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​ = 6 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​15 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​20 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 20 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​4 ΩBIs​4 A

用节点分析法求电流源 Is 输出的功率 PIs。

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
PIs = W
4.节点分析困难
R1​ = 12 Ω−+Vs​ = 5 VIx​+−V1​5 VR2​10 ΩAR3​12 ΩBIs​2.5 A

A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 B,所以它使 VB − VA = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求流过电压源的电流 Ix,方向如箭头所示从 A 到 B。

V1 = 5 VIs = 2.5 AVs = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
Ix = A
5.网孔分析中等
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR4​3 ΩAR5​25 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I3(顺时针)。

V1 = 5 VV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 Ω
I3 = 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 = 6 V、Is = 6 mA 时,I = 5.4 mA;Vs = 6 V、Is = 8 mA 时,I = 5.6 mA。求 Vs = 12 V、Is = 3 mA 时的负载电流 I。

6 V, 6 mA → 5.4 mA6 V, 8 mA → 5.6 mAVs = 12 V, Is = 3 mA
I = mA
8.叠加定理困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​12 Ω+−VR3​AIs​3 AB−+V2​6 V

用叠加定理求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 9 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
VR3 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​1 ABRL​4 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 4 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 4 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​9 Vt = 0R = 15 ΩL220 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 30 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 9 VR = 15 ΩL = 220 mHt = 30 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​10 VR1​ = 10 ΩR2​ = 15 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 = 5 ms 时的电感电流 i。

Vs = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
13.交流阻抗和相量中等
120 V500 HzR = 50 ΩC = 4.7 µFI

一个电阻和一个电容并联接在 120 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩC = 4.7 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
12 V60 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 100 ΩC = 22 µFI

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 12 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 12 V (rms)f = 60 HzR1 = 25 ΩR2 = 100 ΩC = 22 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
400 V14 kW, 0.8219 kW, 0.7I

两个负载并联接在 400 V 的单相电源上:一个 4 kW、功率因数为 0.8(滞后)的负载,以及一个 19 kW、功率因数为 0.7(超前)的负载。 求电源看到的总功率因数 cos φ。

V = 400 VP1 = 4 kW, pf1 = 0.8 滞后P2 = 19 kW, pf2 = 0.7 超前
cos φ =
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 0.6(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。 求新的线路电流 Inew。

P = 35 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.95V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M55 kW, η = 95%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 55 kW。此负载下其效率为 95%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 690 V。求线电流 IL。

Pout = 55 kWη = 95%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
18.三相电困难
P = 60 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 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 0.9(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。

P = 60 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
7200 V240 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

一台单相 50 kVA、7200/240 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 = 50 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.95100 kVA, η = 98.2%

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 0.95(滞后)时,其效率为 98.2%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 100 kVAPcore = 300 Wpf = 0.95η = 98.2%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −1.7 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −1.7 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −0.7 VR1​ = 100 kΩV2​ = 1.5 VR2​ = 4.7 kΩIf​

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。

V1 = −0.7 VV2 = 1.5 VR1 = 100 kΩR2 = 4.7 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1.5 kΩβ = 80VCC​ = 10 VRB​ = 470 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 10 V 经基极电阻 RB = 470 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 1.5 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 = 10 VRB = 470 kΩRC = 1.5 kΩβ = 80VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
+−≤ 23 V470 Ω5.1 V

一个 5.1 V 的齐纳稳压器有一个 470 Ω 的串联电阻。输入可能升到 23 V,负载可能被断开。求齐纳管必须耗散的最大功率 PZ,max。

Vin,max = 23 VVZ = 5.1 VR = 470 Ω
PZ,max = mW
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −108。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1088 bit
U =
26.数制困难
24 bit1 px1920 px1080 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 1920 × 1080 像素,每像素 24 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

1920 × 1080 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000111312040517060120131150140809111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 7, 10, 11, 15) 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, D) = Σm(1, 2, 3, 7, 10, 11, 15)
L =
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,在 7 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−22

用配方法求 F(s) = 38/(s² + 4s + 13) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = 38/(s² + 4s + 13)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 7y′ + 10y = 0,初始条件 y(0) = 3,y′(0) = −12,并求 y(0.25)。

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 3y′(0) = −12t = 0.25 s
y(0.25) =
31.方框图中等
R(s)+13K+5s + 4G(s)C(s)1H₁−−

被控对象 G(s) = 5/(s + 4) 带有一个增益为 H₁ = 1 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 13 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 5/(s + 4)H₁ = 1K = 13
p =
32.方框图困难
R(s)+Ks(s + 9)(s + 10)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 9)(s + 10)) 放在单位负反馈回路中。 用劳斯–赫尔维茨判据求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

G(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))单位负反馈
Kmax =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5

