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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩIR2​AR4​2 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​30 ΩAR4​8 ΩBR6​6 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 5 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 ΩR5 = 15 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​1 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 ΩIR4​+−V1​18 VR3​25 ΩAR5​6 ΩBIs​4 A+−V2​18 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 Ω
IR4 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 10 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​2 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR4​10 ΩAR5​12 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 15 VV2 = 9 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 Ω
I1 = A
7.叠加定理中等
线性电路Vs​Is​IRL​

一个线性电阻电路含有一个电压源 Vs 和一个电流源 Is。流过负载电阻的电流 I 测量了两次:Vs = 15 V、Is = 10 mA 时,I = 18 mA;Vs = 2 V、Is = 8 mA 时,I = 4.4 mA。求 Vs = 10 V、Is = 8 mA 时的负载电流 I。

15 V, 10 mA → 18 mA2 V, 8 mA → 4.4 mAVs = 10 V, Is = 8 mA
I = mA
8.叠加定理困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩIR3​AIs​4 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 = 6 VIs = 4 AR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​6 ABRL​12 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 12 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 = 5 VIs = 6 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩRL = 12 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​10 Vt = 0R = 47 ΩL22 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 1 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 10 VR = 47 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​12 VR1​ = 33 ΩR2​ = 33 Ω在 t = 0 闭合L33 mHi(t)

跨接在 R2 两端的开关已断开很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关闭合,把 R2 短路。 求 t = 1 ms 时的电感电流 i。

Vs = 12 VR1 = 33 ΩR2 = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
13.交流阻抗和相量中等
50 V500 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 47 µF

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、500 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 = 50 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 47 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
1 Vf0​R = 50 ΩL = 5 mHC = 0.1 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 = 5 mHC = 0.1 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 4140 W20 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 20 A 和 4140 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 230 VI = 20 AP = 4140 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
400 V50 Hz负载11 kW, 0.7C47 µFI = ?

一个单相负载从 400 V、50 Hz 的电源吸取 11 kW,功率因数为 0.7(滞后)。一个 47 µF 的电容与负载并联。 求新的线路电流 I。

P = 11 kWpf1 = 0.7V = 400 Vf = 50 HzC = 47 µF
I = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = 100 Acos φ = 0.82滞后

一个对称三相负载从线电压为 480 V 的电源取用 100 A 的线电流,功率因数为 0.82(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 480 VIL = 100 Acos φ = 0.82
P = kW
18.三相电困难
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 80 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 0.92(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 = 0.75pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

一台单相 500 kVA、2400/240 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 = 500 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.8150 kVA, η = 96.5%

一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 900 W。 在额定负载、功率因数为 0.8(滞后)时,其效率为 96.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 150 kVAPcore = 900 Wpf = 0.8η = 96.5%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 3。

R1 = 1 kΩAv = 3
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = −0.5 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0.4 VR2​ = 4.7 kΩIf​

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

V1 = −0.5 VV2 = 0.4 VR1 = 10 kΩR2 = 4.7 kΩRf = 100 kΩ
If = mA
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
+−≤ 21 V220 Ω5.6 V

一个 5.6 V 的齐纳稳压器有一个 220 Ω 的串联电阻。输入可能升到 21 V,负载可能被断开。求齐纳管必须耗散的最大功率 PZ,max。

Vin,max = 21 VVZ = 5.6 VR = 220 Ω
PZ,max = mW
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −101。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1018 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1100 0111 XOR 1110 0010 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1100 0111XOR1110 0010
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000111312040517060120131151141809011110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 7, 8, 10, 14, 15) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 7, 8, 10, 14, 15)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​TQ4​Q4​TQ5​Q5​CLK

一个 6 位行波(异步)计数器由传播延迟均为 20 ns 的触发器构成。所有输出必须在下一个时钟边沿之前稳定下来。求最高时钟频率 fmax。

n = 6tpd = 20 ns
fmax = MHz
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−224

用配方法求 F(s) = (5s + 5)/(s² + 4s + 20) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = (5s + 5)/(s² + 4s + 20)t = 0.4 s
f(0.4) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

某系统满足 y″ + 9y′ + 18y = 108·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 10(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.1)。

y″ + 9y′ + 18y = 108·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.1 s
y(0.1) =
31.方框图中等
R(s)+K(s + 2)(s + 5)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 2)(s + 5)) 放在单位负反馈回路中。求使闭环处于临界阻尼(两个相等的实极点)的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 5))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+Ks(s + 2)(s + 7)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 2)(s + 7)) 放在单位负反馈回路中。 在最大稳定增益时回路发生振荡。求振荡频率 ω,单位 rad/s。

