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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​3 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​2 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 6 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 ΩVA = 6 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 10 ΩR2​ = 12 ΩIR2​+−V1​24 VR3​8 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​2 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 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 Ω
I2 = 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 = 20 V、Is = 5 mA 时,I = 27.75 mA;Vs = 20 V、Is = 4 mA 时,I = 27 mA。求 Vs = 6 V、Is = 8 mA 时的负载电流 I。

20 V, 5 mA → 27.75 mA20 V, 4 mA → 27 mAVs = 6 V, Is = 8 mA
I = mA
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 = 23.5 mA。V1 加倍而另两个不变时,I = 26 mA。Is 方向反转而另两个不变时,I = 4.5 mA。求将 V2 置零、V1 和 Is 取正常值时的负载电流 I。

正常值: I = 23.5 mA2·V1: I = 26 mA−Is: I = 4.5 mA
I = mA
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAIs​6 ABRL​12 ΩIL​

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

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 3.3 kΩR2​ = 4.7 kΩC68 µF+−vC​

电源 Vₛ 通过 R₁ 给电容充电,R₂ 与 C 并联。 开关在 t = 0 闭合时电容未充电。 求开关闭合后电路的时间常数 τ。

Vs = 15 VR1 = 3.3 kΩR2 = 4.7 kΩC = 68 µF
τ = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 24 V,极性如图所示。 求 t = 750 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 6 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 24 Vt = 750 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
12 V500 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 4.7 µFI

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 4.7 µF
cos φ =
14.交流阻抗和相量困难
100 V500 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
f0 = Hz
15.交流功率和功率因数中等
400 V12 kW, 0.6211 kW, 0.8I = ?

两个负载并联接在 400 V 的单相电源上:一个 2 kW、功率因数为 0.6(滞后)的负载,以及一个 11 kW、功率因数为 0.8(超前)的负载。 求从电源吸取的总电流 I。

V = 400 VP1 = 2 kW, pf1 = 0.6 滞后P2 = 11 kW, pf2 = 0.8 超前
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、50 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求所需电容 C。

P = 20 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = 15 Acos φ = 0.95滞后

一个对称三相负载从线电压为 690 V 的电源取用 15 A 的线电流,功率因数为 0.95(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 690 VIL = 15 Acos φ = 0.95
P = kW
18.三相电困难
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 150 kW,功率因数为 0.78(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(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 = 150 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
4160 V480 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

一台单相 500 kVA、4160/480 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 = 4160 VV2 = 480 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.850 kVA, 25% 负载

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 250 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 = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 750 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 1 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −0.5 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −0.5 VR1 = 1 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 2 kΩRf1​ = 10 kΩ第 2 级:同相R2​ = 1 kΩRf2​ = 2 kΩ

两个理想运放级级联连接:一个反相放大器(R1,Rf1),后接一个同相放大器(R2 接地,Rf2 在反馈支路中)。两级都采用 ±15 V 电源。 输入为 Vin = 0.25 V。求输出电压 Vout。

R1 = 2 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 1 kΩRf2 = 2 kΩVin = 0.25 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−18 V680 Ω3.3 V1000 ΩIZ​ = ?

一个 3.3 V 的齐纳稳压器通过 680 Ω 接到 18 V,并向 1000 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 18 VVZ = 3.3 VR = 680 ΩRL = 1000 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 80IC​ = ?VCC​ = 9 V5 VRB​ = 3.3 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 9 V 与其集电极之间的 330 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 5 V 逻辑输出经基极电阻 RB = 3.3 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 = 9 VRC = 330 Ωβ = 80Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 3.3 kΩ
IC = mA
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −65。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −658 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1010 0100 XOR 1011 0011 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1010 0100XOR1011 0011
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010011130214150716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(1, 3, 4, 5, 6) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C) = Σm(1, 3, 4, 5, 6)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X011X302X4150716012X131151141809011110

求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 5, 6, 8, 10, 14, 15) + d(0, 3, 4, 13) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它包含多少个文字 L?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 5, 6, 8, 10, 14, 15) + d(0, 3, 4, 13)
L =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−812

用配方法求 F(s) = (4s + 31)/(s² + 4s + 8) 对应的 f(t),并计算 f(0.8)。

F(s) = (4s + 31)/(s² + 4s + 8)t = 0.8 s
f(0.8) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

某系统满足 y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 2(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(1)。

y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1 s
y(1) =
31.方框图中等
R(s)+3s + 3G(s)C(s)0.5H−

被控对象 G(s) = 3/(s + 3) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.5。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 3/(s + 3)H = 0.5
τ = s
32.方框图困难
R(s)+22控制器+D(s)+6s + 1被控对象C(s)−

比例控制器 K = 22 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 6/(s + 1)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 同时施加大小为 5 的参考阶跃和大小为 10 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 22G(s) = 6/(s + 1)D = 10R = 5
css =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)2?

