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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​10 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​4 ΩBR6​30 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​1.5 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 9 VIs = 1.5 AR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 ΩIR4​+−V1​15 VR3​12 ΩAR5​4 ΩBIs​1 A−+V2​10 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 15 VIs = 1 AV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 ΩR5 = 4 Ω
IR4 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩIR2​+−V1​18 VR3​8 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​30 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 ΩR5 = 30 Ω
IR3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBIs​1 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​3 ΩIR3​AIs​5 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 = 30 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

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

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R = 100 ΩL22 mHi(t)

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

Vs = 12 VR = 100 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 VR1​ = 22 ΩR2​ = 47 Ω在 t = 0 断开L47 mHi(t)

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

Vs = 9 VR1 = 22 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
13.交流阻抗和相量中等
24 V100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 10 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 10 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
24 Vf0​R = 50 ΩL = 100 mHC = 0.1 µF

一个 RLC 串联电路由 24 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 = 24 V (rms)R = 50 ΩL = 100 mHC = 0.1 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 29 kWQSφ

一台单相电动机从 230 V 电源吸取 29 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求线路电流 I。

P = 29 kWpf = 0.9V = 230 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、50 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 35 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VIL​ = 60 Acos φ = 0.88滞后

一个对称三相负载从线电压为 208 V 的电源取用 60 A 的线电流,功率因数为 0.88(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VIL = 60 Acos φ = 0.88
P = kW
18.三相电困难
P = 60 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 60 kW,功率因数为 0.72(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.98(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 60 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
6600 V230 VIHV​ = ?ILV​10 kVA

一台单相 10 kVA、6600/230 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 = 10 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.825 kVA, 25% 负载

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 150 W,额定负载下铜损为 450 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 = 25 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 450 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 2 kΩVin​R1​ = 1 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±12 V。 反相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max(峰值)。

R1 = 1 kΩRf = 2 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 1 kΩRf1​ = 10 kΩ第 2 级:同相R2​ = 2 kΩRf2​ = 10 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 = −0.05 V。求输出电压 Vout。

R1 = 1 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 10 kΩVin = −0.05 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1.2 kΩβ = 200VCC​ = 12 VRB​ = 390 kΩ

一只 β = 200 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 12 V 经基极电阻 RB = 390 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 1.2 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极–发射极电压 VCE。

VCC = 12 VRB = 390 kΩRC = 1.2 kΩβ = 200VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
V (V)I (mA)0.7640Q = ?

一个二极管被建模为 0.7 V 与 10 Ω 串联(高于 0.7 V 时导通)。它与一个 150 Ω 的电阻串联,接在 6 V 电源两端。求二极管线与负载线相交处的工作电流 ID。

Vs = 6 VR = 150 ΩV0 = 0.7 Vrd = 10 Ω
ID = 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 −8。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −88 bit
U =
26.数制困难
3955 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 3955 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?

3955
b = bit
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010001131214051716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(2, 3, 4, 6, 7) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(2, 3, 4, 6, 7)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKJK1234567

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始,接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0JK
  1. 1时钟边沿 1
  2. 2时钟边沿 2
  3. 3时钟边沿 3
  4. 4时钟边沿 4
  5. 5时钟边沿 5
  6. 6时钟边沿 6
  7. 7时钟边沿 7
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−2−424

用配方法求 F(s) = 30/(s² + 8s + 32) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = 30/(s² + 8s + 32)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 3y′ + 2y = 0,初始条件 y(0) = 2,y′(0) = 15,并求 y(0.4)。

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 2y′(0) = 15t = 0.4 s
y(0.4) =
31.方框图中等
R(s)+K(s + 5)(s + 11)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 5)(s + 11)) 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 + 5)(s + 11))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+11s + 1G₁+4s + 1G₂C(s)2H₁−0.25H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 11/(s + 1),G₂ = 4/(s + 1),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 2,外部有负反馈 H₂ = 0.25。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 11/(s + 1)G₂ = 4/(s + 1)H₁ = 2H₂ = 0.25
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 13/(s² + 3s + 13),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 13/(s² + 3s + 13)
tp = s
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)115 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 15 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 15 %
ζ =
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 2

求 G(s) = 561/((s + 3)(s + 17)) 在 ω = 2 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 561/((s + 3)(s + 17))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 20/(s(s + 10))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 20/(s(s + 10))
ωc = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 1501s(s + 5)(s + 10)C(s)−

图中的回路在 K = 150 下运行,L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))。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?