某系统的传递函数为 G(s) = 41.5/(s² + 5s + 83),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 41.5/(s² + 5s + 83)
σ =
34.阶跃响应困难
+−10 VR = 165 ΩL = 200 mHC = 4.7 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 165 Ω,L = 200 mH,C = 4.7 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。

R = 165 ΩL = 200 mHC = 4.7 µFV = 10 V
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 50 mHC = 1 µFR = 10 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 10 Ω 两端,其中 L = 50 mH,C = 1 µF。 求品质因数 Q。

R = 10 ΩL = 50 mHC = 1 µF
Q =
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 60/(s(s + 3)(s + 5))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 60/(s(s + 3)(s + 5))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 7.51s(s + 1)(s + 5)C(s)−

图中的回路在 K = 7.5 下运行,L(s) = K/(s(s + 1)(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?

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))K = 7.5
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8j2j4

对于 L(s) = K/((s + 7)(s² + 2s + 17)),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。

L(s) = K/((s + 7)(s² + 2s + 17))
θd = °
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10 + 0.5t+20s(s + 1)C(s)−

输入 r(t) = 10 + 0.5t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 20/(s(s + 1)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 20/(s(s + 1))r(t) = 10 + 0.5t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K5s(s + 4)C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s(s + 4))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.4 的增益 K。

G(s) = 5/(s(s + 4))ζ = 0.4
K =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.9591 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​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​15 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 = 20 + 15 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 8·35/(8+35) = 6.512 Ω
Req = R1 + 6.512 = 6 + 6.512 = 12.51 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 = 12/12.51 = 0.9591 A

答案

IR1 = 0.9591 A
2.串并联电阻

答案: IR1 = 4.993 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​ = 3 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​20 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 6.667 Ω
R3 + 6.667 = 18.67 Ω
R2 ∥ 18.67 = 1.806 Ω
Req = R1 + 1.806 = 3 + 1.806 = 4.806 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 = 24/4.806 = 4.993 A

答案

IR1 = 4.993 A
3.节点分析

答案: PIs = 64 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/8 + (VA − 24)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0.475·VA − 0.1·VB = 6

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)/10 = 4
−0.1·VA + 0.35·VB = 4

求解

Δ = (0.475)(0.35) − (−0.1)(−0.1) = 0.1562
VA = Δ1/Δ = 2.5/0.1562 = 16 V
VB = Δ2/Δ = 2.5/0.1562 = 16 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 = 16·4 = 64 W

答案

PIs = 64 W
4.节点分析

答案: Ix = −1.302 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。

构成超节点

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。

VB = VA + 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 5)/12 + VA/10 + (VA + 5)/12 = 2.5
VA·(1/12 + 1/10 + 1/12) = 2.5 + 5/12 − 5/12 = 2.5
VA = 2.5/0.2667 = 9.375 V
VB = 14.38 V

流过电压源的电流

仅在节点 A 列 KCL:经 R₁ 流入的电流从 R₂ 和电压源流出。

IR1 = (5 − 9.375)/12 = −0.3646 A
Ix = IR1 − VA/R2 = −0.3646 − 9.375/10 = −1.302 A

答案

Ix = −1.302 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

5.网孔分析

答案: I2 = −3.522 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​ = 8 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩA+−V2​30 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
8·I1 + 4(I1 − I2) = 9
12·I1 − 4·I2 = 9

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
5·I2 + 4(I2 − I1) = (−30)
−4·I1 + 9·I2 = −30

求解

Δ = (12)(9) − (−4)(−4) = 92
I1 = Δ1/Δ = −39/92 = −0.4239 A
I2 = Δ2/Δ = −324/92 = −3.522 A

答案

I2 = −3.522 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I3 = −0.5083 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​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR4​3 ΩAR5​25 ΩB+−V2​18 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) = 5
15·I1 − 3·I2 = 5

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
2·I2 + 3(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 30·I2 − 25·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
30·I3 + 25(I3 − I2) = (−18)
−25·I2 + 55·I3 = −18

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 14880
I1 = Δ1/Δ = 3775/14880 = 0.2537 A
I2 = Δ2/Δ = −5925/14880 = −0.3982 A
I3 = Δ3/Δ = −7563/14880 = −0.5083 A

答案

I3 = −0.5083 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: I = 9.9 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
6·k₁ + 6·k₂ = 5.4
6·k₁ + 8·k₂ = 5.6

求常数

Δ = (6)(8) − (6)(6) = 12
k₁ = Δ1/Δ = 9.6/12 = 0.8
k₂ = Δ2/Δ = 1.2/12 = 0.1
k₁ = 0.8 mA/V, k₂ = 0.1

