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​ = 2 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​20 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​2 ΩBR6​25 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 ΩR5 = 20 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩIR3​+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ω
IR3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩIR2​R4​ = 30 Ω+−V1​10 VR3​6 ΩAR5​5 ΩBIs​2 A+−V2​36 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VIs = 2 AV2 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 30 ΩR5 = 5 Ω
IR2 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 2 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​10 VR3​3 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−VR3​+−V1​6 VR4​30 ΩAR5​12 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 6 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 Ω
VR3 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩIR2​AR4​10 ΩBIs​3 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 15 ΩIR2​R4​ = 8 Ω+−V1​5 VR3​12 ΩAIs​0.5 AB+−V2​18 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 5 VIs = 0.5 AV2 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​2.5 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 15 VIs = 2.5 AR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​5 Vt = 0R = 22 ΩL220 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 开关闭合后多长时间电流达到终值的 99%?求 t。

Vs = 5 VR = 22 ΩL = 220 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = 3.3 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

开关在 t = 0 闭合前的一瞬间,电容电压为 20 V,极性如图所示。 求 t = 500 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR = 3.3 kΩC = 68 µFvC(0) = 20 Vt = 500 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
24 V500 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 2.2 µFI

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
120 V500 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩC = 10 µFI

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,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 HzR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩC = 10 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 27 kWQSφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 27 kW,功率因数为 0.6(滞后)。 求线路电流 I。

P = 27 kWpf = 0.6V = 400 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、50 Hz 电源吸取 15 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.95。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 15 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M55 kW, η = 92%cos φ = 0.84

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 92%,功率因数为 0.84(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。

Pout = 55 kWη = 92%cos φ = 0.84VL = 415 V
IL = A
18.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 50 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。 求电容器组须提供的总无功功率 QC,以 kvar 计。

P = 50 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.9VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
7200 V240 VIHV​ILV​ = ?10 kVA

一台单相 10 kVA、7200/240 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求低压绕组中的电流 ILV。

S = 10 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
ILV = A
20.变压器困难
pf 0.9150 kVA, 50% 负载

一台单相 150 kVA 变压器的铁损为 900 W,额定负载下铜损为 3600 W。 它以 0.9(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 = 150 kVAPcore = 900 WPcu,fl = 3600 Wx = 0.5pf = 0.9
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 2.5 VRa​ = 22 kΩRb​ = 47 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 2.5 VRa = 22 kΩRb = 47 kΩR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −0.2 VR1​ = 4.7 kΩV2​ = 1.2 VR2​ = 10 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −0.2 VV2 = 1.2 VR1 = 4.7 kΩR2 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−15 V150 Ω6.2 V3300 ΩIZ​ = ?

一个 6.2 V 的齐纳稳压器通过 150 Ω 接到 15 V,并向 3300 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 15 VVZ = 6.2 VR = 150 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 1 kΩβ = 80VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

一只 β = 80 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 1 kΩ 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。 求仍能使晶体管刚好进入饱和的最大基极电阻 RB,以 kΩ 计。

VCC = 24 VRC = 1 kΩβ = 80Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −106。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1068 bit
U =
26.数制困难
20 位补码, N = ??符号位???????????????????

20 位补码能存储的最小(最负)整数 N 是多少?

20 bit
N =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD00011110000111101111111

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(1, 6, 8, 9, 11, 12, 15)
  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
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKJOHNSON

一个 4 位约翰逊计数器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 从 0000 开始。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀),Q₃ 接收 Q₀ 的反相。给出 6 个时钟边沿之后的状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00006
Q =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm5

用配方法求 F(s) = 15/(s² + 8s + 52) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = 15/(s² + 8s + 52)t = 0.25 s
f(0.25) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

某系统满足 y″ + 6y′ + 8y = 20·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 10(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.6)。

y″ + 6y′ + 8y = 20·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.6 s
y(0.6) =
31.方框图中等
R(s)+12K+6s + 7G(s)C(s)5H₁−−

被控对象 G(s) = 6/(s + 7) 带有一个增益为 H₁ = 5 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 12 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环直流增益 T(0)。