G(s) = K/(s(s + 2)(s + 7))单位负反馈
ω = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 16/(s² + s + 16),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 16/(s² + s + 16)
σ =
34.阶跃响应困难
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 10))。求使阶跃响应有 25 % 超调量的增益 K。

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 25 %
K =
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 3

求 G(s) = 39(s + 4)/(s(s + 12)) 在 ω = 3 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 39(s + 4)/(s(s + 12))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 48/(s(s + 4))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 48/(s(s + 4))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 2(s − 4)(s + 2)C(s)−

对象 G(s) = (s + 2)/((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 + 2)/((s − 4)(s + 2))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

对于 L(s) = K/((s + 6)(s² + 6s + 13)),求根轨迹从上半平面复极点出发的出射角 θd,从正实轴量起。

L(s) = K/((s + 6)(s² + 6s + 13))
θd = °
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 2·t²/2+2(s + 5)s²(s + 5)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 2·t²/2 加到 G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 5))r(t) = 2·t²/2
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
r(t) = 5t+1 + 1/s20(s + 5)(s + 10)C(s)−

PI 控制器 C(s) = 1 + 1/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 20/((s + 5)(s + 10))。求斜坡输入 r(t) = 5t 的稳态误差 ess。

C(s) = 1 + 1/sG(s) = 20/((s + 5)(s + 10))r(t) = 5t
ess =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.9677 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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​2 ΩB

从远端开始合并电阻

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

R3 + R4 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 10·4/(10+4) = 2.857 Ω
Req = R1 + 2.857 = 6 + 2.857 = 8.857 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 = 30/8.857 = 3.387 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 = 30 − 3.387·6 = 9.677 V
IR2 = VA/R2 = 9.677/10 = 0.9677 A

答案

IR2 = 0.9677 A
2.串并联电阻

答案: IR1 = 0.2516 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​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​30 ΩAR4​8 ΩBR6​6 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 5.793 Ω
R3 + 5.793 = 25.79 Ω
R2 ∥ 25.79 = 13.87 Ω
Req = R1 + 13.87 = 6 + 13.87 = 19.87 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 = 5/19.87 = 0.2516 A

答案

IR1 = 0.2516 A
3.节点分析

答案: VA = 8.121 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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​1 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 9 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/20 + (VA − 9)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0.35·VA − 0.25·VB = 0.45

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/4 = 1
−0.25·VA + 0.3167·VB = 1

求解

Δ = (0.35)(0.3167) − (−0.25)(−0.25) = 0.04833
VA = Δ1/Δ = 0.3925/0.04833 = 8.121 V
VB = Δ2/Δ = 0.4625/0.04833 = 9.569 V

答案

VA = 8.121 V
4.节点分析

答案: IR4 = 0.3423 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​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​25 ΩAR5​6 ΩBIs​4 A+−V2​18 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 18 V, V2 = 18 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/25 + (VA − 18)/12 + (VA − VB)/6 = 0
0.29·VA − 0.1667·VB = 1.5

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/6 + (VB − VA)/6 + (VB − 18)/3 = 4
−0.1667·VA + 0.6667·VB = 10

求解

Δ = (0.29)(0.6667) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.1656
VA = Δ1/Δ = 2.667/0.1656 = 16.11 V
VB = Δ2/Δ = 3.15/0.1656 = 19.03 V

答案

IR4 = (VB − V2)/R4 = (19.03 − 18)/3 = 0.3423 A
5.网孔分析

答案: I2 = −0.4138 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​ = 8 Ω+−V1​30 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
10·I1 + 2(I1 − I2) = 30
12·I1 − 2·I2 = 30

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
8·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 10·I2 = −9

求解

Δ = (12)(10) − (−2)(−2) = 116
I1 = Δ1/Δ = 282/116 = 2.431 A
I2 = Δ2/Δ = −48/116 = −0.4138 A

答案

I2 = −0.4138 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I1 = 0.421 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​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR4​10 ΩAR5​12 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
25·I1 + 10(I1 − I2) = 15
35·I1 − 10·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
30·I2 + 10(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 52·I2 − 12·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
8·I3 + 12(I3 − I2) = (−9)
−12·I2 + 20·I3 = −9

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 29360
I1 = Δ1/Δ = 12360/29360 = 0.421 A
I2 = Δ2/Δ = −780/29360 = −0.02657 A
I3 = Δ3/Δ = −13680/29360 = −0.4659 A

答案

I1 = 0.421 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: I = 12.4 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。

