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。
求流过 R2 的电流 IR2。
求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。
如图所示,节点 A 与地之间连接了三条支路。用节点分析法求支路 3 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I3。
菱形符号是一个电压控制电流源,它向上注入节点 B 的电流为 0.4·VA(单位 A,VA 单位为 V)。用节点分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。
用网孔分析法求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。
用网孔分析法求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。
用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。
用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。
求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。
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。 求开关闭合后电路的时间常数 τ。
一个定时器在 t = 0 时开始用 9 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 6.75 V 时它必须触发,恰好在开始后 1000 ms。 已知 R = 4.7 kΩ,求所需的电容 C。
一个电阻和一个电感并联接在 12 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。
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。
一台单相电动机从 400 V 电源吸取 10 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。
一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.92。 求新的线路电流 Inew。
一台三相感应电动机满载时输出机械功率 110 kW。此负载下其效率为 93%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。
一个对称三相负载从 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 300 kW,功率因数为 0.75(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。
一台匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器,一次绕组加 2400 V 电压。二次绕组两端接一个 40 Ω 的电阻。求一次电流 I1。
一台单相 100 kVA 变压器的铁损为 300 W。 在额定负载、功率因数为 0.9(滞后)时,其效率为 97.5%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。
运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。
加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求流过反馈电阻、流向输出端的电流 If。
一只 β = 120 的 NPN 晶体管由 VCC = 18 V 分压偏置:R₁ = 100 kΩ 接在 VCC 与基极之间,R₂ = 15 kΩ 接在基极与地之间。集电极电阻为 RC = 3.3 kΩ,发射极电阻为 RE = 2.2 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。
一只 β = 100 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 680 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 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 为保证可靠开关,按饱和所需最小基极电流的 10 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。
8 位模式 1111 0000 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?
一幅未压缩图像为 800 × 600 像素,每像素 8 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?
用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 4, 5, 6, 10, 14) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?
一个上升沿触发的 T 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。
用配方法求 F(s) = (3s + 22)/(s² + 6s + 13) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。
某系统由微分方程 y″ + 6y′ + 13y = u′ + 20u 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 = 0.6 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.6)。
被控对象 G(s) = K/((s + 5)(s + 10)) 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。
化简方框图,其中 G₁ = 15/(s + 4),G₂ = 6/(s + 7),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 0.5,外部有负反馈 H₂ = 1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。
某系统的传递函数为 G(s) = 54/(s² + 2s + 18),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。
一个串联 RLC 电路,R = 89 Ω,L = 50 mH,C = 1 µF,在 t = 0 时接到 10 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求无阻尼固有频率 ωn,单位 rad/s。
图中所示的RC 高通滤波器有R = 3.3 kΩ, C = 4.7 nF。输入为2.1 kHz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。
一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 100/(s(s + 4)(s + 10))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。
图中的回路在 K = 72 下运行,L(s) = K/(s(s + 4)(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?
已给出 L(s) = K/(s(s + 5)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.5 的增益 K。
抛物线输入 r(t) = 10·t²/2 加到 G(s) = 2(s + 5)/(s²(s + 2)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。
比例控制器 K = 16 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 2))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。
答案: IR2 = 0.5128 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。
减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。
答案: IR1 = 1.709 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: I3 = −1.962 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。
取底部导线为地。每条支路从 A 流出的电流为 (VA − Vk)/Rk,其中 Vk 为该支路电源的电压(纯电阻支路为零)。从 A 流出的电流之和为零。
箭头沿支路向上,指向节点 A。
结果为负表示实际电流与箭头方向相反。
答案: IR4 = 0.6793 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。
经电阻从 A 流出的电流等于电源注入 A 的电流。
受控源向节点 B 注入 g·VA。把它当作独立源处理,然后把含 VA 的项移到左边。
答案: VR3 = 5.333 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: VR2 = 11 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, 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: PR2 = 8.816 W
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。
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。
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。
功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。
把各单独情况下的功率相加会得到 5.51 W,这是错误的。
答案: IR4 = −2.5 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: Rth = 22.73 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。
电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。
答案: Vth = 26.75 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: τ = 70.34 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。
把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。
答案: C = 153.5 µF
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。
kΩ 乘以 µF 得到毫秒。
答案: I = 0.2483 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: f0 = 75.87 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。
谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。
答案: Q = 4.843 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: Inew = 158.5 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。
有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。
答案: IL = 200.7 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 = 629.9 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 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。
答案: I1 = 0.6 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。
理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。
验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 4000 Ω,2400/4000 得到相同的电流。
答案: Pcu,fl = 2008 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。
答案: Vout = 0.5681 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。
流过 R₁ 的电流也流过 Rf。
答案: If = 0.59 mA
理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。
V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。
答案: IC = 0.7081 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。
沿基极回路列 KVL;发射极电流为 (β + 1)·IB。
答案: RB = 1.229 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。
答案: N = −16
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。
其余各位保持正常的正权值。
答案: M = 468.8 KiB
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: N = 4
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。
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。
T 触发器在 T = 1 时每个上升沿翻转,在 T = 0 时保持。
答案: f(0.25) = 2.716
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(0.6) = 1.369
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: K = 6.25
方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。
二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。
答案: T(0) = 0.6923
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: σ = −1
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 = 4472 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: φ = 78.43 °
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: GM = 14.96 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。
答案: m = 2.5
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:7.959 dB。
答案: K = 25
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。
闭环极点位于 ζ 线与 s = −2.5 处垂直分支的交点。
答案: ess = 2
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。
答案: tp = 0.3958 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)。
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