某系统的传递函数为 G(s) = 194/(s² + 4s + 97),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 194/(s² + 4s + 97)
%OS = %
34.阶跃响应困难
R(s)+215s(s + 10)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 215/(s(s + 10))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 215/(s(s + 10))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 30

求 G(s) = 840/((s + 7)(s + 10)) 在 ω = 30 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 840/((s + 7)(s + 10))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 5.2/(s(s + 4))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 5.2/(s(s + 4))
ωc = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+21s(s + 1)(s + 4)C(s)+

图中的回路采用正反馈,L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 4))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 4))
N =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−5j5

已画出 L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6)) 的根轨迹。求轨迹与虚轴相交处的频率 ω。

L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6))
ω = rad/s
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 4·t²/2+5(s + 5)s²(s + 10)C(s)−

抛物线输入 r(t) = 4·t²/2 加到 G(s) = 5(s + 5)/(s²(s + 10)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 5(s + 5)/(s²(s + 10))r(t) = 4·t²/2
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K1s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 10))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.8 的增益 K。

G(s) = 1/(s(s + 10))ζ = 0.8
K =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 1.02 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​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​3 ΩB

从远端开始合并电阻

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

R3 + R4 = 12 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 2·15/(2+15) = 1.765 Ω
Req = R1 + 1.765 = 10 + 1.765 = 11.76 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 = 12/11.76 = 1.02 A

答案

IR1 = 1.02 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.6483 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 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​30 ΩBR6​2 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R4 ∥ 4 = 3.529 Ω
R3 + 3.529 = 5.529 Ω
R2 ∥ 5.529 = 2.878 Ω
Req = R1 + 2.878 = 6 + 2.878 = 8.878 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 = 12/8.878 = 1.352 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 − 1.352·6 = 3.89 V
IR2 = VA/R2 = 3.89/6 = 0.6483 A

答案

IR2 = 0.6483 A
3.节点分析

答案: PIs = 36 W

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

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/12 + (VA − 18)/6 + (VA − VB)/20 = 0
0.3·VA − 0.05·VB = 3

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/4 + (VB − VA)/20 = 3
−0.05·VA + 0.3·VB = 3

求解

Δ = (0.3)(0.3) − (−0.05)(−0.05) = 0.0875
VA = Δ1/Δ = 1.05/0.0875 = 12 V
VB = Δ2/Δ = 1.05/0.0875 = 12 V

电流源输出的功率

电源把 Iₛ 从地(0 V)向上注入节点 B,即升到 VB。电流从其 + 端流出的电源输出功率 P = V·I。

PIs = VB·Is = 12·3 = 36 W

答案

PIs = 36 W
4.节点分析

答案: Is = 2.75 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
(6 − 5)/5 + 6/20 = (VB − 6)/6
0.5 = (VB − 6)/6 → VB = 9 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 = (9 − 6)/6 + 9/4 = 2.75 A

答案

Is = 2.75 A
5.网孔分析

答案: IR2 = −0.08108 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​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​8 ΩA+−V2​12 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 + 8(I1 − I2) = 24
18·I1 − 8·I2 = 24

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
12·I2 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 20·I2 = −12

求解

Δ = (18)(20) − (−8)(−8) = 296
I1 = Δ1/Δ = 384/296 = 1.297 A
I2 = Δ2/Δ = −24/296 = −0.08108 A

答案

IR2 = I2 = −0.08108 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I2 = 0.4069 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​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​2 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
3·I1 + 25(I1 − I2) = 15
28·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
25·I2 + 25(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 52·I2 − 2·I3 = 0

网孔 3 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
15·I3 + 2(I3 − I2) = (−12)
−2·I2 + 17·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 14015
I1 = Δ1/Δ = 12600/14015 = 0.899 A
I2 = Δ2/Δ = 5703/14015 = 0.4069 A
I3 = Δ3/Δ = −9222/14015 = −0.658 A

答案

I2 = 0.4069 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: I = 13.2 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
20·k₁ + 5·k₂ = 27.75
20·k₁ + 4·k₂ = 27

求常数

Δ = (20)(4) − (5)(20) = −20
k₁ = Δ1/Δ = −24/−20 = 1.2
k₂ = Δ2/Δ = −15/−20 = 0.75
k₁ = 1.2 mA/V, k₂ = 0.75

预测新的电流

I = 1.2·6 + 0.75·8 = 13.2 mA

答案

I = 13.2 mA
8.叠加定理

答案: I = 12 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 = 23.5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 26
I₁ + I₂ − I₃ = 4.5

求各贡献

I₁ = 26 − 23.5 = 2.5 mA
I₃ = (23.5 − 4.5)/2 = 9.5 mA
I₂ = 23.5 − 2.5 − 9.5 = 11.5 mA

