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 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​12 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBR6​6 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 ΩR5 = 10 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​5 ΩBIs​1 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩAR5​30 ΩBIs​5 A+−V2​30 V

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 24 VIs = 5 AV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 Ω
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​3 Ω+−VR3​A+−V2​12 VI1​I2​

用网孔分析法求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
VR3 = V
6.网孔分析困难
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​5 ΩAR5​6 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 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 ΩR5 = 6 Ω
I1 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩIR3​AIs​6 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 = 9 VIs = 6 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​2 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 33 Ωt = 0L220 mHi(t)

电感中流过 2.5 A 的稳定电流。在 t = 0 开关使回路经 R 闭合并移除电源,于是电感电流经 R 衰减。 求 t = 15 ms 时 R 两端的电压 vR。

i(0) = 2.5 AR = 33 ΩL = 220 mHt = 15 ms
vR = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C4.7 µF+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 5 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 3.75 V 时它必须触发,恰好在开始后 100 ms。 已知 C = 4.7 µF,求所需的电阻 R。

Vs = 5 VVth = 3.75 VT = 100 msC = 4.7 µF
R = kΩ
13.交流阻抗和相量中等
50 V60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 10 µF

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 10 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
12 V200 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 1 µF

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 1 µF
f0 = Hz
15.交流功率和功率因数中等
P = 5 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 5 kW,功率因数为 0.8(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 5 kWpf = 0.8V = 240 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
10 V1000 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

一个 10 V(有效值)、1000 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 25 + j20 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。

Vs = 10 V (rms)f = 1000 HzZs = 25 + j20 Ω
Pmax = W
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VZ = 20 + j15 Ω每相

一个每相阻抗为 20 + j15 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 415 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VZ = 20 + j15 Ω 每相
P = kW
18.三相电困难
P = 150 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 150 kW,功率因数为 0.7(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.98(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 150 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
8 Ω31

一个 8 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 3:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 3:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
75 kVA

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 225 W,额定负载下铜损为 900 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 75 kVAPcore = 225 WPcu,fl = 900 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = −1.3 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −1.3 VR1 = 2 kΩRf = 4.7 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​R2​ = 1 kΩV1​ = 0.7 VR1​ = 100 kΩV2​ = 1.4 VR3​ = 47 kΩR4​ = 47 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 电阻比不匹配。求输出电压 Vout。

V1 = 0.7 VV2 = 1.4 VR1 = 100 kΩR2 = 1 kΩR3 = 47 kΩR4 = 47 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 5.6 kΩβ = 200IC​ = ?RE​ = 1.2 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 68 kΩR2​ = 10 kΩ

一只 β = 200 的 NPN 晶体管由 VCC = 20 V 分压偏置:R₁ = 68 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 10 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 5.6 kΩ,发射极电阻为 RE = 1.2 kΩ。取 VBE = 0.7 V,并使用分压器的戴维南等效电路(不忽略基极电流)。 求集电极电流 IC,以 mA 计。

VCC = 20 VR1 = 68 kΩR2 = 10 kΩRC = 5.6 kΩRE = 1.2 kΩβ = 200
IC = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 470 Ωβ = 80IC​ = ?VCC​ = 12 V5 VRB​ = 4.7 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 12 V 与其集电极之间的 470 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 = 4.7 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 = 12 VRC = 470 Ωβ = 80Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 4.7 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 −67。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −678 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1100 0000 AND 1000 1101 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1100 0000AND1000 1101
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110011011131204051706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 1, 2, 3, 7) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C) = Σm(0, 1, 2, 3, 7)
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
ReIm−2−4−6−8−1024

用配方法求 F(s) = (s + 10)/(s² + 4s + 20) 对应的 f(t),并计算 f(1)。

F(s) = (s + 10)/(s² + 4s + 20)t = 1 s
f(1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

某系统满足 y″ + 7y′ + 6y = 6·u(t),y(0) = 2,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 4。用拉普拉斯变换求 y(1)。

y″ + 7y′ + 6y = 6·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 4t = 1 s
y(1) =
31.方框图中等
R(s)+7(s + 9)(s + 3)(s + 8)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 7(s + 9)/((s + 3)(s + 8))。在参考输入处施加大小为 5 的阶跃。求稳态误差 ess。

G(s) = 7(s + 9)/((s + 3)(s + 8))R = 5
ess =
32.方框图困难
R(s)+K控制器+D(s)+4s + 1被控对象C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 4/(s + 1)。在 R = 0 时,大小为 2 的扰动阶跃在被控对象输入处进入。求使稳态输出不超过 0.08 的最小增益 K。