把响应写成各贡献之和

每个贡献与其自身的电源成正比,比例常数只与电阻有关。

I = k₁·Vs + k₂·Is
15·k₁ + 10·k₂ = 18
2·k₁ + 8·k₂ = 4.4

求常数

Δ = (15)(8) − (10)(2) = 100
k₁ = Δ1/Δ = 100/100 = 1
k₂ = Δ2/Δ = 30/100 = 0.3
k₁ = 1 mA/V, k₂ = 0.3

预测新的电流

I = 1·10 + 0.3·8 = 12.4 mA

答案

I = 12.4 mA
8.叠加定理

答案: V2 = 3.6 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​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​6 VR3​10 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) = 10 ∥ 22 = 6.875 Ω
VA = 6·6.875/(30+6.875) = 1.119 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.119·2/22 = 0.1017 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 2 Ω短路R3​10 ΩAIs​4 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 = 7.5 Ω,所以左侧路径为 R2+7.5 = 27.5 Ω
Req = R4 ∥ 27.5 = 1.864 Ω
VB = −Is·Req = −4·1.864 = −7.458 V
VA = VB·7.5/27.5 = −2.034 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 = 7.5 Ω
VA‴ = V2·7.5/(2 + 20 + 7.5) = 0.2542·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‴ = 1.119 + (−2.034) + 0.2542·V2 = 0
V2 = 0.9153/0.2542 = 3.6 V

答案

V2 = 3.6 V
9.戴维南和诺顿

答案: Rth = 15.71 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​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​20 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 = 8·20/(8+20) = 5.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.714 + 10 = 15.71 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 4.266 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​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω短路R2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2.308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.308 + 25 = 27.31 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​6 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) = 3.846 + 6·2.308 = 17.69 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17.69 + 6·25 = 167.7 V
Rth​ = 27.31 Ω+−Vth​167.7 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) = 167.7/(27.31 + 12) = 4.266 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 1.181 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。

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 = 22 mH / 47 Ω = 0.4681 ms
i(∞) = Vs/R = 10/47 = 0.2128 A

电感电压

t = 0 时全部电源电压加在电感上;之后衰减到零。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−1/0.4681 = 1.181 V

答案

vL = 1.181 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.2967 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。

初始值、终值、时间常数

在 t = 0 之前,两个电阻都在回路中;之后闭合的开关把 R₂ 旁路。

i(0) = 12/(33 + 33) = 0.1818 A
i(∞) = 12/33 = 0.3636 A
τ = L/R = 33/33 = 1 ms
i(t) = 0.3636 + (0.1818 − 0.3636)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(1) = 0.3636 + (−0.1818)·e−1/1 = 0.2967 A

答案

i = 0.2967 A
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 77.85 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.15 = 471.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6.773 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (464.5)²) = 475.1 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(464.5/100) = 77.85°

答案

φ = 77.85°
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 4.472 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/√(0.005·0.1·10⁻⁶) = 44721 rad/s
I = V/R = 1/50 = 0.02 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 44721·0.005 = 223.6 Ω
VL = I·XL = 0.02·223.6 = 4.472 V

答案

VL = 4.472 V

这是电源电压的 Q = 4.472 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: R = 10.35 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 = 4140/20² = 10.35 Ω

答案

R = 10.35 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: I = 35.31 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 = 11·tan(arccos 0.7) = 11.22 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·47·10⁻⁶ = 2362 var = 2.362 kvar
Q2 = 11.22 − 2.362 = 8.86 kvar

新的视在功率

S2 = √(11² + 8.86²) = 14.12 kVA

新的线路电流

I = S2/V = 14124/400 = 35.31 A

答案

I = 35.31 A
17.三相电

答案: P = 68.17 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。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·480·100 = 83.14 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 83.14·0.82 = 68.17 kW

答案

P = 68.17 kW
18.三相电

答案: Cph = 81.28 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 0.75) = 80·0.8819 = 70.55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.92) = 80·0.426 = 34.08 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 36.47 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 = 690 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12158/(314.2·690²) = 81.28 µF

答案

Cph = 81.28 µF
19.变压器

答案: IHV = 208.3 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 = 500000/2400 = 208.3 A

答案

IHV = 208.3 A
20.变压器

答案: Pcu,fl = 3452 W

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

输出功率和输入功率

Pout = 150·0.8 = 120 kW
Pin = 120000/0.965 = 124352 W

总损耗和铜损

Ploss = 124352 − 120000 = 4352 W
Pcu,fl = 4352 − 900 = 3452 W

答案

Pcu,fl = 3452 W
21.运放电路

答案: Rf = 2 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 = (3 − 1)·1 = 2 kΩ

答案

Rf = 2 kΩ
22.运放电路

答案: If = 0.03511 mA

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

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = −0.5/10 = −0.05 mA
I2 = V2/R2 = 0.4/4.7 = 0.08511 mA
If = I1 + I2 = 0.03511 mA