将 V₂ 置零

I = I₁ + I₃ = 2.5 + 9.5 = 12 mA

答案

I = 12 mA
9.戴维南和诺顿

答案: IN = 0.8333 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​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​12 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 6 = 9 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​12 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) = 10·12/(4+12) = 7.5 V
IN​0.8333 ARth​9 Ωab

诺顿等效

诺顿电源是同一电路看作与 R_th 并联的电流源。其电流就是 a–b 的短路电流。

IN = Vth/Rth = 7.5/9 = 0.8333 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 79.96 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​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​12 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 = 10·12/(10+12) = 5.455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.455 + 6 = 11.45 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​12 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) = 8.182 + (−6)·5.455 = −24.55 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −24.55 + (−6)·6 = −60.55 V
Rth​ = 11.45 Ω−+Vth​60.55 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) = −60.55/(11.45 + 12) = −2.581 A
PL = IL²·RL = −2.581²·12 = 79.96 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: τ = 131.8 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。

电容看到的戴维南等效电路

把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。

Rth = R1 ∥ R2 = 3.3·4.7/(3.3 + 4.7) = 1.939 kΩ
vC(∞) = 15·4.7/(3.3 + 4.7) = 8.813 V

时间常数

τ = Rth·C = 1.939·68 = 131.8 ms

答案

τ = 131.8 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 7.855 V

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

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 24 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 6 + (24 − 6)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(750) = 6 + (18)·e−750/330 = 7.855 V

答案

vC = 7.855 V
13.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.1413

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 = 628.3 Ω, XC = 67.73 Ω

阻抗

|Z| = √(80² + (560.6)²) = 566.3 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 80/566.3 = 0.1413
电路是感性的,所以功率因数滞后。

答案

cos φ = 0.1413
14.交流阻抗和相量

答案: f0 = 339.3 Hz

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

谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.1·2.2·10⁻⁶)) = 339.3 Hz

答案

f0 = 339.3 Hz
15.交流功率和功率因数

答案: I = 35.37 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。

每个负载的无功功率

滞后负载吸收无功功率 (Q > 0);超前负载发出无功功率 (Q < 0)。

Q1 = 2·tan(arccos 0.6) = 2.667 kvar
Q2 = −11·tan(arccos 0.8) = −8.25 kvar

总计

P = 2 + 11 = 13 kW
Q = 2.667 + (−8.25) = −5.583 kvar
S = √(13² + (−5.583)²) = 14.15 kVA

总电流

I = S/V = 14148/400 = 35.37 A

答案

I = 35.37 A
16.交流功率和功率因数

答案: C = 389.9 µF

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 = 20·tan(36.87°) = 15 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23.07°) = 8.52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6.48 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 6480/(2π·50·230²) = 389.9 µF

答案

C = 389.9 µF
17.三相电

答案: P = 17.03 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 = √3·690·15 = 17.93 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 17.93·0.95 = 17.03 kW

答案

P = 17.03 kW
18.三相电

答案: Cph = 392.6 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 = 150·tan(acos 0.78) = 150·0.8023 = 120.3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.95) = 150·0.3287 = 49.3 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 71.04 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 23680/(377·400²) = 392.6 µF

答案

Cph = 392.6 µF
19.变压器

答案: IHV = 120.2 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 = 500000/4160 = 120.2 A

答案

IHV = 120.2 A
20.变压器

答案: Ploss = 296.9 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 = 250 + 46.88 = 296.9 W

答案

Ploss = 296.9 W

此负载下的效率为 η = 97.12%。

21.运放电路

答案: Vout = −1 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。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = −0.5 V
I = V₋/R1 = −0.5/1 = −0.5 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −0.5 + (−0.5)·1 = −1 V

答案

Vout = −1 V
22.运放电路

答案: Vout = −3.75 V

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

各级的增益

A1 = −Rf1/R1 = −10/2 = −5
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/1 = 3

逐级计算

V1 = −5·0.25 = −1.25 V
Vout = 3·(−1.25) = −3.75 V

答案

Vout = −3.75 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 18.32 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 = 14.7/680 = 21.62 mA

负载电流

IL = 3.3/1000 = 3.3 mA

齐纳电流

IZ = 21.62 − 3.3 = 18.32 mA

答案

IZ = 18.32 mA
24.二极管与晶体管

答案: IC = 26.67 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 = (5 − 0.7)/3.3 kΩ = 1303 µA

饱和还是放大?