G(s) = 4/(s + 1)D = 2css ≤ 0.08
K =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 51/(s² + 5s + 17),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 51/(s² + 5s + 17)
ts = s
34.阶跃响应困难
+−24 VR = 124 ΩL = 50 mHC = 4.7 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 124 Ω,L = 50 mH,C = 4.7 µF,在 t = 0 时接到 24 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电容电压的百分比超调量 %OS。

R = 124 ΩL = 50 mHC = 4.7 µFV = 24 V
%OS = %
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 1

求 G(s) = 44(s + 3)/(s(s + 13)) 在 ω = 1 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 44(s + 3)/(s(s + 13))ω = 1 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) = 67.5/(s(s + 5))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 67.5/(s(s + 5))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+501s(s + 4)(s + 8)C(s)+

图中的回路采用正反馈,L(s) = 50/(s(s + 4)(s + 8))。有多少个闭环极点 N 位于右半平面?

L(s) = 50/(s(s + 4)(s + 8))
N =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

某单位负反馈回路的 L(s) = K/((s + 4)(s + 10)(s + 3))。求根轨迹渐近线与实轴的交点 σa。

L(s) = K/((s + 4)(s + 10)(s + 3))
σa =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 1)(s + 2)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 1)(s + 2))。求使阶跃输入的稳态误差为 5 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 5 %
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 401s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 10))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 1/(s(s + 10))K = 40
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 5.333 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​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​12 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 = 8 + 12 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 4·20/(4+20) = 3.333 Ω
Req = R1 + 3.333 = 2 + 3.333 = 5.333 Ω

答案

Req = 5.333 Ω
2.串并联电阻

答案: Req = 31.3 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​ = 25 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​4 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 3.2 Ω
R3 + 3.2 = 9.2 Ω
R2 ∥ 9.2 = 6.301 Ω
Req = R1 + 6.301 = 25 + 6.301 = 31.3 Ω

答案

Req = 31.3 Ω
3.节点分析

答案: IR1 = 1.039 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​5 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 = 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)/4 + (VA − VB)/8 = 0
0.5417·VA − 0.125·VB = 2.5

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/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/8 = 1
−0.125·VA + 0.325·VB = 1

求解

Δ = (0.5417)(0.325) − (−0.125)(−0.125) = 0.1604
VA = Δ1/Δ = 0.9375/0.1604 = 5.844 V
VB = Δ2/Δ = 0.8542/0.1604 = 5.325 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 5.844)/4 = 1.039 A
4.节点分析

答案: VB = 48 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​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩAR5​30 ΩBIs​5 A+−V2​30 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 24 V, V2 = 30 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/6 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/12 = 0
0.3333·VA − 0.08333·VB = 2

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/30 + (VB − VA)/12 + (VB − 30)/20 = 5
−0.08333·VA + 0.1667·VB = 6.5

求解

Δ = (0.3333)(0.1667) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.04861
VA = Δ1/Δ = 0.875/0.04861 = 18 V
VB = Δ2/Δ = 2.333/0.04861 = 48 V

答案

VB = 48 V
5.网孔分析

答案: VR3 = 6.868 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​ = 4 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​15 VR3​3 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
4·I1 + 3(I1 − I2) = 15
7·I1 − 3·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
20·I2 + 3(I2 − I1) = (−12)
−3·I1 + 23·I2 = −12

求解

Δ = (7)(23) − (−3)(−3) = 152
I1 = Δ1/Δ = 309/152 = 2.033 A
I2 = Δ2/Δ = −39/152 = −0.2566 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 2.289 A
VR3 = IR3·R3 = 2.289·3 = 6.868 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I1 = 0.385 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​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​5 ΩAR5​6 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
30·I1 + 5(I1 − I2) = 15
35·I1 − 5·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
4·I2 + 5(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 15·I2 − 6·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
4·I3 + 6(I3 − I2) = (−9)
−6·I2 + 10·I3 = −9

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 3740
I1 = Δ1/Δ = 1440/3740 = 0.385 A
I2 = Δ2/Δ = −1140/3740 = −0.3048 A
I3 = Δ3/Δ = −4050/3740 = −1.083 A

答案

I1 = 0.385 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR1 = 1.09 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​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​20 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 = 4+20 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·24/(10+24) = 7.059 Ω
VA = 9·7.059/(12+7.059) = 3.333 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.333·20/24 = 2.778 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 3.333)/12 = 0.4722 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​2 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 = 12·10/(12+10) = 5.455 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9.455 = 6.42 Ω
VB = Is·Req = (−2)·6.42 = −12.84 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −12.84·5.455/9.455 = −7.407 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −7.407)/12 = 0.6173 A

