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​ = 6 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​15 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​30 ΩBR6​30 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 30 ΩR5 = 8 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​4 ΩBIs​1.5 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 15 VIs = 1.5 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 20 Ω+−Vs​ = 10 VIx​+−V1​9 VR2​30 ΩAR3​4 ΩBIs​1 A

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流过电压源的电流 Ix,方向如箭头所示从 A 到 B。

V1 = 9 VIs = 1 AVs = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 Ω
Ix = A
5.网孔分析中等
R1​ = 10 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR4​30 ΩAR5​10 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I3(顺时针)。

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩR5 = 10 Ω
I3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​6 Ω−+VR2​AR4​20 ΩBIs​3 A

用叠加定理求 R2 两端按图示极性的电压 VR2。

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
VR2 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩIR2​R4​ = 12 Ω+−V1​5 VR3​25 ΩAIs​1 AB−+V2​15 V

用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。

V1 = 5 VIs = 1 AV2 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 Ω
PR2 = W
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​3 ABRL​15 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 15 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 36 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩRL = 15 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 22 Ωt = 0L220 mHi(t)

电感中流过 0.5 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) = 0.5 AR = 22 ΩL = 220 mHt = 15 ms
vR = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​15 V在 t = 0 断开R1​ = 10 kΩR2​ = 3.3 kΩi2​C10 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 20 ms 时流过 R2 的电流 i2。

Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 3.3 kΩC = 10 µFt = 20 ms
i2 = mA
13.交流阻抗和相量中等
24 V200 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
50 V1000 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、1000 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
P = 19 kWQSφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 19 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求线路电流 I。

P = 19 kWpf = 0.9V = 400 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 240 V、60 Hz 电源吸取 35 kW,功率因数为 0.75(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。

P = 35 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VZ = 9 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 9 + j12 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 = 9 + j12 Ω 每相
P = kW
18.三相电困难
P = 50 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 50 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 0.9(滞后)。有功功率保持不变。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 50 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
RL​ = 30 Ω21240 VV2​I1​ = ?I2​

一台匝数比 N₁:N₂ = 2:1 的理想变压器,一次绕组加 240 V 电压。二次绕组两端接一个 30 Ω 的电阻。求一次电流 I1。

N1:N2 = 2:1V1 = 240 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.变压器困难
pf 0.9525 kVA, 50% 负载

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 100 W,额定负载下铜损为 150 W。 它以 0.95(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 50%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 25 kVAPcore = 100 WPcu,fl = 150 Wx = 0.5pf = 0.95
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 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 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​C = 2.2 µFVin​ = 1.3 VR = 100 kΩ

积分器使用采用 ±15 V 电源的理想运放;其输出饱和电压为 ±13 V。在 t = 0 施加恒定输入 Vin = 1.3 V 时,电容未充电。 t = 0 之后多长时间输出达到饱和?求 t。

Vin = 1.3 VR = 100 kΩC = 2.2 µFVsat = ±13 V
t = ms
23.二极管与晶体管中等
+−15 V680 Ω3.3 V470 ΩIZ​ = ?

一个 3.3 V 的齐纳稳压器通过 680 Ω 接到 15 V,并向 470 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 15 VVZ = 3.3 VR = 680 ΩRL = 470 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
+−≥ 24 VR = ?12 V≤ 30 mA

一个 12 V 的齐纳稳压器必须向负载提供最多 30 mA。输入可能降到 24 V,齐纳管至少需要 5 mA 才能稳压。求能保持稳压的最大串联电阻 Rmax。

Vin,min = 24 VVZ = 12 VIL,max = 30 mAIZ,min = 5 mA
Rmax = Ω
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −9。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −98 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0110 1011 >> 2 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0110 1011>> 2
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD0001111000011110111111

在这个卡诺图中,恰有一个 1 没有相邻的 1,所以它在最简 SOP 形式中仍是单个格子的圈(含四个文字的完整最小项)。跨越卡诺图边界的相邻关系也要计入。点选该格子。

F = Σm(2, 5, 6, 7, 11, 13)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ0​Q0​DQ1​Q1​DQ2​Q2​DQ3​Q3​DQ4​Q4​CLKJOHNSON

一个约翰逊(扭环)计数器由 5 个 D 触发器构成,最后一个输出取反后反馈到第一个输入,并从全 0 开始。它经历多少种不同的状态 N?

n = 5
N =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

求 F(s) = (5s + 4)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.1)。

F(s) = (5s + 4)/(s² + 10s + 25)t = 0.1 s
f(0.1) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.8y(0.8) = ?