答案

If = 0.03511 mA
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: PZ,max = 392 mW

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

最坏情况的齐纳电流

IZ = 15.4/220 = 70 mA

齐纳功率

PZ = 5.6·70 = 392 mW

答案

PZ,max = 392 mW
25.数制

答案: U = 155

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

101 = 0110 0101
取反后: 1001 1010
+1 → 1001 1011

按无符号数读取

1001 1011₂ = 256 − 101 = 155

答案

U = 155
26.数制

答案: R = 37

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

XOR 在两位不同时得 1。

1100 0111
XOR 1110 0010
= 0010 0101

结果的值

0010 0101₂ = 37

答案

R = 37
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。

ABCD000111100001111000111312040517060120131151141809011110

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

B′CD′
BCD
ACD′
A′B′D
AB′D′

最简 SOP 形式

F = B′CD′ + BCD + ACD′ + A′B′D + AB′D′
N = 5

答案

N = 5

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: fmax = 8.333 MHz

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。

最坏情况的稳定时间

T = 6·20 ns = 120 ns

最高频率

fmax = 1/120 ns = 8.333 MHz

答案

fmax = 8.333 MHz
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = −0.627

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)。

配方

s² + 4s + 20 = (s + 2)² + 16 = (s + 2)² + 4²

匹配分子

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (−5/4)·4/((s + 2)² + 4²)

逆变换

f(t) = e−2t·(5·cos 4t − 1.25·sin 4t)
f(0.4) = e−2·0.4·(5·cos(4·0.4) − 1.25·sin(4·0.4)) = −0.627

答案

f(0.4) = −0.627
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.1) = 4.031

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

Y(s) = 1080/(s(s + 3)(s + 6))

部分分式

A = 1080/(3·6) = 60
B = 1080/((−3)·3) = −120
C = 1080/((−6)·(−3)) = 60

出量

y(t) = 60 − 120·e−3t + 60·e−6t
y(0.1) = 4.031

答案

y(0.1) = 4.031
31.方框图

答案: K = 2.25

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)。

特征方程

1 + K/((s + 2)(s + 5)) = 0 → s² + 7s + 10 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

7² = 4(10 + K) → K = 49/4 − 10 = 2.25

答案

K = 2.25
此时两个闭环极点都在 s = −3.5。
32.方框图

答案: ω = 3.742 rad/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)。

特征方程

s³ + 9s² + 14s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 14
s² | 9 K
s¹ | (9·14 − K)/9
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 9·14 = 126

振荡频率

9·(jω)² + 126 = 0 → ω² = 126/9 = 14
ω = 3.742 rad/s

答案

ω = 3.742 rad/s
33.阶跃响应

答案: σ = −0.5

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

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·4) = 0.125

结果

σ = −ζωₙ = −1/2 = −0.5

答案

σ = −0.5
34.阶跃响应

答案: K = 153.4

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

闭环传递函数

T(s) = K/(s² + 10s + K)

由超调量求阻尼比

ζ = −ln(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 0.4037

增益

ωₙ = 10/(2ζ) = 12.39 rad/s
K = ωₙ² = 153.4

答案

K = 153.4
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −67.17 °

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(3/4) − 90° − atan(3/12) = 36.87° − 90° − 14.04°

结果

∠G(j3) = −67.17°

答案

∠G(jω) = −67.17°
36.伯德图与裕度

答案: PM = 32.1 °

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 + 16ω² − 2304 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·2304))/2 = 40.66
ωc = 6.377 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(6.377/4) = −147.9°
PM = 180° + ∠L = 32.1°

答案

PM = 32.1°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 4

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 + 2) = s² + (-2 + K)s + (2K − 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
2K − 8 > 0 → K > 4
Kmin = 4

答案

Kmin = 4
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 56.31 °

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。

极点位置

s² + 6s + 13 = 0 → s = −3 ± j2
s = −6

来自其他极点的角度

∠(−3 + j2 + 6) = atan2(2, 3) = 33.69°
∠(−3 + j2 − (−3 − j2)) = ∠(j4) = 90°

出射角

θd = 180° − 33.69° − 90° = 56.31°

答案

θd = 56.31°
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 1

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 = 2·5/5 = 2

抛物线误差

ess = 2/2 = 1

答案

ess = 1
40.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 12.5

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)。

速度误差常数

当 s → 0 时,s·C(s) = 1s + 1 → 1。

Kv = 1·20/50 = 0.4

斜坡误差

ess = 5/0.4 = 12.5

答案

ess = 12.5

PI 控制器能完全消除阶跃误差;斜坡则以恒定的滞后被跟踪。

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