G(s) = 6/(s + 7)H₁ = 5K = 12
T(0) =
32.方框图困难
R(s)+25控制器+D(s)+4s + 5被控对象C(s)−

比例控制器 K = 25 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 4/(s + 5)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 同时施加大小为 10 的参考阶跃和大小为 5 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 25G(s) = 4/(s + 5)D = 5R = 10
css =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1tp​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 16/(s² + 5s + 16),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 16/(s² + 5s + 16)
tp = s
34.阶跃响应困难
R(s)+260s(s + 20)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 260/(s(s + 20))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 260/(s(s + 20))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 2.2 nFR = 3.3 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 3.3 kΩ, C = 2.2 nF。输入为66 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 3.3 kΩC = 2.2 nFf = 66 kHz
|H| = 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) = 18/(s(s + 2)(s + 6))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 18/(s(s + 2)(s + 6))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 8)(s + 10)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))。把增益提高到闭环处于稳定边缘。求持续振荡的频率 ω。

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))
ω = rad/s
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −5 之间离开实轴。求分离点 sb。

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 10t+Ks(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 5)),必须以 0.5 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 10t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 10tess = 0.5
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 404s(s + 10)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 10))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 4/(s(s + 10))K = 40
ts = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 2.182 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​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​20 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 4·28/(4+28) = 3.5 Ω
Req = R1 + 3.5 = 2 + 3.5 = 5.5 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 = 12/5.5 = 2.182 A

答案

IR1 = 2.182 A
2.串并联电阻

答案: Req = 14.3 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​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​2 ΩBR6​25 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 + 25 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 1.915 Ω
R3 + 1.915 = 9.915 Ω
R2 ∥ 9.915 = 2.303 Ω
Req = R1 + 2.303 = 12 + 2.303 = 14.3 Ω

答案

Req = 14.3 Ω
3.节点分析

答案: IR3 = 1.872 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​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 30 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/20 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/3 = 0
0.45·VA − 0.3333·VB = 2

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)/3 = (−3)
−0.3333·VA + 0.5833·VB = −3

求解

Δ = (0.45)(0.5833) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.1514
VA = Δ1/Δ = 0.1667/0.1514 = 1.101 V
VB = Δ2/Δ = −0.6833/0.1514 = −4.514 V

答案

IR3 = (VA − VB)/R3 = (1.101 − −4.514)/3 = 1.872 A
4.节点分析

答案: IR2 = −0.759 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​ = 3 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​10 VR3​6 ΩAR5​5 ΩBIs​2 A+−V2​36 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 10 V, V2 = 36 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/6 + (VA − 10)/3 + (VA − VB)/3 = 0
0.8333·VA − 0.3333·VB = 3.333

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/5 + (VB − VA)/3 + (VB − 36)/30 = 2
−0.3333·VA + 0.5667·VB = 3.2

求解

Δ = (0.8333)(0.5667) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.3611
VA = Δ1/Δ = 2.956/0.3611 = 8.185 V
VB = Δ2/Δ = 3.778/0.3611 = 10.46 V

答案

IR2 = (VA − VB)/R2 = (8.185 − 10.46)/3 = −0.759 A
5.网孔分析

答案: I2 = −0.1415 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​ = 2 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​10 VR3​3 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
2·I1 + 3(I1 − I2) = 10
5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 23·I2 = −9

求解

Δ = (5)(23) − (−3)(−3) = 106
I1 = Δ1/Δ = 203/106 = 1.915 A
I2 = Δ2/Δ = −15/106 = −0.1415 A

答案

I2 = −0.1415 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR3 = −19.85 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。

R1​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​30 ΩAR5​12 ΩB+−V2​30 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
5·I1 + 30(I1 − I2) = 6
35·I1 − 30·I2 = 6

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
30·I2 + 30(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 72·I2 − 12·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
20·I3 + 12(I3 − I2) = (−30)
−12·I2 + 32·I3 = −30

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 46800
I1 = Δ1/Δ = 2160/46800 = 0.04615 A
I2 = Δ2/Δ = −6840/46800 = −0.1462 A
I3 = Δ3/Δ = −46440/46800 = −0.9923 A

答案

IR3 = I3 = −0.9923 A
VR3 = IR3·R3 = −0.9923·20 = −19.85 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR2 = 1.6 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​10 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 = 8+10 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·18/(3+18) = 2.571 Ω
VA = 6·2.571/(6+2.571) = 1.8 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1.8·10/18 = 1 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (1.8 − 0)/3 = 0.6 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​3 ΩAR4​10 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 10 = 5 Ω
VB = Is·Req = 3·5 = 15 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15·2/10 = 3 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3 − 0)/3 = 1 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0.6 + 1 = 1.6 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: IR2 = 0.3962 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​ = 10 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​5 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 ∥ 23 = 7.886 Ω
VA = 5·7.886/(10+7.886) = 2.204 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.204·8/23 = 0.7668 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (0.7668 − 2.204)/15 = −0.09585 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 Ω短路R3​12 ΩAIs​0.5 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。