某系统满足 y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t),y(0) = 3,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 1。用拉普拉斯变换求 y(0.8)。

y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.8 s
y(0.8) =
31.方框图中等
R(s)+K(s + 1)(s + 2)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/((s + 1)(s + 2)) 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 + 1)(s + 2))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+Ks(s + 2)(s + 9)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 2)(s + 9)) 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 + 2)(s + 9))单位负反馈
Kmax =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)2ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 184/(s² + 8s + 92),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) = 184/(s² + 8s + 92)
ts = s
34.阶跃响应困难
+−10 VR = 19 ΩL = 200 mHC = 22 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 19 Ω,L = 200 mH,C = 22 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。 求电容电压的峰值 vC,max。

R = 19 ΩL = 200 mHC = 22 µFV = 10 V
vC,max = V
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 5

求 G(s) = 1734/((s + 6)(s + 17)) 在 ω = 5 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 1734/((s + 6)(s + 17))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 260/(s(s + 5)(s + 8))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 260/(s(s + 5)(s + 8))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1(s + 1)(s + 3)(s + 6)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.5−2−4−6j2j4

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。

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0.5
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5t+50s(s + 5)C(s)−

斜坡 r(t) = 5t 加到 G(s) = 50/(s(s + 5)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 50/(s(s + 5))r(t) = 5t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 4010s(s + 5)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s(s + 5))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 10/(s(s + 5))K = 40
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 2.292 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​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​2 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 2·25/(2+25) = 1.852 Ω
Req = R1 + 1.852 = 6 + 1.852 = 7.852 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 = 18/7.852 = 2.292 A

答案

IR1 = 2.292 A
2.串并联电阻

答案: Req = 20.08 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​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​30 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 = 8 + 30 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 16.76 Ω
R3 + 16.76 = 24.76 Ω
R2 ∥ 24.76 = 8.083 Ω
Req = R1 + 8.083 = 12 + 8.083 = 20.08 Ω

答案

Req = 20.08 Ω
3.节点分析

答案: IR1 = 1.969 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​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​4 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 = 15 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 − 15)/4 + (VA − VB)/2 = 0
VA − 0.5·VB = 3.75

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)/2 = 1.5
−0.5·VA + 0.75·VB = 1.5

求解

Δ = (1)(0.75) − (−0.5)(−0.5) = 0.5
VA = Δ1/Δ = 3.563/0.5 = 7.125 V
VB = Δ2/Δ = 3.375/0.5 = 6.75 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 7.125)/4 = 1.969 A
4.节点分析

答案: Ix = −0.5375 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 − 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 9)/20 + VA/30 + (VA − 10)/4 = 1
VA·(1/20 + 1/30 + 1/4) = 1 + 9/20 + 10/4 = 3.95
VA = 3.95/0.3333 = 11.85 V
VB = 1.85 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 = (9 − 11.85)/20 = −0.1425 A
Ix = IR1 − VA/R2 = −0.1425 − 11.85/30 = −0.5375 A

答案

Ix = −0.5375 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 = −0.528 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​ = 10 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​4 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
10·I1 + 4(I1 − I2) = 9
14·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
15·I2 + 4(I2 − I1) = (−12)
−4·I1 + 19·I2 = −12

求解

Δ = (14)(19) − (−4)(−4) = 250
I1 = Δ1/Δ = 123/250 = 0.492 A
I2 = Δ2/Δ = −132/250 = −0.528 A

答案

I2 = −0.528 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I3 = −0.6117 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​ = 10 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR4​30 ΩAR5​10 ΩB+−V2​12 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
10·I1 + 30(I1 − I2) = 24
40·I1 − 30·I2 = 24

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
8·I2 + 30(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 48·I2 − 10·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
2·I3 + 10(I3 − I2) = (−12)
−10·I2 + 12·I3 = −12

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 8240
I1 = Δ1/Δ = 7824/8240 = 0.9495 A
I2 = Δ2/Δ = 3840/8240 = 0.466 A
I3 = Δ3/Δ = −5040/8240 = −0.6117 A

答案

I3 = −0.6117 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR2 = −9.529 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​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​6 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 = 6+20 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·26/(6+26) = 4.875 Ω
VA = 6·4.875/(10+4.875) = 1.966 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1.966·20/26 = 1.513 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 1.966 = −1.966 V
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​3 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 = 10·6/(10+6) = 3.75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9.75 = 6.555 Ω
VB = Is·Req = 3·6.555 = 19.66 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 19.66·3.75/9.75 = 7.563 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 7.563 = −7.563 V

叠加各分量

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−1.966) + (−7.563) = −9.529 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