叠加各分量

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0.4722 + 0.6173 = 1.09 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: V2 = 15.6 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​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​30 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) = 30 ∥ 18 = 11.25 Ω
VA = 9·11.25/(5+11.25) = 6.231 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6.231·8/18 = 2.769 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 8 Ω短路R3​30 ΩAIs​6 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。

R1 ∥ R3 = 4.286 Ω,所以左侧路径为 R2+4.286 = 14.29 Ω
Req = R4 ∥ 14.29 = 5.128 Ω
VB = −Is·Req = −6·5.128 = −30.77 V
VA = VB·4.286/14.29 = −9.231 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 = 4.286 Ω
VA‴ = V2·4.286/(8 + 10 + 4.286) = 0.1923·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‴ = 6.231 + (−9.231) + 0.1923·V2 = 0
V2 = 3/0.1923 = 15.6 V

答案

V2 = 15.6 V
9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 9.6 V

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​ = 6 ΩR3​ = 20 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 = 6·4/(6+4) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 20 = 22.4 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 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) = 24·4/(6+4) = 9.6 V
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = 10.5 V

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​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​2 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 = 30·2/(30+2) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.875 + 3 = 4.875 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAIs​2 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) = 0.75 + 2·1.875 = 4.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4.5 + 2·3 = 10.5 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: vR = 8.695 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

τ = L/R = 220 mH / 33 Ω = 6.667 ms

电流的衰减

i(t) = 2.5·e−15/6.667 = 0.2635 A
vR = R·i = 33·0.2635 = 8.695 V

答案

vR = 8.695 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: R = 15.35 kΩ

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

3.75 = 5·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(5/(5 − 3.75))
τ = 100/1.386 = 72.13 ms

电阻

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

R = τ/C = 72.13/4.7 = 15.35 kΩ

答案

R = 15.35 kΩ
13.交流阻抗和相量

答案: φ = −73.7 °

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.25 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

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

相角

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

答案

φ = −73.7°
14.交流阻抗和相量

答案: f0 = 318.3 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·√(0.25·1·10⁻⁶)) = 318.3 Hz

答案

f0 = 318.3 Hz
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 3.75 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。

相角

φ = arccos(0.8) = 36.87°, tan φ = 0.75

无功功率

Q = P·tan φ = 5·0.75 = 3.75 kvar

答案

Q = 3.75 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 1 W

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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 25 − j20 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 10/50 = 0.2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·25) = 1 W

答案

Pmax = 1 W
17.三相电

答案: P = 16.53 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

相电压

Vph = VL = 415 V

相电流

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16.6 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·16.6²·20 = 16.53 kW

答案

P = 16.53 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: Cph = 819.5 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 = 150·tan(acos 0.7) = 150·1.02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.98) = 150·0.2031 = 30.46 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 122.6 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 40857/(314.2·398.4²) = 819.5 µF

答案

Cph = 819.5 µF
19.变压器

答案: R1′ = 72 Ω

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。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 3²·8 = 72 Ω

答案

R1′ = 72 Ω
20.变压器

答案: Sη,max = 37.5 kVA

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。

铜损等于铁损

x²·900 = 225 → x = √(225/900) = 0.5

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.5·75 = 37.5 kVA

答案

Sη,max = 37.5 kVA
21.运放电路

答案: Vout = −4.355 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₊ = −1.3 V
I = V₋/R1 = −1.3/2 = −0.65 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −1.3 + (−0.65)·4.7 = −4.355 V

答案

Vout = −4.355 V
22.运放电路

答案: Vout = 0.7 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₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1.4·47/(47 + 47) = 0.7 V

叠加两个输入

V₂ = 0 时,V₁ 看到的是反相放大器。V₁ = 0 时,V₊ 被同相增益 1 + R₂/R₁ 放大。

Vout = −(1/100)·0.7 + (1 + 1/100)·0.7 = −0.007 + 0.707 = 0.7 V

答案

Vout = 0.7 V
23.二极管与晶体管

答案: IC = 1.492 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。

分压器的戴维南等效

VTH = 20·10/(68 + 10) = 2.564 V
RTH = 68·10/(68 + 10) = 8.718 kΩ

基极电流

沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。

IB = (2.564 − 0.7)/(8.718 + 201·1.2) = 7.459 µA

集电极电流

IC = 200·7.459 µA = 1.492 mA
IE = 201·7.459 µA = 1.499 mA

答案

IC = 1.492 mA
24.二极管与晶体管

答案: IC = 25.11 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)/4.7 kΩ = 914.9 µA

饱和还是放大?