R1 ∥ R3 = 5.455 Ω,所以左侧路径为 R2+5.455 = 20.45 Ω
Req = R4 ∥ 20.45 = 5.751 Ω
VB = Is·Req = (−0.5)·5.751 = −2.875 V
VA = VB·5.455/20.45 = −0.7668 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (−2.875 − −0.7668)/15 = −0.1406 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 8 Ω短路R3​12 ΩA开路B+−V2​18 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 = 10·12/(10+12) = 5.455 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·20.45/28.45 = 12.94 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 12.94·5.455/20.45 = 3.45 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (12.94 − 3.45)/15 = 0.6326 A

叠加各分量

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0.09585) + (−0.1406) + 0.6326 = 0.3962 A

结果为负表示实际上 电流与箭头方向相反。

9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 2 V

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 4 ΩR3​ = 2 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 = 4·2/(4+2) = 1.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.333 + 2 = 3.333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时 R₃ 中没有电流,因此其上无压降,V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·2/(4+2) = 2 V
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 2.875 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​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​2 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 = 10·2/(10+2) = 1.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.667 + 5 = 6.667 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​2.5 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) = 2.5 + 2.5·1.667 = 6.667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6.667 + 2.5·5 = 19.17 V
IN​2.875 ARth​6.667 Ωab

诺顿等效

诺顿电源是同一电路看作与 R_th 并联的电流源。其电流就是 a–b 的短路电流。

IN = Vth/Rth = 19.17/6.667 = 2.875 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 46.05 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。

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 / 22 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 5/22 = 0.2273 A

求解时间

0.99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.99)
t = −10·ln(0.01) = 46.05 ms

答案

t = 46.05 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 10.18 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。

初始值、终值、时间常数

电容电压不能突变,所以它从储存值开始,趋向电源电压。

vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 68 µF = 224.4 ms
vC(t) = 9 + (20 − 9)·e−t/τ

给定时刻的电压

vC(500) = 9 + (11)·e−500/224.4 = 10.18 V

答案

vC = 10.18 V
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.1358 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.1 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·2.2·10⁻⁶) = 144.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (169.5)²) = 176.7 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 24/176.7 = 0.1358 A

答案

I = 0.1358 A
14.交流阻抗和相量

答案: I = 3.086 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·500·10·10⁻⁶) = 31.83 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 = 15.89 − j14.97 Ω

总阻抗

Z = 20 + 15.89 − j14.97 = 35.89 − j14.97 Ω
|Z| = √(35.89² + 14.97²) = 38.89 Ω

电流

I = V/|Z| = 120/38.89 = 3.086 A

答案

I = 3.086 A
15.交流功率和功率因数

答案: I = 112.5 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。

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) = 27000/(400·0.6) = 112.5 A

答案

I = 112.5 A
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 6.32 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 = 15·tan(36.87°) = 11.25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18.19°) = 4.93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6.32 kvar

答案

QC = 6.32 kvar
17.三相电

答案: IL = 99.01 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 = 55/0.92 = 59.78 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59783/(√3·415·0.84) = 99.01 A

答案

IL = 99.01 A
18.三相电

答案: QC = 23.98 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 0.72) = 50·0.9639 = 48.19 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 = 23.98 kvar

答案

QC = 23.98 kvar
19.变压器

答案: ILV = 41.67 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。

ILV = S/V = 10000/240 = 41.67 A

答案

ILV = 41.67 A
20.变压器

答案: Ploss = 1800 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 = 0.25·3600 = 900 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 900 + 900 = 1800 W

答案

Ploss = 1800 W

此负载下的效率为 η = 97.4%。

21.运放电路

答案: Vout = 5.449 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。

+ 输入端的电压

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2.5·47/(22 + 47) = 1.703 V

同相增益

V₋ = V₊,流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1.703·(1 + 22/10) = 5.449 V

答案

Vout = 5.449 V
22.运放电路

答案: Vout = −0.7745 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。

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 = −0.2/4.7 = −0.04255 mA
I2 = V2/R2 = 1.2/10 = 0.12 mA
If = I1 + I2 = 0.07745 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −10·0.07745 = −0.7745 V

答案

Vout = −0.7745 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 56.79 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 = 8.8/150 = 58.67 mA

负载电流

IL = 6.2/3300 = 1.879 mA

齐纳电流

IZ = 58.67 − 1.879 = 56.79 mA

答案

IZ = 56.79 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 14.45 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。

饱和时的集电极电流

IC(sat) = (24 − 0.2)/1000 = 23.8 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 23.8/80 = 297.5 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.2975 mA = 14.45 kΩ