预测新的电流

I = 0.8·12 + 0.1·3 = 9.9 mA

答案

I = 9.9 mA
8.叠加定理

答案: VR3 = −2.25 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​ = 20 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​9 VR3​12 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) = 12 ∥ 25 = 8.108 Ω
VA = 9·8.108/(20+8.108) = 2.596 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.596·5/25 = 0.5192 V
VR3′ = VA − 0 = 2.596 − 0 = 2.596 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 Ω短路R3​12 ΩAIs​3 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。

R1 ∥ R3 = 7.5 Ω,所以左侧路径为 R2+7.5 = 27.5 Ω
Req = R4 ∥ 27.5 = 4.231 Ω
VB = Is·Req = (−3)·4.231 = −12.69 V
VA = VB·7.5/27.5 = −3.462 V
VR3″ = VA − 0 = −3.462 − 0 = −3.462 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 5 Ω短路R3​12 ΩA开路B−+V2​6 V

情况 3 · V2 单独作用

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 = 20·12/(20+12) = 7.5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·27.5/32.5 = −5.077 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5.077·7.5/27.5 = −1.385 V
VR3‴ = VA − 0 = −1.385 − 0 = −1.385 V

叠加各分量

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 2.596 + (−3.462) + (−1.385) = −2.25 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

9.戴维南和诺顿

答案: Rth = 13.57 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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​20 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 = 15·20/(15+20) = 8.571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8.571 + 5 = 13.57 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.151 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​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​10 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 = 6·10/(6+10) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 3 = 6.75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​1 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) = 5.625 + 1·3.75 = 9.375 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9.375 + 1·3 = 12.38 V
Rth​ = 6.75 Ω+−Vth​12.38 VRL​4 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) = 12.38/(6.75 + 4) = 1.151 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 1.164 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 = 220 mH / 15 Ω = 14.67 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0.6 A

电感电压

t = 0 时全部电源电压加在电感上;之后衰减到零。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 9·e−30/14.67 = 1.164 V

答案

vL = 1.164 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.442 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) = 10/10 = 1 A
i(∞) = 10/(10 + 15) = 0.4 A
τ = L/R = 47/25 = 1.88 ms
i(t) = 0.4 + (1 − 0.4)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(5) = 0.4 + (0.6)·e−5/1.88 = 0.442 A

答案

i = 0.442 A
13.交流阻抗和相量

答案: I = 2.983 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

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω

支路电流

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。

IR = V/R = 120/50 = 2.4 A
IX = V/XC = 120/67.73 = 1.772 A

总电流

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。

I = √(IR² + IX²) = √(2.4² + 1.772²) = 2.983 A

答案

I = 2.983 A
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.123 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

XC = 1/(2π·60·22·10⁻⁶) = 120.6 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 59.25 − j49.14 Ω

总阻抗

Z = 25 + 59.25 − j49.14 = 84.25 − j49.14 Ω
|Z| = √(84.25² + 49.14²) = 97.53 Ω

电流

I = V/|Z| = 12/97.53 = 0.123 A

答案

I = 0.123 A
15.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.8145

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 = 4·tan(arccos 0.8) = 3 kvar
Q2 = −19·tan(arccos 0.7) = −19.38 kvar

总计

P = 4 + 19 = 23 kW
Q = 3 + (−19.38) = −16.38 kvar
S = √(23² + (−16.38)²) = 28.24 kVA

总功率因数

cos φ = P/S = 23/28.24 = 0.8145 超前

答案

cos φ = 0.8145
16.交流功率和功率因数

答案: Inew = 160.2 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。

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(53.13°) = 46.67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(18.19°) = 11.5 kvar
QC = Q1 − Q2 = 35.16 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(230·0.95) = 160.2 A

答案

Inew = 160.2 A
17.三相电

答案: IL = 59.08 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。

电输入功率

Pin = Pout/η = 55/0.95 = 57.89 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 57895/(√3·690·0.82) = 59.08 A

答案

IL = 59.08 A
18.三相电

答案: Cph = 192.4 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 0.9) = 60·0.4843 = 29.06 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 28.77 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) = 9591/(314.2·398.4²) = 192.4 µF

答案

Cph = 192.4 µF
19.变压器

答案: IHV = 6.944 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 = 50000/7200 = 6.944 A

答案

IHV = 6.944 A
20.变压器

答案: Pcu,fl = 1441 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。

输出功率和输入功率

Pout = 100·0.95 = 95 kW
Pin = 95000/0.982 = 96741 W

总损耗和铜损

Ploss = 96741 − 95000 = 1741 W
Pcu,fl = 1741 − 300 = 1441 W

答案

Pcu,fl = 1441 W
21.运放电路

答案: Vout = −3.4 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₊ = −1.7 V
I = V₋/R1 = −1.7/10 = −0.17 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −1.7 + (−0.17)·10 = −3.4 V

