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 5 ΩR5 = 5 Ω
VR5 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩIR2​AR4​3 ΩBIs​5 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
8.叠加定理困难
线性电路V1​V2​Is​IRL​

一个线性电阻电路含有三个独立电源:V1、V2 和 Is。流过负载的电流 I 测量了三次。所有电源取正常值时,I = −2.5 mA。V1 加倍而另两个不变时,I = 2 mA。Is 方向反转而另两个不变时,I = 8.5 mA。求将 V2 置零、V1 和 Is 取正常值时的负载电流 I。

正常值: I = −2.5 mA2·V1: I = 2 mA−Is: I = 8.5 mA
I = mA
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩARL​3 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 3 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​0.5 ABRL​25 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 25 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 30 VIs = 0.5 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩRL = 25 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R = 33 ΩL33 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 1 ms 时的电流 i。

Vs = 12 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​12 Vt = 0R = 22 kΩC?+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 12 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 10.8 V 时它必须触发,恰好在开始后 1000 ms。 已知 R = 22 kΩ,求所需的电容 C。

Vs = 12 VVth = 10.8 VT = 1000 msR = 22 kΩ
C = µF
13.交流阻抗和相量中等
50 V200 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 22 µF
cos φ =
14.交流阻抗和相量困难
1 Vf0​R = 50 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF

一个 RLC 串联电路由 1 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 1 V (rms)R = 50 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 38 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 38 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求线路电流 I。

P = 38 kWpf = 0.8V = 230 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、50 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 35 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M55 kW, η = 94%cos φ = 0.88

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 55 kW。此负载下其效率为 94%,功率因数为 0.88(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 55 kWη = 94%cos φ = 0.88VL = 480 V
IL = A
18.三相电困难
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 80 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 0.98(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 80 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
7200 V240 VIHV​ = ?ILV​25 kVA

一台单相 25 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 = 25 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.95200 kVA, 25% 负载

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 1000 W,额定负载下铜损为 2000 W。 它以 0.95(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 = 200 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 2000 Wx = 0.25pf = 0.95
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 2 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 1 VRa​ = 1 kΩRb​ = 10 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 1 VRa = 1 kΩRb = 10 kΩR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​C = 1 µFVin​ = 2.7 VR = 1 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±13 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 2.7 V 时,电容未充电。 求 t = 2 ms 时的输出电压 Vout。

Vin = 2.7 VR = 1 kΩC = 1 µFVsat = ±13 Vt = 2 ms
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1.2 kΩβ = 100VCC​ = 10 VRB​ = 1000 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 10 V 经基极电阻 RB = 1000 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–发射极电压 VCE。

VCC = 10 VRB = 1000 kΩRC = 1.2 kΩβ = 100VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 1 kΩβ = 80VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = ?

一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 1 kΩ 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 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 为保证可靠开关,按饱和所需最小基极电流的 2 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 24 VRC = 1 kΩβ = 80Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 2
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −44。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −448 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1111 1001 OR 1000 1010 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1111 1001OR1000 1010
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010001130204150716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(3, 5, 6) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(3, 5, 6)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKJK12345678

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始,在 8 个时钟上升沿接收到所示的输入。Q 改变状态的次数 N 是多少?

Q₀ = 0JK
N =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

用部分分式法求 F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 6)) 对应的 f(t),并计算 f(0.75)。

F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 6))t = 0.75 s
f(0.75) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

某系统由微分方程 y″ + 10y′ + 24y = u′ + 8u 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 = 0.3 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.3)。

y″ + 10y′ + 24y = u′ + 8ut = 0.3 s
g(0.3) =
31.方框图中等
R(s)+21s + 3G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 21/(s + 3) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 2。 在 R 处施加大小为 1 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 21/(s + 3)H = 2R = 1
css =
32.方框图困难
R(s)+19s + 4G₁+2s + 5G₂C(s)4H₁−0.25H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 19/(s + 4),G₂ = 2/(s + 5),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 4,外部有负反馈 H₂ = 0.25。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 19/(s + 4)G₂ = 2/(s + 5)H₁ = 4H₂ = 0.25
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) = 95/(s² + 6s + 95),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 95/(s² + 6s + 95)
σ =
34.阶跃响应困难
+−10 VR = 6 ΩL = 20 mHC = 100 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 6 Ω,L = 20 mH,C = 100 µF,在 t = 0 时接到 10 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求无阻尼固有频率 ωn,单位 rad/s。

R = 6 ΩL = 20 mHC = 100 µFV = 10 V
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

