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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩIR2​AR4​12 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​25 ΩBR6​20 Ω

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.节点分析中等
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​15 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 = 10 VIs = 1.5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​3 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 9.5 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 ΩVA = 9.5 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 2 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR4​4 ΩAR5​20 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 9 VV2 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 20 Ω
IR1 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​5 Ω+−VR4​BIs​2 A

用叠加定理求 R4 两端按图示极性的电压 VR4。

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
VR4 = V
8.叠加定理困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩIR2​R4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩAIs​4 AB+−V2​24 V

用叠加定理求 R2 吸收的功率 PR2。

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
PR2 = W
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩARL​15 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 15 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 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩRL = 15 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​3 ABRL​3 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 3 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 6.8 kΩC100 µF+−vC​

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 t = 400 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 30 VR1 = 10 kΩR2 = 6.8 kΩC = 100 µFt = 400 ms
vC = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​12 VR1​ = 22 ΩR2​ = 10 Ω在 t = 0 闭合L100 mHi(t)

跨接在 R2 两端的开关已断开很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关闭合,把 R2 短路。 求 t = 5 ms 时的电感电流 i。

Vs = 12 VR1 = 22 ΩR2 = 10 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
13.交流阻抗和相量中等
12 V100 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 100 µF

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 100 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
50 V200 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 22 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 22 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
120 VR + jXP = 1350 W15 A

一个感性负载从 120 V(有效值)的单相电源吸取 15 A 和 1350 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 120 VI = 15 AP = 1350 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 230 V、60 Hz 电源吸取 20 kW,功率因数为 0.8(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.98。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 20 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M90 kW, η = 95%cos φ = 0.9

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 90 kW。此负载下其效率为 95%,功率因数为 0.9(滞后)。电源线电压为 480 V。求线电流 IL。

Pout = 90 kWη = 95%cos φ = 0.9VL = 480 V
IL = A
18.三相电困难
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 200 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 0.98(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 = 200 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
10000 V400 VIHV​ILV​ = ?100 kVA

一台单相 100 kVA、10000/400 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 = 100 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
20.变压器困难
pf 0.8500 kVA, 25% 负载

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 3000 W,额定负载下铜损为 9000 W。 它以 0.8(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 25%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 500 kVAPcore = 3000 WPcu,fl = 9000 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 10 kΩVin​

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±14 V。 同相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max(峰值)。

R1 = 10 kΩRf = 22 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 4.7 kΩRf1​ = 22 kΩ第 2 级:同相R2​ = 1 kΩRf2​ = 2 kΩ

两个理想运放级级联连接:一个反相放大器(R1,Rf1),后接一个同相放大器(R2 接地,Rf2 在反馈支路中)。两级都采用 ±15 V 电源。 输入为 Vin = 0.7 V。求输出电压 Vout。

R1 = 4.7 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 1 kΩRf2 = 2 kΩVin = 0.7 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−18 V330 Ω9.1 V680 ΩIZ​ = ?

一个 9.1 V 的齐纳稳压器通过 330 Ω 接到 18 V,并向 680 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 18 VVZ = 9.1 VR = 330 ΩRL = 680 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
+−≥ 24 VR = ?5.1 V≤ 20 mA

一个 5.1 V 的齐纳稳压器必须向负载提供最多 20 mA。输入可能降到 24 V,齐纳管至少需要 2 mA 才能稳压。求能保持稳压的最大串联电阻 Rmax。

Vin,min = 24 VVZ = 5.1 VIL,max = 20 mAIZ,min = 2 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 −55。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −558 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1010 1111 OR 0110 0110 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1010 1111OR0110 0110
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010011131204050716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(1, 2, 3, 6) 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) = Σm(1, 2, 3, 6)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKT1234567

一个上升沿触发的 T 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 = 0T
N =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

用部分分式法求 F(s) = 50/(s(s + 3)(s + 5)) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = 50/(s(s + 3)(s + 5))t = 0.4 s
f(0.4) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−1−2−3−4−51

某系统由微分方程 y″ + 7y′ + 10y = 17u 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 = 0.3 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(0.3)。

y″ + 7y′ + 10y = 17ut = 0.3 s
g(0.3) =
31.方框图中等
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 6)) 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(s + 6))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+4控制器+D(s)+7s + 6被控对象C(s)−

比例控制器 K = 4 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 7/(s + 6)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 令 R = 0,施加大小为 1 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 4G(s) = 7/(s + 6)D = 1R = 0
css =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 72/(s² + 4s + 72),输入为单位阶跃。 求阻尼比 ζ。

G(s) = 72/(s² + 4s + 72)
ζ =
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)130 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 30 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 30 %
ζ =
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.1110100−40−20020ω (rad/s)ω = 10

求 G(s) = 350/((s + 7)(s + 10)) 在 ω = 10 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 350/((s + 7)(s + 10))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 250/(s(s + 5))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 250/(s(s + 5))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 93.751s(s + 5)(s + 10)C(s)−

图中的回路在 K = 93.75 下运行,L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))。在闭环变得不稳定之前,增益最多可以提高到原来的多少倍 m?