8.叠加定理

答案: PR2 = 0.28 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。

R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​5 VR3​25 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) = 25 ∥ 16 = 9.756 Ω
VA = 5·9.756/(12+9.756) = 2.242 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.242·12/16 = 1.682 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (2.242 − 1.682)/4 = 0.1401 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 12 Ω短路R3​25 ΩAIs​1 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 = 8.108 Ω,所以左侧路径为 R2+8.108 = 12.11 Ω
Req = R4 ∥ 12.11 = 6.027 Ω
VB = Is·Req = 1·6.027 = 6.027 V
VA = VB·8.108/12.11 = 4.036 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (4.036 − 6.027)/4 = −0.4978 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 12 Ω短路R3​25 ΩA开路B−+V2​15 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 = 12·25/(12+25) = 8.108 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·12.11/24.11 = −7.534 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −7.534·8.108/12.11 = −5.045 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−5.045 − −7.534)/4 = 0.6222 A

把电流的各个贡献相加

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴ = 0.1401 + (−0.4978) + 0.6222 = 0.2646 A

电阻中的功率

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。

PR2 = IR2²·R2 = 0.2646²·4 = 0.28 W

答案

PR2 = 0.28 W

把各单独情况下的功率相加会得到 2.618 W,这是错误的。

9.戴维南和诺顿

答案: Rth = 4.727 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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω短路R2​5 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 = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 2 = 4.727 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 95.73 W

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​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω短路R2​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 20 = 23 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​12 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) = 27 + 3·3 = 36 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36 + 3·20 = 96 V
Rth​ = 23 Ω+−Vth​96 VRL​15 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) = 96/(23 + 15) = 2.526 A
PL = IL²·RL = 2.526²·15 = 95.73 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: vR = 2.454 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 / 22 Ω = 10 ms

电流的衰减

i(t) = 0.5·e−15/10 = 0.1116 A
vR = R·i = 22·0.1116 = 2.454 V

答案

vR = 2.454 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: i2 = 0.6152 mA

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。

电容的初始电压

稳态时电容相当于开路,所以 R₁ 和 R₂ 构成分压器。开关断开时电容电压不能突变。

vC(0) = 15·3.3/(10 + 3.3) = 3.722 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 3.3·10 = 33 ms

放电

vC(t) = 3.722·e−20/33 = 2.03 V
i2 = vC/R2 = 2.03/3.3 = 0.6152 mA

答案

i2 = 0.6152 mA
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1327 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7.958 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (180.5)²) = 180.8 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/180.8 = 0.1327 A

答案

I = 0.1327 A
14.交流阻抗和相量

答案: VC = 0.8576 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。

电抗

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.15 = 942.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·10·10⁻⁶) = 15.92 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (926.6)²) = 927.9 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 50/927.9 = 0.05388 A

电容电压

VC = I·XC = 0.05388·15.92 = 0.8576 V

答案

VC = 0.8576 V
15.交流功率和功率因数

答案: I = 52.78 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) = 19000/(400·0.9) = 52.78 A

答案

I = 52.78 A
16.交流功率和功率因数

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。

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(41.41°) = 30.87 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23.07°) = 14.91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 15.96 kvar

新的线路电流

Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(240·0.92) = 158.5 A

答案

Inew = 158.5 A
17.三相电

答案: P = 20.67 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| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 415/15 = 27.67 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 = 3·27.67²·9 = 20.67 kW

答案

P = 20.67 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.6,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

18.三相电

答案: QC = 19.88 kvar

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 = 50·tan(acos 0.75) = 50·0.8819 = 44.1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.9) = 50·0.4843 = 24.22 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 19.88 kvar

答案

QC = 19.88 kvar
19.变压器

答案: I1 = 2 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。

二次电压和电流

V2 = 240/2 = 120 V
I2 = 120/30 = 4 A

一次电流

理想变压器没有损耗:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/2 = 2 A

答案

I1 = 2 A

验算:从一次侧看负载为 a²·RL = 120 Ω,240/120 得到相同的电流。

20.变压器

答案: Ploss = 137.5 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 = 0.25·150 = 37.5 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 100 + 37.5 = 137.5 W

答案

Ploss = 137.5 W

此负载下的效率为 η = 98.86%。

21.运放电路

答案: Vout = 5.332 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 = 1.7/22 = 0.07727 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 1.7 + 0.07727·47 = 5.332 V