求 G(s) = 47(s + 14)/(s(s + 4)) 在 ω = 5 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 47(s + 14)/(s(s + 4))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 2.3/(s(s + 1))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 2.3/(s(s + 1))
ωc = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 10(s − 4)(s + 1)C(s)−

对象 G(s) = (s + 10)/((s − 4)(s + 1)) 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 + 1))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−40.5j0.5j1−1

对于回路 L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3)),求使闭环极点位于 s = −1 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))s = −1
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 0.5·t²/2+4(s + 2)s²(s + 10)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 0.5·t²/2 加到 G(s) = 4(s + 2)/(s²(s + 10)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 4(s + 2)/(s²(s + 10))r(t) = 0.5·t²/2
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 24s(s + 4)C(s)−

比例控制器 K = 2 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 4))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 4/(s(s + 4))K = 2
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 2.735 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​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​6 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 10·21/(10+21) = 6.774 Ω
Req = R1 + 6.774 = 2 + 6.774 = 8.774 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 = 24/8.774 = 2.735 A

答案

IR1 = 2.735 A
2.串并联电阻

答案: Req = 35.84 Ω

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​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBR6​30 Ω

从远端开始合并电阻

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

R5 + R6 = 8 + 30 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 6.609 Ω
R3 + 6.609 = 21.61 Ω
R2 ∥ 21.61 = 5.838 Ω
Req = R1 + 5.838 = 30 + 5.838 = 35.84 Ω

答案

Req = 35.84 Ω
3.节点分析

答案: VA = 2.321 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 10 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 10)/6 + (VA − VB)/15 = 0
0.4·VA − 0.06667·VB = 1.667

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/15 = (−2)
−0.06667·VA + 0.1667·VB = −2

求解

Δ = (0.4)(0.1667) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.06222
VA = Δ1/Δ = 0.1444/0.06222 = 2.321 V
VB = Δ2/Δ = −0.6889/0.06222 = −11.07 V

答案

VA = 2.321 V
4.节点分析

答案: IR1 = 1.978 A

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩAR5​8 ΩBIs​6 A−+V2​10 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 30 V, V2 = −10 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/8 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/6 = 0
0.4167·VA − 0.1667·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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/8 + (VB − VA)/6 + (VB − (−10))/5 = 6
−0.1667·VA + 0.4917·VB = 4

求解

Δ = (0.4167)(0.4917) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.1771
VA = Δ1/Δ = 2.51/0.1771 = 14.18 V
VB = Δ2/Δ = 2.292/0.1771 = 12.94 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 14.18)/8 = 1.978 A
5.网孔分析

答案: I1 = −0.8793 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​ = 10 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩA+−V2​30 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
10·I1 + 20(I1 − I2) = 15
30·I1 − 20·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 20(I2 − I1) = (−30)
−20·I1 + 23·I2 = −30

求解

Δ = (30)(23) − (−20)(−20) = 290
I1 = Δ1/Δ = −255/290 = −0.8793 A
I2 = Δ2/Δ = −600/290 = −2.069 A

答案

I1 = −0.8793 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR5 = 3.817 V

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​ = 2 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR4​5 ΩAR5​5 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
2·I1 + 5(I1 − I2) = 12
7·I1 − 5·I2 = 12

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
8·I2 + 5(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 18·I2 − 5·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
20·I3 + 5(I3 − I2) = (−9)
−5·I2 + 25·I3 = −9

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 2350
I1 = Δ1/Δ = 4875/2350 = 2.074 A
I2 = Δ2/Δ = 1185/2350 = 0.5043 A
I3 = Δ3/Δ = −609/2350 = −0.2591 A

答案

IR5 = I2 − I3 = 0.7634 A
VR5 = IR5·R5 = 0.7634·5 = 3.817 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR2 = −1.897 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​3 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 = 8+3 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·11/(3+11) = 2.357 Ω
VA = 12·2.357/(6+2.357) = 3.385 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.385·3/11 = 0.9231 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 3.385)/3 = −1.128 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​3 ΩAR4​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 10 = 2.308 Ω
VB = Is·Req = 5·2.308 = 11.54 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11.54·2/10 = 2.308 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 2.308)/3 = −0.7692 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−1.128) + (−0.7692) = −1.897 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: I = −1 mA

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。

用各贡献写出测量值

每个贡献与其自身的电源成正比。

I₁ + I₂ + I₃ = −2.5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 2
I₁ + I₂ − I₃ = 8.5