β·IB 大于 IC(sat),所以晶体管饱和。

β·IB = 73.19 mA
IC(sat) = (12 − 0.2)/470 = 25.11 mA

集电极电流

IC = IC(sat) = 25.11 mA

答案

IC = 25.11 mA

晶体管处于饱和状态。

25.数制

答案: U = 189

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

67 = 0100 0011
取反后: 1011 1100
+1 → 1011 1101

按无符号数读取

1011 1101₂ = 256 − 67 = 189

答案

U = 189
26.数制

答案: R = 128

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

逐位计算

AND 只有在两位都为 1 时才得 1。

1100 0000
AND 1000 1101
= 1000 0000

结果的值

1000 0000₂ = 128

答案

R = 128
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 2

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。

ABC00011110011011131204051706

圈 0

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′ + C)
(A′ + B)

最简 POS 形式

F = (A′ + C)(A′ + B)
N = 2

答案

N = 2
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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

数出变化的次数

0 → 1 → 0 → 0 → 1 → 1 → 0 → 0 → 0
N = 4

答案

N = 4
29.拉普拉斯变换

答案: f(1) = −0.2933

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) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (8/4)·4/((s + 2)² + 4²)

逆变换

f(t) = e−2t·(cos 4t + 2·sin 4t)
f(1) = e−2·1·(cos(4·1) + 2·sin(4·1)) = −0.2933

答案

f(1) = −0.2933
30.拉普拉斯变换

答案: y(1) = 3.118

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

(s² + 7s + 6)·Y(s) = 2s + 14 + 24/s
Y(s) = (2s² + 14s + 24)/(s(s + 1)(s + 6))

部分分式

A = 24/(1·6) = 4
B = 12/((−1)·5) = −2.4
C = 12/((−6)·(−5)) = 0.4

结果

y(t) = 4 − 2.4·e−t + 0.4·e−6t
y(1) = 3.118

答案

y(1) = 3.118

检验:y(0) = A + B + C = 2。

31.方框图

答案: ess = 1.379

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)。

位置误差系数

Kₚ = G(0) = 7·9/(3·8) = 2.625

稳态误差

ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 2.625) = 1.379

答案

ess = 1.379
32.方框图

答案: K = 24.75

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

扰动响应

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 2·4/(1 + 4K)

解出 K

1 + 4K = 2·4/0.08 = 100
K = (100 − 1)/4 = 24.75

答案

K = 24.75
33.阶跃响应

答案: ts = 1.6 s

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

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 17 → ωₙ = 4.123 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4.123) = 0.6063

结果

ζωₙ = 2.5 → ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s

答案

ts = 1.6 s
34.阶跃响应

答案: %OS = 9.413 %

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/√(0.05·4.7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (124/2)·√(4.7 × 10⁻⁶/0.05) = 0.6011

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9.413 %

答案

%OS = 9.413 %
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −75.96 °

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(1/3) − 90° − atan(1/13) = 18.43° − 90° − 4.399°

结果

∠G(j1) = −75.96°

答案

∠G(jω) = −75.96°
36.伯德图与裕度

答案: PM = 33.71 °

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 + 25ω² − 4556 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·4556))/2 = 56.15
ωc = 7.493 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(7.493/5) = −146.3°
PM = 180° + ∠L = 33.71°

答案

PM = 33.71°
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 + 12s² + 32s − 50 = 0

劳斯阵列

s³: 1, 32
s²: 12, −50
s¹: 36.17
s⁰: −50

第一列中的符号变化

1 → 12 → 36.17 → −50
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: σa = −5.667

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。

极点和零点

个极点: −4, −10, −3
n − m = 3 − 0 = 3

形心

σa = (−17)/3 = −5.667

答案

σa = −5.667

3 条渐近线从重心出发,角度为 60°, 180°, 300°。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 38

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。

所需误差常数

1/(1 + Kp) = 0.05 → Kp = 19

增益

K/2 = 19 → K = 38

答案

K = 38

还要检查闭环稳定性:对这个二阶回路,任何 K > 0 都是稳定的。

40.稳态误差与 PID 控制

答案: tp = 0.8112 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 + 10) + 40·1 = s² + 10s + 40

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 10/(2·6.325) = 0.7906

峰值时间

ωd = 6.325·√(1 − 0.7906²) = 3.873 rad/s
tp = π/3.873 = 0.8112 s

答案

tp = 0.8112 s

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