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))K = 150
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12−14j2j4sb​

已给出 L(s) = K/((s + 4)(s + 12)) 的根轨迹。求分离点 sb 处的增益 K,此时两个闭环极点在实轴上相遇。

L(s) = K/((s + 4)(s + 12))
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 2)(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 2)(s + 4))。求使阶跃输入的稳态误差为 5 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 4))ess = 5 %
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 2C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s + 2)。闭环必须满足 ωₙ = 5 rad/s 和 ζ = 1。求比例增益 Kp。

G(s) = 10/(s + 2)ωₙ = 5 rad/sζ = 1
Kp =

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 12.2 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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​10 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 = 4 + 10 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 6·14/(6+14) = 4.2 Ω
Req = R1 + 4.2 = 8 + 4.2 = 12.2 Ω

答案

Req = 12.2 Ω
2.串并联电阻

答案: Req = 16.34 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​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​4 ΩBR6​30 Ω

从远端开始合并电阻

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

R5 + R6 = 2 + 30 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 3.556 Ω
R3 + 3.556 = 11.56 Ω
R2 ∥ 11.56 = 8.342 Ω
Req = R1 + 8.342 = 8 + 8.342 = 16.34 Ω

答案

Req = 16.34 Ω
3.节点分析

答案: VA = 6.197 V

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

R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​1.5 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/4 + (VA − 9)/6 + (VA − VB)/2 = 0
0.9167·VA − 0.5·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/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/2 = 1.5
−0.5·VA + 0.55·VB = 1.5

求解

Δ = (0.9167)(0.55) − (−0.5)(−0.5) = 0.2542
VA = Δ1/Δ = 1.575/0.2542 = 6.197 V
VB = Δ2/Δ = 2.125/0.2542 = 8.361 V

答案

VA = 6.197 V
4.节点分析

答案: IR4 = 0.9696 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​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩAR5​4 ΩBIs​1 A−+V2​10 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 15 V, V2 = −10 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/12 + (VA − 15)/3 + (VA − VB)/25 = 0
0.4567·VA − 0.04·VB = 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/4 + (VB − VA)/25 + (VB − (−10))/12 = 1
−0.04·VA + 0.3733·VB = 0.1667

求解

Δ = (0.4567)(0.3733) − (−0.04)(−0.04) = 0.1689
VA = Δ1/Δ = 1.873/0.1689 = 11.09 V
VB = Δ2/Δ = 0.2761/0.1689 = 1.635 V

答案

IR4 = (VB − V2)/R4 = (1.635 − −10)/12 = 0.9696 A
5.网孔分析

答案: IR2 = −0.2813 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​ = 20 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​8 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
20·I1 + 8(I1 − I2) = 18
28·I1 − 8·I2 = 18

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 + 8(I2 − I1) = (−9)
−8·I1 + 16·I2 = −9

求解

Δ = (28)(16) − (−8)(−8) = 384
I1 = Δ1/Δ = 216/384 = 0.5625 A
I2 = Δ2/Δ = −108/384 = −0.2813 A

答案

IR2 = I2 = −0.2813 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR3 = −0.652 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​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​30 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
12·I1 + 3(I1 − I2) = 10
15·I1 − 3·I2 = 10

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 + 3(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 37·I2 − 30·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
6·I3 + 30(I3 − I2) = (−9)
−30·I2 + 36·I3 = −9

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 6156
I1 = Δ1/Δ = 3510/6156 = 0.5702 A
I2 = Δ2/Δ = −2970/6156 = −0.4825 A
I3 = Δ3/Δ = −4014/6156 = −0.652 A

答案

IR3 = I3 = −0.652 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR1 = 0.6186 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​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​5 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 = 2+5 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·7/(5+7) = 2.917 Ω
VA = 9·2.917/(15+2.917) = 1.465 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1.465·5/7 = 1.047 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 1.465)/15 = 0.5023 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​5 ΩAR4​5 ΩBIs​1 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 = 15·5/(15+5) = 3.75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 5.75 = 2.674 Ω
VB = Is·Req = (−1)·2.674 = −2.674 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −2.674·3.75/5.75 = −1.744 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −1.744)/15 = 0.1163 A