求各贡献

I₁ = 2 − (−2.5) = 4.5 mA
I₃ = (−2.5 − 8.5)/2 = −5.5 mA
I₂ = −2.5 − 4.5 − (−5.5) = −1.5 mA

将 V₂ 置零

I = I₁ + I₃ = 4.5 + (−5.5) = −1 mA

答案

I = −1 mA
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.2128 A

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 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 = 8·4/(8+4) = 2.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.667 + 10 = 12.67 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 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) = 10·4/(8+4) = 3.333 V
Rth​ = 12.67 Ω+−Vth​3.333 VRL​3 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 3.333/(12.67 + 3) = 0.2128 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 0.422 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​ = 15 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 = 15·5/(15+5) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 3 = 6.75 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAIs​0.5 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 7.5 + (−0.5)·3.75 = 5.625 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5.625 + (−0.5)·3 = 4.125 V
Rth​ = 6.75 Ω+−Vth​4.125 VRL​25 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) = 4.125/(6.75 + 25) = 0.1299 A
PL = IL²·RL = 0.1299²·25 = 0.422 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.2299 A

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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0.3636 A

给定时刻的电流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.3636·(1 − e−1/1) = 0.2299 A

答案

i = 0.2299 A
12.RC 和 RL 暂态

答案: C = 19.74 µF

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

所需的时间常数

10.8 = 12·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(12/(12 − 10.8))
τ = 1000/2.303 = 434.3 ms

电容

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

C = τ/R = 434.3/22 = 19.74 µF

答案

C = 19.74 µF
13.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.3485

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 = 251.3 Ω, XC = 36.17 Ω

阻抗

|Z| = √(80² + (215.2)²) = 229.5 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 80/229.5 = 0.3485
电路是感性的,所以功率因数滞后。

答案

cos φ = 0.3485
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 6.03 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。

谐振

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.2·2.2·10⁻⁶) = 1508 rad/s
I = V/R = 1/50 = 0.02 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 1508·0.2 = 301.5 Ω
VL = I·XL = 0.02·301.5 = 6.03 V

答案

VL = 6.03 V

这是电源电压的 Q = 6.03 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: I = 206.5 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) = 38000/(230·0.8) = 206.5 A

答案

I = 206.5 A
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 9.299 kvar

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

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 = 35·tan(36.87°) = 26.25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(25.84°) = 16.95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9.299 kvar

答案

QC = 9.299 kvar
17.三相电

答案: IL = 79.97 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 = 55/0.94 = 58.51 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 58511/(√3·480·0.88) = 79.97 A

答案

IL = 79.97 A
18.三相电

答案: Cph = 512.5 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 = 80·tan(acos 0.65) = 80·1.169 = 93.53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.98) = 80·0.2031 = 16.24 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 77.29 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 25762/(314.2·400²) = 512.5 µF

答案

Cph = 512.5 µF
19.变压器

答案: IHV = 3.472 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 = 25000/7200 = 3.472 A

答案

IHV = 3.472 A
20.变压器

答案: Ploss = 1125 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 = 0.0625·2000 = 125 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 1000 + 125 = 1125 W

答案

Ploss = 1125 W

此负载下的效率为 η = 97.69%。

21.运放电路

答案: Vout = 1.818 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

+ 输入端的电压

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 1·10/(1 + 10) = 0.9091 V

同相增益

V₋ = V₊,流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0.9091·(1 + 2/2) = 1.818 V

答案

Vout = 1.818 V
22.运放电路

答案: Vout = −5.4 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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 1 kΩ · 1 µF = 1 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −2.7/1 = −2.7 V/ms

给定时刻的输出

理想值在 ±Vsat 以内,所以积分器尚未限幅。

Vout = −Vin·t/(RC) = −2.7·2/1 = −5.4 V

答案

Vout = −5.4 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 8.884 V

BJT 静态工作点:在放大区,VBE = 0.7 V,IC = β·IB,IE = (β + 1)·IB。用 KVL 由基极回路求 IB,再求 IC,然后由集电极–发射极回路求 VCE。基极的分压器用其戴维南等效电路代替:VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂),RTH = R₁∥R₂;发射极电阻在基极回路中相当于放大了 (β + 1) 倍。

基极电流

IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0.7)/1000 kΩ = 9.3 µA

集电极电流

IC = β·IB = 100·9.3 µA = 0.93 mA

集电极–发射极电压

VCE = 10 − 0.93 mA·1.2 kΩ = 8.884 V

答案

VCE = 8.884 V
24.二极管与晶体管

答案: RB = 4.37 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) = (24 − 0.2)/1000 = 23.8 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 23.8/80 = 297.5 µA