答案

Vout = −3.4 V
22.运放电路

答案: If = 0.3121 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。

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = −0.7/100 = −0.007 mA
I2 = V2/R2 = 1.5/4.7 = 0.3191 mA
If = I1 + I2 = 0.3121 mA

答案

If = 0.3121 mA
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 7.626 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 = (10 − 0.7)/470 kΩ = 19.79 µA

集电极电流

IC = β·IB = 80·19.79 µA = 1.583 mA

集电极–发射极电压

VCE = 10 − 1.583 mA·1.5 kΩ = 7.626 V

答案

VCE = 7.626 V
24.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 194.2 mW

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。

最坏情况的齐纳电流

IZ = 17.9/470 = 38.09 mA

齐纳功率

PZ = 5.1·38.09 = 194.2 mW

答案

PZ,max = 194.2 mW
25.数制

答案: U = 148

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

108 = 0110 1100
取反后: 1001 0011
+1 → 1001 0100

按无符号数读取

1001 0100₂ = 256 − 108 = 148

答案

U = 148
26.数制

答案: M = 6075 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。

位和字节

1920·1080·24 = 49766400 bit = 6220800 B

换算为 KiB

6220800/1024 = 6075 KiB

答案

M = 6075 KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 7

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。

ABCD000111100001111000111312040517060120131150140809111110

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。

CD
B′C
A′B′D

最简 SOP 形式

F = CD + B′C + A′B′D
L = 7

答案

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

数出变化的次数

0 → 0 → 1 → 0 → 0 → 1 → 0 → 0
N = 4

答案

N = 4
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 3.065

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 + 13 = (s + 2)² + 9 = (s + 2)² + 3²

匹配分子

F(s) = (38/3)·3/((s + 2)² + 3²)

逆变换

f(t) = e−2t·(12.67·sin 3t)
f(0.1) = e−2·0.1·(12.67·sin(3·0.1)) = 3.065

答案

f(0.1) = 3.065
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.25) = 1.18

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 − 3s − (−12) + 7(sY − 3) + 10Y = 0
Y(s) = (3s + 9)/((s + 2)(s + 5))

部分分式

A = 3/3 = 1
B = −6/(−3) = 2

结果

y(t) = e−2t + 2·e−5t
y(0.25) = 1.18

答案

y(0.25) = 1.18

检验:y(0) = A + B = 3。

31.方框图

答案: p = −74

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 = G/(1 + G·H₁) = 5/(s + 4 + 5·1) = 5/(s + 9)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 65/(s + 9 + 65) = 65/(s + 74)

结果

p = −74

答案

p = −74
32.方框图

答案: Kmax = 1710

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

s³ + 19s² + 90s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 90
s² | 19 K
s¹ | (19·90 − K)/19
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 19·90 = 1710

答案

Kmax = 1710
33.阶跃响应

答案: σ = −2.5

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 = 83 → ωₙ = 9.11 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9.11) = 0.2744

结果

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2.5

答案

σ = −2.5
34.阶跃响应

答案: ωn = 1031 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.2·4.7 × 10⁻⁶) = 1031 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (165/2)·√(4.7 × 10⁻⁶/0.2) = 0.3999

结果

ωₙ = 1031 rad/s

答案

ωn = 1031 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: Q = 22.36

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。

谐振频率

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·1 × 10⁻⁶) = 4472 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 711.8 Hz

品质因数

BW = R/L = 10/0.05 = 200 rad/s = 31.83 Hz
Q = ω₀/BW = 4472/200 = 22.36

答案

Q = 22.36
36.伯德图与裕度

答案: GM = 6.021 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。

相位穿越

(ω/3)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3.873 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 25)) = K/(3·5·(3 + 5)) = K/120

增益裕度

GM = 20·log₁₀(120/60) = 6.021 dB

答案

GM = 6.021 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 4

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 + 6s² + 5s + K = 0
s³: 1, 5
s²: 6, K
s¹: (6·5 − K)/6
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 6·5 = 30

倍数

m = 30/7.5 = 4

答案

m = 4

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:12.04 dB。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 56.31 °

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。

极点位置

s² + 2s + 17 = 0 → s = −1 ± j4
s = −7

来自其他极点的角度

∠(−1 + j4 + 7) = atan2(4, 6) = 33.69°
∠(−1 + j4 − (−1 − j4)) = ∠(j8) = 90°

出射角

θd = 180° − 33.69° − 90° = 56.31°

答案

θd = 56.31°
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.025

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。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 20

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 0.5/20 = 0.025

答案

ess = 0.025
40.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 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)。

特征多项式

s(s + 4) + 5K = s² + 4s + 5K

固有频率

2·0.4·ωₙ = 4 → ωₙ = 5 rad/s

增益

5K = ωₙ² = 25 → K = 5

答案

K = 5

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