答案

Vout = 5.332 V
22.运放电路

答案: t = 2200 ms

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。

输入电流和斜坡速率

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

RC = 100 kΩ · 2.2 µF = 220 ms
斜坡速率 = −Vin/(RC) = −1.3/220 = −0.005909 V/ms

达到饱和的时间

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·220/1.3 = 2200 ms

答案

t = 2200 ms
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 10.18 mA

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。

电阻电流

IR = 11.7/680 = 17.21 mA

负载电流

IL = 3.3/470 = 7.021 mA

齐纳电流

IZ = 17.21 − 7.021 = 10.18 mA

答案

IZ = 10.18 mA
24.二极管与晶体管

答案: Rmax = 342.9 Ω

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。

最坏情况的电流

IR = 30 + 5 = 35 mA

最大电阻

Rmax = 12/0.035 = 342.9 Ω

答案

Rmax = 342.9 Ω
25.数制

答案: U = 247

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

9 = 0000 1001
取反后: 1111 0110
+1 → 1111 0111

按无符号数读取

1111 0111₂ = 256 − 9 = 247

答案

U = 247
26.数制

答案: R = 26

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

右移 2 位,把每一位向右移动 2 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

0110 1011 >> 2
= 0001 1010

结果的值

0001 1010₂ = 26

答案

R = 26
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 10, CD = 11

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 1 的邻格

有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。

m11: m10, m9, m15, m3 → 0
ABCD0001111000011110111111

孤立的 1

m11 = AB′CD → AB = 10, CD = 11

答案

AB = 10, CD = 11
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 10

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。

5 个触发器的序列

00000 → 10000 → 11000 → 11100 → 11110 → 11111 → 01111 → 00111 → 00011 → 00001

状态数

N = 10

答案

N = 10
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.1) = 1.759

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)。

分解分母

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分式

5s + 4 = 5(s + 5) + −21
F(s) = 5/(s + 5) − 21/(s + 5)²

逆变换

f(t) = 5·e−5t − 21·t·e−5t
f(0.1) = (5 − 21·0.1)·e−5·0.1 = 1.759

答案

f(0.1) = 1.759
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.8) = 3.303

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 + 3s + 2)·Y(s) = 3s + 9 + 8/s
Y(s) = (3s² + 9s + 8)/(s(s + 1)(s + 2))

部分分式

A = 8/(1·2) = 4
B = 2/((−1)·1) = −2
C = 2/((−2)·(−1)) = 1

结果

y(t) = 4 − 2·e−t + e−2t
y(0.8) = 3.303

答案

y(0.8) = 3.303

检验:y(0) = A + B + C = 3。

31.方框图

答案: K = 0.25

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)。

特征方程

1 + K/((s + 1)(s + 2)) = 0 → s² + 3s + 2 + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

3² = 4(2 + K) → K = 9/4 − 2 = 0.25

答案

K = 0.25
此时两个闭环极点都在 s = −1.5。
32.方框图

答案: Kmax = 198

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 + 11s² + 18s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 18
s² | 11 K
s¹ | (11·18 − K)/11
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 11·18 = 198

答案

Kmax = 198
33.阶跃响应

答案: ts = 1 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 = 92 → ωₙ = 9.592 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9.592) = 0.417

结果

ζωₙ = 4 → ts ≈ 4/4 = 1 s

答案

ts = 1 s
34.阶跃响应

答案: vC,max = 17.3 V

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/√(0.2·2.2 × 10⁻⁵) = 476.7 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (19/2)·√(2.2 × 10⁻⁵/0.2) = 0.09964

结果

%OS = 73.01 %
vC,max = 10·(1 + 0.7301) = 17.3 V

答案

vC,max = 17.3 V
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 21.96 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。

把各模相乘

|G(j5)| = 1734/(√(5² + 6²)·√(5² + 17²)) = 1734/(7.81·17.72) = 12.53

结果

20·log₁₀(12.53) = 21.96 dB

答案

|G(jω)| = 21.96 dB
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/5)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6.325 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

增益裕度

GM = 20·log₁₀(520/260) = 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: Kmax = 252

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 + 10s² + 27s + 18 + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 27
s²: 10, 18 + K
s¹: (10·27 − 18 − K)/10
s⁰: 18 + K

条件

s¹ 行元素必须保持为正。

K < 10·27 − 18 = 252

答案

Kmax = 252

在极限处,回路以 ω = √27 = 5.196 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

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。

与标准形式比较

s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.5·ωₙ = 5 → ωₙ = 5 rad/s

增益

K = ωₙ² = 5² = 25

答案

K = 25

闭环极点位于 ζ 线与 s = −2.5 处垂直分支的交点。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.5

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) = 10

斜坡误差

ess = 5/10 = 0.5

答案

ess = 0.5
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 67.31 %

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 + 5) + 40·10 = s² + 5s + 400

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √400 = 20 rad/s
ζ = 5/(2·20) = 0.125

超调量

%OS = 100·e−0.125π/√(1 − 0.125²) = 67.31 %

答案

%OS = 67.31 %

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