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))K = 93.75
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −1 之间离开实轴。求分离点 sb。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 4t+10(s + 4)s(s + 4)C(s)−

斜坡 r(t) = 4t 加到 G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 4)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 10(s + 4)/(s(s + 4))r(t) = 4t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 401s(s + 2)C(s)−

比例控制器 K = 40 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 2))。 求阶跃响应的峰值时间 tp。

G(s) = 1/(s(s + 2))K = 40
tp = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.3738 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​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​12 ΩB

从远端开始合并电阻

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

R3 + R4 = 4 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8.889 Ω
Req = R1 + 8.889 = 3 + 8.889 = 11.89 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 = 10/11.89 = 0.8411 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0.8411·3 = 7.477 V
IR2 = VA/R2 = 7.477/20 = 0.3738 A

答案

IR2 = 0.3738 A
2.串并联电阻

答案: IR1 = 0.186 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​ = 25 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​25 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 12.5 Ω
R3 + 12.5 = 32.5 Ω
R2 ∥ 32.5 = 1.884 Ω
Req = R1 + 1.884 = 25 + 1.884 = 26.88 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 = 5/26.88 = 0.186 A

答案

IR1 = 0.186 A
3.节点分析

答案: IR1 = 0.7273 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​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​15 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 = 10 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/12 = 0
0.25·VA − 0.08333·VB = 1

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)/12 = (−1.5)
−0.08333·VA + 0.3333·VB = −1.5

求解

Δ = (0.25)(0.3333) − (−0.08333)(−0.08333) = 0.07639
VA = Δ1/Δ = 0.2083/0.07639 = 2.727 V
VB = Δ2/Δ = −0.2917/0.07639 = −3.818 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 2.727)/10 = 0.7273 A
4.节点分析

答案: Is = 6.513 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。

节点 A 的 KCL

VA 已知,所以这个方程给出 VB。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(9.5 − 6)/8 + 9.5/20 = (VB − 9.5)/8
0.9125 = (VB − 9.5)/8 → VB = 16.8 V

节点 B 的 KCL

经电阻从 B 流出的电流等于电源注入 B 的电流。

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (16.8 − 9.5)/8 + 16.8/3 = 6.513 A

答案

Is = 6.513 A
5.网孔分析

答案: I2 = −3.158 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​ = 5 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩA+−V2​24 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
5·I1 + 4(I1 − I2) = 24
9·I1 − 4·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 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 4(I2 − I1) = (−24)
−4·I1 + 6·I2 = −24

求解

Δ = (9)(6) − (−4)(−4) = 38
I1 = Δ1/Δ = 48/38 = 1.263 A
I2 = Δ2/Δ = −120/38 = −3.158 A

答案

I2 = −3.158 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR1 = 0.8209 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​ = 6 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR4​4 ΩAR5​20 ΩB+−V2​15 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
6·I1 + 4(I1 − I2) = 9
10·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 4(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 26·I2 − 20·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
25·I3 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 45·I3 = −15

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 6980
I1 = Δ1/Δ = 5730/6980 = 0.8209 A
I2 = Δ2/Δ = −1380/6980 = −0.1977 A
I3 = Δ3/Δ = −2940/6980 = −0.4212 A

答案

IR1 = I1 = 0.8209 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR4 = 8.522 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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​5 ΩB开路

情况 1 · V1 单独作用

Iₛ 变为开路,因此 R₃ 和 R₄ 构成一条从 A 到地的串联支路,与 R₂ 并联。

R3+R4 = 8+5 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·13/(10+13) = 5.652 Ω
VA = 10·5.652/(12+5.652) = 3.202 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.202·5/13 = 1.232 V
VR4′ = VB − 0 = 1.232 − 0 = 1.232 V
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​10 ΩAR4​5 ΩBIs​2 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 = 12·10/(12+10) = 5.455 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 13.45 = 3.645 Ω
VB = Is·Req = 2·3.645 = 7.291 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7.291·5.455/13.45 = 2.956 V
VR4″ = VB − 0 = 7.291 − 0 = 7.291 V

叠加各分量

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 1.232 + 7.291 = 8.522 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 = 54.45 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​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​20 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) = 20 ∥ 35 = 12.73 Ω
VA = 18·12.73/(3+12.73) = 14.57 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 14.57·20/35 = 8.324 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (14.57 − 8.324)/15 = 0.4162 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 20 Ω短路R3​20 ΩAIs​4 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。