β·IB 大于 IC(sat),所以晶体管饱和。

β·IB = 104.2 mA
IC(sat) = (9 − 0.2)/330 = 26.67 mA

集电极电流

IC = IC(sat) = 26.67 mA

答案

IC = 26.67 mA

晶体管处于饱和状态。

25.数制

答案: U = 191

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

65 = 0100 0001
取反后: 1011 1110
+1 → 1011 1111

按无符号数读取

1011 1111₂ = 256 − 65 = 191

答案

U = 191
26.数制

答案: R = 23

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。

1010 0100
XOR 1011 0011
= 0001 0111

结果的值

0001 0111₂ = 23

答案

R = 23
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 6

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。

ABC00011110010011130214150716

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′C
A′C
AC′

最简 SOP 形式

F = B′C + A′C + AC′
L = 6

答案

L = 6

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: L = 11

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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

B′C′D′, BC′D, BCD′, A′C′, ACD′, A′B′D, A′BD′, AB′D′, ABD, ABC
ABCD0001111000011110X011X302X4150716012X131151141809011110

最小覆盖

F = BCD′ + A′C′ + AB′D′ + ABD
L = 11

答案

L = 11

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

29.拉普拉斯变换

答案: f(0.8) = 2.297

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 + 8 = (s + 2)² + 4 = (s + 2)² + 2²

匹配分子

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 2²) + (23/2)·2/((s + 2)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−2t·(4·cos 2t + 11.5·sin 2t)
f(0.8) = e−2·0.8·(4·cos(2·0.8) + 11.5·sin(2·0.8)) = 2.297

答案

f(0.8) = 2.297
30.拉普拉斯变换

答案: y(1) = 2.062

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) = 16/(s(s + 1)(s + 4))

部分分式

A = 16/(1·4) = 4
B = 16/((−1)·3) = −5.333
C = 16/((−4)·(−3)) = 1.333

出量

y(t) = 4 − 5.333·e−t + 1.333·e−4t
y(1) = 2.062

答案

y(1) = 2.062
31.方框图

答案: τ = 0.2222 s

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 3/(s + 3 + 1.5) = 3/(s + 4.5)

结果

τ = 1/4.5 = 0.2222 s

答案

τ = 0.2222 s
32.方框图

答案: css = 5.414

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)。

传递函数

C/D = G/(1 + K·G) = 6/(s + 1 + 132)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 132/(s + 1 + 132)

稳态

css = 5·132/133 + 10·6/133 = 5.414

答案

css = 5.414

较大的 K 会减小扰动的影响,但比例控制器永远不能把它减小到零。

33.阶跃响应

答案: %OS = 52.12 %

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 = 97 → ωₙ = 9.849 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9.849) = 0.2031

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.6515 = 52.12 %

答案

%OS = 52.12 %
34.阶跃响应

答案: ts = 0.8 s

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

闭环传递函数

T(s) = 215/(s² + 10s + 215): ωₙ = 14.66 rad/s, ζ = 0.341

调节时间

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.8 s

答案

ts = 0.8 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = −1.287 dB

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

把各模相乘

|G(j30)| = 840/(√(30² + 7²)·√(30² + 10²)) = 840/(30.81·31.62) = 0.8623

结果

20·log₁₀(0.8623) = −1.287 dB

答案

|G(jω)| = −1.287 dB
36.伯德图与裕度

答案: ωc = 1.242 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 + 16ω² − 27.04 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·27.04))/2 = 1.541
ωc = 1.242 rad/s

答案

ωc = 1.242 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: N = 1

劳斯–赫尔维茨判据:当特征多项式的所有根都位于 s 平面左半部分时,线性系统是稳定的。把系数交替写入劳斯表的前两行。新一行的每个元素由上面两行得出;对于三次多项式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀,s¹ 行的元素为 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂。第一列中符号变化的次数等于右半平面内根的个数。当系数中含有增益 K 时,第一列的每个元素都必须保持为正:使 s¹ 行元素为零的增益就是稳定极限,此时 s² 行给出持续振荡的频率。

特征多项式

s³ + 5s² + 4s − 2 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 4
s²: 5, −2
s¹: 4.4
s⁰: −2

第一列中的符号变化

1 → 5 → 4.4 → −2
N = 1

答案

N = 1

正反馈使常数项系数变为负:总会有一个实极点移到右半平面。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 7.937 rad/s

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。

临界增益

s³ + 14s² + 63s + 90 + K = 0
s¹: (14·63 − 90 − K)/14 = 0 → K = 792

穿越频率

14s² + 90 + 792 = 14s² + 882 = 0 → s² = −63
ω = √63 = 7.937 rad/s

答案

ω = 7.937 rad/s
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 1.6

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 = 5·5/10 = 2.5

抛物线误差

ess = 4/2.5 = 1.6

答案

ess = 1.6
40.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 39.06

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 + 10) + 1K = s² + 10s + 1K

固有频率

2·0.8·ωₙ = 10 → ωₙ = 6.25 rad/s

增益

1K = ωₙ² = 39.06 → K = 39.06

答案

K = 39.06

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