叠加各分量

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0.5023 + 0.1163 = 0.6186 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 = 55 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​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​3 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) = 3 ∥ 30 = 2.727 Ω
VA = 30·2.727/(20+2.727) = 3.6 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3.6·20/30 = 2.4 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω短路R3​3 ΩAIs​5 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 = 2.609 Ω,所以左侧路径为 R2+2.609 = 12.61 Ω
Req = R4 ∥ 12.61 = 7.733 Ω
VB = −Is·Req = −5·7.733 = −38.67 V
VA = VB·2.609/12.61 = −8 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 = 2.609 Ω
VA‴ = V2·2.609/(20 + 10 + 2.609) = 0.08·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‴ = 3.6 + (−8) + 0.08·V2 = 0
V2 = 4.4/0.08 = 55 V

答案

V2 = 55 V
9.戴维南和诺顿

答案: Rth = 7.2 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​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​2 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 = 3·2/(3+2) = 1.2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.2 + 6 = 7.2 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = 100 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​ = 20 Ω短路R2​20 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 = 30·20/(30+20) = 12 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12 + 20 = 32 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAIs​3 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) = 4 + 3·12 = 40 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 40 + 3·20 = 100 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.1187 A

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

时间常数和终值电流

开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 22 mH / 100 Ω = 0.22 ms
i(∞) = Vs/R = 12/100 = 0.12 A

给定时刻的电流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.12·(1 − e−1/0.22) = 0.1187 A

答案

i = 0.1187 A
12.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.1946 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,闭合的开关把 R₂ 旁路;之后 R₁ 和 R₂ 都在回路中。

i(0) = 9/22 = 0.4091 A
i(∞) = 9/(22 + 47) = 0.1304 A
τ = L/R = 47/69 = 0.6812 ms
i(t) = 0.1304 + (0.4091 − 0.1304)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(1) = 0.1304 + (0.2787)·e−1/0.6812 = 0.1946 A

答案

i = 0.1946 A
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.2715 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。

电抗

ω = 2πf = 2π·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.15 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·10·10⁻⁶) = 159.2 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−64.91)²) = 88.39 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/88.39 = 0.2715 A

答案

I = 0.2715 A
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 480 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/√(0.1·0.1·10⁻⁶) = 10000 rad/s
I = V/R = 24/50 = 0.48 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 10000·0.1 = 1000 Ω
VL = I·XL = 0.48·1000 = 480 V

答案

VL = 480 V

这是电源电压的 Q = 20 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: I = 140.1 A

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

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 29000/(230·0.9) = 140.1 A

答案

I = 140.1 A
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 11.34 kvar

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

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(36.87°) = 26.25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23.07°) = 14.91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11.34 kvar

答案

QC = 11.34 kvar
17.三相电

答案: P = 19.02 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 = √3·208·60 = 21.62 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 21.62·0.88 = 19.02 kW

答案

P = 19.02 kW
18.三相电

答案: Cph = 252.3 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 = 60·tan(acos 0.72) = 60·0.9639 = 57.83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.98) = 60·0.2031 = 12.18 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 45.65 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) = 15216/(377·400²) = 252.3 µF

答案

Cph = 252.3 µF
19.变压器

答案: IHV = 1.515 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 = 10000/6600 = 1.515 A

答案

IHV = 1.515 A
20.变压器

答案: Ploss = 178.1 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 = 0.0625·450 = 28.13 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 150 + 28.13 = 178.1 W

答案

Ploss = 178.1 W

此负载下的效率为 η = 96.56%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 6 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。

增益

|Av| = Rf/R1 = 2/1 = 2

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/2 = 6 V

答案

Vin,max = 6 V
22.运放电路

答案: Vout = 3 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 = −10/1 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/2 = 6

逐级计算

V1 = −10·(−0.05) = 0.5 V
Vout = 6·0.5 = 3 V

答案

Vout = 3 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 5.046 V

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

基极电流

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0.7)/390 kΩ = 28.97 µA

集电极电流

IC = β·IB = 200·28.97 µA = 5.795 mA

集电极–发射极电压

VCE = 12 − 5.795 mA·1.2 kΩ = 5.046 V

答案

VCE = 5.046 V
24.二极管与晶体管

答案: ID = 33.13 mA

LED 与二极管电路:正向偏置的 LED 无论电流多大,压降都约为其正向电压 VF(红光约 2 V,蓝光或白光约 3 V)。串联电阻决定电流:n 个 LED 串联时 R = (Vs − n·VF)/I。用更精确的二极管模型 V = V₀ + I·rd 时,工作点在二极管线与负载线 I = (Vs − V)/R 相交处,所以 I = (Vs − V₀)/(R + rd)。