R1 ∥ R3 = 2.609 Ω,所以左侧路径为 R2+2.609 = 17.61 Ω
Req = R4 ∥ 17.61 = 9.364 Ω
VB = −Is·Req = −4·9.364 = −37.46 V
VA = VB·2.609/17.61 = −5.549 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (−5.549 − −37.46)/15 = 2.127 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 20 Ω短路R3​20 ΩA开路B+−V2​24 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 = 3·20/(3+20) = 2.609 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·17.61/37.61 = 11.24 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 11.24·2.609/17.61 = 1.665 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (1.665 − 11.24)/15 = −0.6382 A

把电流的各个贡献相加

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴ = 0.4162 + 2.127 + (−0.6382) = 1.905 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 = 1.905²·15 = 54.45 W

答案

PR2 = 54.45 W

把各单独情况下的功率相加会得到 76.58 W,这是错误的。

9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.192 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​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​8 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 = 20·8/(20+8) = 5.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.714 + 15 = 20.71 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 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) = 24·8/(20+8) = 6.857 V
Rth​ = 20.71 Ω+−Vth​6.857 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) = 6.857/(20.71 + 15) = 0.192 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 20.84 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​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​5 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 30·5/(30+5) = 4.286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.286 + 8 = 12.29 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​5 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) = 3.429 + 3·4.286 = 16.29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16.29 + 3·8 = 40.29 V
Rth​ = 12.29 Ω+−Vth​40.29 VRL​3 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) = 40.29/(12.29 + 3) = 2.636 A
PL = IL²·RL = 2.636²·3 = 20.84 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 7.623 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。

电容看到的戴维南等效电路

把电源短路求 Rth;把电容断开,求它最终稳定的电压。

Rth = R1 ∥ R2 = 10·6.8/(10 + 6.8) = 4.048 kΩ
vC(∞) = 30·6.8/(10 + 6.8) = 12.14 V

时间常数

τ = Rth·C = 4.048·100 = 404.8 ms

充电曲线

vC(t) = 12.14·(1 − e−400/404.8) = 7.623 V

答案

vC = 7.623 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.4887 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,两个电阻都在回路中;之后闭合的开关把 R₂ 旁路。

i(0) = 12/(22 + 10) = 0.375 A
i(∞) = 12/22 = 0.5455 A
τ = L/R = 100/22 = 4.545 ms
i(t) = 0.5455 + (0.375 − 0.5455)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(5) = 0.5455 + (−0.1705)·e−5/4.545 = 0.4887 A

答案

i = 0.4887 A
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 84.79 °

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

ω = 2πf = 2π·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.2 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·100·10⁻⁶) = 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) = √(10² + (109.7)²) = 110.2 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(109.7/10) = 84.79°

答案

φ = 84.79°
14.交流阻抗和相量

答案: VC = 35.32 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.02 = 25.13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36.17 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−11.04)²) = 51.2 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 50/51.2 = 0.9765 A

电容电压

VC = I·XC = 0.9765·36.17 = 35.32 V

答案

VC = 35.32 V
15.交流功率和功率因数

答案: R = 6 Ω

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。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 1350/15² = 6 Ω

答案

R = 6 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 10.94 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 = 20·tan(36.87°) = 15 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(11.48°) = 4.061 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10.94 kvar

答案

QC = 10.94 kvar
17.三相电

答案: IL = 126.6 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 = 90/0.95 = 94.74 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 94737/(√3·480·0.9) = 126.6 A

答案

IL = 126.6 A
18.三相电

答案: QC = 135.8 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 = 200·tan(acos 0.75) = 200·0.8819 = 176.4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.98) = 200·0.2031 = 40.61 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 135.8 kvar

答案

QC = 135.8 kvar
19.变压器

答案: ILV = 250 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 = 100000/400 = 250 A

答案

ILV = 250 A
20.变压器

答案: Ploss = 3563 W

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.0625·9000 = 562.5 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 3000 + 562.5 = 3563 W

答案

Ploss = 3563 W

此负载下的效率为 η = 96.56%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 4.375 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

增益

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/10 = 3.2

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/3.2 = 4.375 V

答案

Vin,max = 4.375 V
22.运放电路

答案: Vout = −9.83 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

各级的增益

A1 = −Rf1/R1 = −22/4.7 = −4.681
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/1 = 3

逐级计算

V1 = −4.681·0.7 = −3.277 V
Vout = 3·(−3.277) = −9.83 V

答案

Vout = −9.83 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 13.59 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 = 8.9/330 = 26.97 mA

负载电流

IL = 9.1/680 = 13.38 mA

齐纳电流

IZ = 26.97 − 13.38 = 13.59 mA

答案

IZ = 13.59 mA
24.二极管与晶体管

答案: Rmax = 859.1 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 = 20 + 2 = 22 mA