设计基极电流

IB = 2·297.5 µA = 595 µA

基极电阻

RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.595 mA = 4.37 kΩ

答案

RB = 4.37 kΩ
25.数制

答案: U = 212

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。

取反加一

44 = 0010 1100
取反后: 1101 0011
+1 → 1101 0100

按无符号数读取

1101 0100₂ = 256 − 44 = 212

答案

U = 212
26.数制

答案: R = 251

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

OR 在至少有一位为 1 时得 1。

1111 1001
OR 1000 1010
= 1111 1011

结果的值

1111 1011₂ = 251

答案

R = 251
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。

ABC00011110010001130204150716

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。

A′BC
AB′C
ABC′

最简 SOP 形式

F = A′BC + AB′C + ABC′
N = 3

答案

N = 3
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

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

JK 触发器:00 保持,01 复位 (Q = 0),10 置位 (Q = 1),11 翻转。

1: J = 1, K = 1 → Q = 1
2: J = 1, K = 0 → Q = 1
3: J = 0, K = 0 → Q = 1
4: J = 1, K = 1 → Q = 0
5: J = 0, K = 1 → Q = 0
6: J = 0, K = 1 → Q = 0
7: J = 1, K = 1 → Q = 1
8: J = 1, K = 0 → Q = 1

数出变化的次数

0 → 1 → 1 → 1 → 0 → 0 → 0 → 1 → 1
N = 3

答案

N = 3
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.75) = 1.088

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

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 6)
A = 15/(1·6) = 2.5
B = 15/((−1)·5) = −3
C = 15/((−6)·(−5)) = 0.5

逆变换

f(t) = 2.5 − 3·e−t + 0.5·e−6t

求值

f(0.75) = 2.5 − 3·e−0.75 + 0.5·e−6·0.75 = 1.088

答案

f(0.75) = 1.088
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.3) = 0.4371

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 + 8)/(s² + 10s + 24)

部分分式

s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
A = 2, B = −1

冲激响应

g(t) = 2·e−4t − e−6t
g(0.3) = 0.4371

答案

g(0.3) = 0.4371
31.方框图

答案: css = 0.4667

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) = 21/(s + 3 + 42) = 21/(s + 45)

结果

css = R·T(0) = 1·21/45 = 0.4667

答案

css = 0.4667
32.方框图

答案: T(0) = 0.6179

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 + 13)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 38/((s + 4)(s + 13) + 9.5)

直流增益

T(0) = 38/(4·13 + 9.5) = 38/61.5 = 0.6179

答案

T(0) = 0.6179
33.阶跃响应

答案: σ = −3

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 = 6 → ζ = 6/(2·9.747) = 0.3078

结果

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

答案

σ = −3
34.阶跃响应

答案: ωn = 707.1 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·1 × 10⁻⁴) = 707.1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (6/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.02) = 0.2121

结果

ωₙ = 707.1 rad/s

答案

ωn = 707.1 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −121.7 °

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。

把各角度相加

∠G = atan(5/14) − 90° − atan(5/4) = 19.65° − 90° − 51.34°

结果

∠G(j5) = −121.7°

答案

∠G(jω) = −121.7°
36.伯德图与裕度

答案: ωc = 1.362 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 + 1ω² − 5.29 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·5.29))/2 = 1.854
ωc = 1.362 rad/s

答案

ωc = 1.362 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 3

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 + 1) + K(s + 10) = s² + (-3 + K)s + (10K − 4)

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。

-3 + K > 0 → K > 3
10K − 4 > 0 → K > 0.4
Kmin = 3

答案

Kmin = 3
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 2

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。

幅值条件

K = |s|·|s + 2|·|s + 3|

在该点处计算

K = 1·1·2 = 2

答案

K = 2

检验:s(s + 2)(s + 3) + K 在 s = −1 处为零。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.625

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。

加速度误差常数

Ka = 4·2/10 = 0.8

抛物线误差

ess = 0.5/0.8 = 0.625

答案

ess = 0.625
40.稳态误差与 PID 控制

答案: tp = 1.571 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 + 4) + 2·4 = s² + 4s + 8

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √8 = 2.828 rad/s
ζ = 4/(2·2.828) = 0.7071

峰值时间

ωd = 2.828·√(1 − 0.7071²) = 2 rad/s
tp = π/2 = 1.571 s

答案

tp = 1.571 s

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