串并联电阻
- 电阻串联
- Req = R1 + R2 + …
- 电阻并联
- 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
- 两个电阻并联
- Req = R1R2 / (R1 + R2)
- 欧姆定律
- V = I·R
- 功率
- P = V·I = I²R = V²/R
方法
- 从离端子最远的网络末端开始。
- 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
- 每一步之后重新画电路。
- 重复直到端子之间只剩一个电阻。
公式表、每个专题的关键方法步骤和 40 道练习题,完整解答附在最后。
求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。
求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。
用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。
A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 A,所以它使 VA − VB = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。
用网孔分析法求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。
用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。
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 = 6 mA 时,I = 31.2 mA;Vs = 6 V、Is = 6 mA 时,I = 13.2 mA。求 Vs = 8 V、Is = 5 mA 时的负载电流 I。
用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。
求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。
求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。
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 t = 75 ms 时的电容电压 vC。
开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 2 V,极性如图所示。 求 t = 80 ms 时的电容电压 vC。
一个电阻和一个电容并联接在 12 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。
一个 RLC 串联电路由 2 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。
一台单相电动机从 240 V 电源吸取 38 kW,功率因数为 0.85(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。
一个 50 V(有效值)、60 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 50 + j15 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。
一台三相感应电动机满载时输出机械功率 7.5 kW。此负载下其效率为 92%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。
一个对称三相负载从 415 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 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。
一台输出电阻为 32 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 2 Ω 的扬声器。为实现最大功率传输,从放大器看扬声器须相当于 32 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。
一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 4000 W,额定负载下铜损为 12000 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?
运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。
积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±14 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 1.4 V 时,电容未充电。 求 t = 5 ms 时的输出电压 Vout。
一只 β = 100 的 NPN 晶体管由 VCC = 20 V 分压偏置:R₁ = 33 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 = 2.7 kΩ,发射极电阻为 RE = 680 Ω。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–发射极电压 VCE。
一只 β = 200 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 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。 求仍能使晶体管刚好进入饱和的最大基极电阻 RB,以 kΩ 计。
把 −49 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?
某系统要为 4045 个项目中的每一个分配一个长度相同的独立二进制编码。最少需要多少位 b?
用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12) 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)?
一个 4 位行波(异步)计数器由传播延迟均为 5 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。
用配方法求 F(s) = (4s + 16)/(s² + 4s + 40) 对应的 f(t),并计算 f(0.5)。
某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 8y = 3u′ + 15u 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)。
被控对象 G(s) = 39/(s + 1) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.2。 在 R 处施加大小为 2 的阶跃。求稳态输出 css。
化简方框图,其中 G₁ = 2/(s + 2),G₂ = 10/(s + 8),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 0.5,外部有负反馈 H₂ = 0.2。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。
某系统的传递函数为 G(s) = 12/(s² + s + 12),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。
一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 50 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.8 s。求固有频率 ωn。
在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 20 Ω 两端,其中 L = 100 mH,C = 0.1 µF。 求 −3 dB 带宽 BW,单位为 Hz。
一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 388/(s(s + 8)(s + 9))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。
图中的回路在 K = 24 下运行,L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))。在闭环变得不稳定之前,增益最多可以提高到原来的多少倍 m?
对于 L(s) = K/((s + 3)(s² + 4s + 5)),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。
某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 4)),必须以 0.02 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 2t。求增益 K。
PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 5 rad/s 和 ζ = 1。求积分增益 Ki。
答案: IR1 = 0.9231 A
串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。
从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。
电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。
答案: IR1 = 1.059 A
串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。
从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。
电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。
答案: IR1 = 1.448 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。
地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 15 V)。未知量:VA, VB。
经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。
经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。
答案: VB = 0.9 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。
A 与 B 之间的电压源中的电流未知,所以不能分别在 A 或 B 单独列 KCL。把 A、B 和电压源一起包成一个超节点:流入它的电流等于流出它的电流。
答案: VR2 = −9.333 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。
在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。
顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。
顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。
网孔电流为负表示逆时针流动。
答案: IR4 = 0.7355 A
网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。
在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2, I3。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。
顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。
顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。
顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。
网孔电流为负表示逆时针流动。
答案: I = 17 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。
每个贡献与其自身的电源成正比,比例常数只与电阻有关。
答案: IR3 = 0.9758 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。
V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。
两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。
V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。
结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。
答案: Vth = 19.2 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。
电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。
a–b 开路时 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。
答案: Vth = −4.824 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。
电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。
a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。
答案: vC = 2.513 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。
把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。
答案: vC = 5.771 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。
电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。
答案: I = 0.1258 A
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。
两条支路都直接接在电源两端,所以每条支路都承受全部电压 V。
电阻电流与 V 同相,电抗电流与 V 相差 90°,所以它们按直角三角形的两边合成。
答案: VL = 20.1 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。
谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。
这是电源电压的 Q = 10.05 倍。
答案: Q = 23.55 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。
答案: Pmax = 12.5 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。
负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。
答案: IL = 7.579 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。
答案: Cph = 1486 µF
对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。
有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。
在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。
答案: a = 4
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。
答案: Sη,max = 288.7 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。
答案: Vout = 2.75 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。
V₋ = V₊,流过 R₁ 的电流也流过 Rf。
答案: Vout = −1.489 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。
kΩ 乘以 µF 得到毫秒。
理想值在 ±Vsat 以内,所以积分器尚未限幅。
答案: VCE = 2.474 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。
沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。
答案: RB = 19.5 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。
任何更小的基极电阻也能使晶体管饱和;实际中通常选小几倍的电阻。
答案: U = 207
位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。
答案: b = 12 bit
位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。
答案: L = 9
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。
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。
还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。
答案: fmax = 50 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。
答案: f(0.5) = −1.388
拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。
答案: g(0.3) = 2.018
拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。
答案: css = 8.864
方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。
答案: T(0) = 0.6667
方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。
答案: ts = 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)。
分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。
答案: ωn = 4.021 rad/s
阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。
答案: BW = 31.83 Hz
频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。
答案: ω180 = 8.485 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。
答案: m = 5
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。
这个倍数就是以比值表示的增益裕度:13.98 dB。
答案: θd = 45 °
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。
答案: K = 400
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。
增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.1。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。
答案: Ki = 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)。
1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 1)。
积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。
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