最大电阻

Rmax = 18.9/0.022 = 859.1 Ω

答案

Rmax = 859.1 Ω
25.数制

答案: U = 201

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

55 = 0011 0111
取反后: 1100 1000
+1 → 1100 1001

按无符号数读取

1100 1001₂ = 256 − 55 = 201

答案

U = 201
26.数制

答案: R = 239

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

OR 在至少有一位为 1 时得 1。

1010 1111
OR 0110 0110
= 1110 1111

结果的值

1110 1111₂ = 239

答案

R = 239
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 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。

ABC00011110010011131204050716

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。

BC′
A′C

最简 SOP 形式

F = BC′ + A′C
L = 4

答案

L = 4
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 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 Q

T 触发器在 T = 1 时每个上升沿翻转,在 T = 0 时保持。

1: T = 0 → Q = 0
2: T = 1 → Q = 1
3: T = 0 → Q = 1
4: T = 1 → Q = 0
5: T = 0 → Q = 0
6: T = 0 → Q = 0
7: T = 1 → Q = 1

数出变化的次数

0 → 0 → 1 → 1 → 0 → 0 → 0 → 1
N = 3

答案

N = 3
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 1.5

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)。

部分分式

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 5)
A = 50/(3·5) = 3.333
B = 50/((−3)·2) = −8.333
C = 50/((−5)·(−2)) = 5

逆变换

f(t) = 3.333 − 8.333·e−3t + 5·e−5t

求值

f(0.4) = 3.333 − 8.333·e−3·0.4 + 5·e−5·0.4 = 1.5

答案

f(0.4) = 1.5
30.拉普拉斯变换

答案: g(0.3) = 1.846

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)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = 17/(s² + 7s + 10)

部分分式

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 5.667, B = −5.667

冲激响应

g(t) = 5.667·e−2t − 5.667·e−5t
g(0.3) = 1.846

答案

g(0.3) = 1.846
31.方框图

答案: K = 9

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

特征方程

1 + K/(s(s + 6)) = 0 → s² + 6s + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

6² = 4K → K = 36/4 = 9

答案

K = 9
此时两个闭环极点都在 s = −3。
32.方框图

答案: css = 0.2059

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) = 7/(s + 6 + 28)

稳态

css = 1·7/34 = 0.2059

答案

css = 0.2059

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: ζ = 0.2357

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 = 72 → ωₙ = 8.485 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8.485) = 0.2357

结果

ζ = 0.2357

答案

ζ = 0.2357
34.阶跃响应

答案: ζ = 0.3579

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

阻尼比

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 1.204/√(9.87 + 1.45) = 0.3579

答案

ζ = 0.3579
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 6.139 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(j10)| = 350/(√(10² + 7²)·√(10² + 10²)) = 350/(12.21·14.14) = 2.027

结果

20·log₁₀(2.027) = 6.139 dB

答案

|G(jω)| = 6.139 dB
36.伯德图与裕度

答案: PM = 17.96 °

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

增益穿越

ω⁴ + 25ω² − 62500 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·62500))/2 = 237.8
ωc = 15.42 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(15.42/5) = −162°
PM = 180° + ∠L = 17.96°

答案

PM = 17.96°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 8

劳斯–赫尔维茨判据:当特征多项式的所有根都位于 s 平面左半部分时,线性系统是稳定的。把系数交替写入劳斯表的前两行。新一行的每个元素由上面两行得出;对于三次多项式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀,s¹ 行的元素为 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂。第一列中符号变化的次数等于右半平面内根的个数。当系数中含有增益 K 时,第一列的每个元素都必须保持为正:使 s¹ 行元素为零的增益就是稳定极限,此时 s² 行给出持续振荡的频率。

劳斯阵列

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

最大稳定增益

Kmax = 15·50 = 750

倍数

m = 750/93.75 = 8

答案

m = 8

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:18.06 dB。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −0.4725

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 + 1)(s + 5) = −(s³ + 6s² + 5s)

驻点

dK/ds = −(3s² + 12s + 5) = 0
s = (−12 ± √(144 − 60))/6 = −0.4725, −3.528

选出在根轨迹上的点

根轨迹位于实轴上 0 与 −1 之间;另一个根不在根轨迹上。

sb = −0.4725

答案

sb = −0.4725
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.4

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 = 4/10 = 0.4

答案

ess = 0.4
40.稳态误差与 PID 控制

答案: tp = 0.5031 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 + 2) + 40·1 = s² + 2s + 40

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 2/(2·6.325) = 0.1581

峰值时间

ωd = 6.325·√(1 − 0.1581²) = 6.245 rad/s
tp = π/6.245 = 0.5031 s

答案

tp = 0.5031 s

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