答案

RB = 14.45 kΩ

任何更小的基极电阻也能使晶体管饱和;实际中通常选小几倍的电阻。

25.数制

答案: U = 150

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

106 = 0110 1010
取反后: 1001 0101
+1 → 1001 0110

按无符号数读取

1001 0110₂ = 256 − 106 = 150

答案

U = 150
26.数制

答案: N = −524288

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。

最负值

−219 = −524288

答案

N = −524288
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 01, CD = 10

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。

m6: m7, m4, m2, m14 → 0
ABCD00011110000111101111111

孤立的 1

m6 = A′BCD′ → AB = 01, CD = 10

答案

AB = 01, CD = 10
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 3

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。

每个边沿之后的状态

0000 → 1000 → 1100 → 1110 → 1111 → 0111 → 0011

十进制值

0011₂ = 3

答案

Q = 3
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 0.9174

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 + 52 = (s + 4)² + 36 = (s + 4)² + 6²

匹配分子

F(s) = (15/6)·6/((s + 4)² + 6²)

逆变换

f(t) = e−4t·(2.5·sin 6t)
f(0.25) = e−4·0.25·(2.5·sin(6·0.25)) = 0.9174

答案

f(0.25) = 0.9174
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = 12.21

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

Y(s) = 200/(s(s + 2)(s + 4))

部分分式

A = 200/(2·4) = 25
B = 200/((−2)·2) = −50
C = 200/((−4)·(−2)) = 25

出量

y(t) = 25 − 50·e−2t + 25·e−4t
y(0.6) = 12.21

答案

y(0.6) = 12.21
31.方框图

答案: T(0) = 0.6606

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) = 6/(s + 7 + 6·5) = 6/(s + 37)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 72/(s + 37 + 72) = 72/(s + 109)

结果

T(0) = 72/109 = 0.6606

答案

T(0) = 0.6606
32.方框图

答案: css = 9.714

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)。

传递函数

C/D = G/(1 + K·G) = 4/(s + 5 + 100)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 100/(s + 5 + 100)

稳态

css = 10·100/105 + 5·4/105 = 9.714

答案

css = 9.714

较大的 K 会减小扰动的影响,但比例控制器永远不能把它减小到零。

33.阶跃响应

答案: tp = 1.006 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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4) = 0.625

结果

ωd = 4·√(1 − 0.625²) = 3.122 rad/s → tp = π/ωd = 1.006 s

答案

tp = 1.006 s
34.阶跃响应

答案: ts = 0.4 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)。

闭环传递函数

T(s) = 260/(s² + 20s + 260): ωₙ = 16.12 rad/s, ζ = 0.6202

调节时间

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.4 s

答案

ts = 0.4 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

35.伯德图与裕度

答案: |H| = −0.4545 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。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·2.2 × 10⁻⁹) = 137741 rad/s
fc = 21922 Hz → f/fc = 66000/21922 = 3.011

增益

|H| = 3.011/√(1 + 3.011²) = 0.949
20·log₁₀(0.949) = −0.4545 dB

答案

|H| = −0.4545 dB
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 3.464 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。

相位穿越

(ω/2)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(2·6) = 3.464 rad/s

答案

ω180 = 3.464 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: ω = 8.944 rad/s

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 + 18s² + 80s + K = 0
s³: 1, 80
s²: 18, K
s¹: (18·80 − K)/18
s⁰: K

临界增益

K = 18·80 = 1440

辅助方程

在临界增益下 s¹ 行为零;s² 行给出虚轴上的极点。

18s² + 1440 = 0 → s = ±j√80
ω = 8.944 rad/s

答案

ω = 8.944 rad/s
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −2.113

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。

实轴上的增益

K(s) = −s(s + 5)(s + 10) = −(s³ + 15s² + 50s)

驻点

dK/ds = −(3s² + 30s + 50) = 0
s = (−30 ± √(900 − 600))/6 = −2.113, −7.887

选出在根轨迹上的点

根轨迹位于实轴上 0 与 −5 之间;另一个根不在根轨迹上。

sb = −2.113

答案

sb = −2.113
39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 100

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。

所需速度误差常数

Kv = A/ess = 10/0.5 = 20

增益

K = 5·Kv = 100

答案

K = 100

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.25。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。

40.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 0.8 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)。

特征多项式

s(s + 10) + 40·4 = s² + 10s + 160

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √160 = 12.65 rad/s
ζ = 10/(2·12.65) = 0.3953

调节时间

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0.8 s

答案

ts = 0.8 s

这里调节时间与 K 无关:增大 K 只会使响应振荡得更快。

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