联立两个方程

6 = 0.7 + I·(150 + 10)

工作电流

ID = 5.3/160 = 33.13 mA
VD = 0.7 + 0.03313·10 = 1.031 V

答案

ID = 33.13 mA
25.数制

答案: U = 248

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

8 = 0000 1000
取反后: 1111 0111
+1 → 1111 1000

按无符号数读取

1111 1000₂ = 256 − 8 = 248

答案

U = 248
26.数制

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。

2 的幂

211 = 2048 < 3955
212 = 4096 ≥ 3955

答案

b = 12
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。

ABC00011110010001131214051716

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
AC′

最简 SOP 形式

F = B + AC′
N = 2

答案

N = 2
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 5

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

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 5

答案

时钟边沿 5
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 1.958

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 + 8s + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

匹配分子

F(s) = (30/4)·4/((s + 4)² + 4²)

逆变换

f(t) = e−4t·(7.5·sin 4t)
f(0.1) = e−4·0.1·(7.5·sin(4·0.1)) = 1.958

答案

f(0.1) = 1.958
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.4) = 5.097

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

s²Y − 2s − 15 + 3(sY − 2) + 2Y = 0
Y(s) = (2s + 21)/((s + 1)(s + 2))

部分分式

A = 19/1 = 19
B = 17/(−1) = −17

结果

y(t) = 19·e−t − 17·e−2t
y(0.4) = 5.097

答案

y(0.4) = 5.097

检验:y(0) = A + B = 2。

31.方框图

答案: K = 9

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 + 5)(s + 11)) = 0 → s² + 16s + 55 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

16² = 4(55 + K) → K = 256/4 − 55 = 9

答案

K = 9
此时两个闭环极点都在 s = −8。
32.方框图

答案: T(0) = 2.2

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

内环

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 4/(s + 9)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 44/((s + 1)(s + 9) + 11)

直流增益

T(0) = 44/(1·9 + 11) = 44/20 = 2.2

答案

T(0) = 2.2
33.阶跃响应

答案: tp = 0.9582 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 = 13 → ωₙ = 3.606 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3.606) = 0.416

结果

ωd = 3.606·√(1 − 0.416²) = 3.279 rad/s → tp = π/ωd = 0.9582 s

答案

tp = 0.9582 s
34.阶跃响应

答案: ζ = 0.5169

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)。

阻尼比

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 1.897/√(9.87 + 3.599) = 0.5169

答案

ζ = 0.5169
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 19.17 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(j2)| = 561/(√(2² + 3²)·√(2² + 17²)) = 561/(3.606·17.12) = 9.09

结果

20·log₁₀(9.09) = 19.17 dB

答案

|G(jω)| = 19.17 dB
36.伯德图与裕度

答案: ωc = 1.963 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 + 100ω² − 400 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·400))/2 = 3.852
ωc = 1.963 rad/s

答案

ωc = 1.963 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

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。

劳斯阵列

s³ + 15s² + 50s + K = 0
s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 15·50 = 750

倍数

m = 750/150 = 5

答案

m = 5

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:13.98 dB。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 16

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。

分离点

对 K = −(s + 4)(s + 12),dK/ds = 0 给出 2s + 16 = 0。

sb = −8

幅值条件

K = |−8 + 4|·|−8 + 12| = 4·4 = 16

答案

K = 16

在这个增益下,闭环为临界阻尼(ζ = 1)。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 152

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/8 = 19 → K = 152

答案

K = 152

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: Kp = 0.8

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

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 2)。

s² + (2 + 10Kp)s + 10Ki

目标多项式

s² + 2·1·5s + 5² = s² + 10s + 25

匹配各项系数

2 + 10Kp = 10 → Kp = 0.8

答案

Kp = 0.8

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。

本内容为独立练习材料。ExamProblems 与该考试的主办机构没有隶属关系,也未获其认可,考试名称仅用于描述内容。 FE exam 由 NCEES 举办,该机构与 ExamProblems 无关,也不为其背书。

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical