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​ = 8 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​20 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBR6​20 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 ΩR5 = 20 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​4 Ω+−V1​18 VR2​20 Ω+−V2​30 VR3​15 Ω+−V3​18 VI3​A

如图所示,节点 A 与地之间连接了三条支路。用节点分析法求支路 3 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I3。

V1 = 18 VR1 = 4 ΩV2 = 30 VR2 = 20 ΩV3 = 18 VR3 = 15 Ω
I3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​36 VR3​15 ΩAR5​10 ΩBIs​3 A−+V2​30 V

用节点分析法求 节点电压 VB(相对于地)。

V1 = 36 VIs = 3 AV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 ΩR5 = 10 Ω
VB = V
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
IR1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩIR4​AR5​15 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 10 VV2 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 15 Ω
IR4 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 ΩIR3​+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​2.5 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 9 VIs = 2.5 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR3 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 6 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 ΩIR4​+−V1​9 VR3​2 ΩAIs​0.5 AB+−V2​24 V

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 9 VIs = 0.5 AV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
IR4 = A
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​20 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 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩRL = 15 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​2 ABRL​12 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 12 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 = 10 VIs = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩRL = 12 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​12 Vt = 0R = 33 ΩL33 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求 t = 1 ms 时电感两端的电压 vL。

Vs = 12 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 V在 t = 0 断开R1​ = 3.3 kΩR2​ = 4.7 kΩC33 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 = 60 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 20 VR1 = 3.3 kΩR2 = 4.7 kΩC = 33 µFt = 60 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
100 V200 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、200 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 = 100 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 4.7 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
120 V100 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 47 µF

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电路的谐振频率 f0。

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 47 µF
f0 = Hz
15.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 2013 W17.5 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 17.5 A 和 2013 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 230 VI = 17.5 AP = 2013 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 134 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 134 kW、功率因数为 0.8(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 200 kVAP1 = 134 kWpf1 = 0.8
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M11 kW, η = 90%cos φ = 0.86

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 11 kW。此负载下其效率为 90%,功率因数为 0.86(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。

Pout = 11 kWη = 90%cos φ = 0.86VL = 415 V
IL = A
18.三相电困难
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 150 kW,功率因数为 0.8(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 150 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
8 Ω101

一个 8 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 10:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
pf 0.8200 kVA, 25% 负载

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 1200 W,额定负载下铜损为 4800 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 = 200 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 4800 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 2 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 = 2 kΩRf = 47 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 1 kΩRf1​ = 22 kΩ第 2 级:同相R2​ = 47 kΩRf2​ = 1 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。 求总电压增益 Av = Vout/Vin。

R1 = 1 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 2.7 kΩβ = 150VCC​ = 10 VRB​ = 1000 kΩ

一只 β = 150 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 10 V 经基极电阻 RB = 1000 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 2.7 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 = 1000 kΩRC = 2.7 kΩβ = 150VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
+−≤ 19 V330 Ω5.1 V

一个 5.1 V 的齐纳稳压器有一个 330 Ω 的串联电阻。输入可能升到 19 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 = 19 VVZ = 5.1 VR = 330 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 −67。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −678 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1011 1011 XOR 0101 0100 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1011 1011XOR0101 0100
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010011131204051706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(1, 2, 3, 7) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(1, 2, 3, 7)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​CLKMOD-5

模 5 计数器由最少个数的触发器构成。可能的状态中有多少个 U 从未被用到?

N = 5
U =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (4s + 39)/(s² + 8s + 7)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−t + B·e−7t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (4s + 39)/(s² + 8s + 7)
A =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.5y(0.5) = ?

某系统满足 y″ + 5y′ + 4y = 12·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(0.5)。

y″ + 5y′ + 4y = 12·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.5 s
y(0.5) =
31.方框图中等
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 12)) 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 + 12))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+Ks(s + 8)(s + 9)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 8)(s + 9)) 放在单位负反馈回路中。 在最大稳定增益时回路发生振荡。求振荡频率 ω,单位 rad/s。

G(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))单位负反馈
ω = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)3

某系统的传递函数为 G(s) = 264/(s² + 11s + 88),输入为单位阶跃。 求阻尼比 ζ。

G(s) = 264/(s² + 11s + 88)
ζ =
34.阶跃响应困难
k = 100 N/mc = 6 N·s/mm = 2 kgF = 100 Nx(t)

质量 m = 2 kg 的物体挂在弹簧 k = 100 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 6 N·s/m(m·x″ + c·x′ + k·x = F)。在静止平衡状态下,突然施加恒力 F = 100 N。 求位移的百分比超调量 %OS。

m = 2 kgk = 100 N/mc = 6 N·s/mF = 100 N
%OS = %
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 2

求 G(s) = 9(s + 20)/(s(s + 17)) 在 ω = 2 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 9(s + 20)/(s(s + 17))ω = 2 rad/s
∠G(jω) = °
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) = K/(s(s + 2)(s + 3))。 求给出 4 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))GM = 4 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 5(s − 3)(s + 5)C(s)−

对象 G(s) = (s + 5)/((s − 3)(s + 5)) 在 s = 3 处有一个不稳定极点。用比例增益 K 围绕它构成单位负反馈回路。求使闭环稳定的最小增益 Kmin。

G(s) = (s + 5)/((s − 3)(s + 5))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−4−4.5−50.5j0.5j1

L(s) = K(s + 4)/(s(s + 1)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −1 之间离开实轴,绕一圈后在零点左侧再次汇入实轴。求分离点 sb。

L(s) = K(s + 4)/(s(s + 1))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 2)(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 2)(s + 10))。求使阶跃输入的稳态误差为 10 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 10 %
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 2C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 5/(s + 2)。闭环必须满足 ωₙ = 6 rad/s 和 ζ = 0.7。求积分增益 Ki。

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 6 rad/sζ = 0.7
Ki =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 1.888 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​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​12 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 12·23/(12+23) = 7.886 Ω
Req = R1 + 7.886 = 8 + 7.886 = 15.89 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 = 30/15.89 = 1.888 A

答案

IR1 = 1.888 A
2.串并联电阻

答案: Req = 16.9 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​ = 8 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​2 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 = 1.905 Ω
R3 + 1.905 = 21.9 Ω
R2 ∥ 21.9 = 8.903 Ω
Req = R1 + 8.903 = 8 + 8.903 = 16.9 Ω

答案

Req = 16.9 Ω
3.节点分析

答案: I3 = −0.1091 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

取底部导线为地。每条支路从 A 流出的电流为 (VA − Vk)/Rk,其中 Vk 为该支路电源的电压(纯电阻支路为零)。从 A 流出的电流之和为零。

(VA − 18)/4 + (VA − 30)/20 + (VA − 18)/15 = 0

求 VA

VA = (18/4 + 30/20 + 18/15) / (1/4 + 1/20 + 1/15) = 7.2/0.3667 = 19.64 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I3 = (18 − VA)/R3 = (18 − 19.64)/15 = −0.1091 A

答案

I3 = −0.1091 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

4.节点分析

答案: VB = 11.04 V

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​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​36 VR3​15 ΩAR5​10 ΩBIs​3 A−+V2​30 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 36 V, V2 = −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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/15 + (VA − 36)/12 + (VA − VB)/4 = 0
0.4·VA − 0.25·VB = 3

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/10 + (VB − VA)/4 + (VB − (−30))/15 = 3
−0.25·VA + 0.4167·VB = 1

求解

Δ = (0.4)(0.4167) − (−0.25)(−0.25) = 0.1042
VA = Δ1/Δ = 1.5/0.1042 = 14.4 V
VB = Δ2/Δ = 1.15/0.1042 = 11.04 V

答案

VB = 11.04 V
5.网孔分析

答案: IR1 = 0.4865 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​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩA+−V2​18 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
6·I1 + 4(I1 − I2) = 12
10·I1 − 4·I2 = 12

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) = (−18)
−4·I1 + 9·I2 = −18

求解

Δ = (10)(9) − (−4)(−4) = 74
I1 = Δ1/Δ = 36/74 = 0.4865 A
I2 = Δ2/Δ = −132/74 = −1.784 A

答案

IR1 = I1 = 0.4865 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR4 = 0.6789 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​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​15 ΩB+−V2​10 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
25·I1 + 3(I1 − I2) = 10
28·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 3(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 23·I2 − 15·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
10·I3 + 15(I3 − I2) = (−10)
−15·I2 + 25·I3 = −10

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 9575
I1 = Δ1/Δ = 3050/9575 = 0.3185 A
I2 = Δ2/Δ = −3450/9575 = −0.3603 A
I3 = Δ3/Δ = −5900/9575 = −0.6162 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 0.6789 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR3 = −1.75 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​ = 3 Ω+−V1​9 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 = 3+20 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·23/(6+23) = 4.759 Ω
VA = 9·4.759/(6+4.759) = 3.981 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.981·20/23 = 3.462 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3.981 − 3.462)/3 = 0.1731 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​6 ΩAR4​20 ΩBIs​2.5 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 6 = 4.615 Ω
VB = Is·Req = 2.5·4.615 = 11.54 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11.54·3/6 = 5.769 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (5.769 − 11.54)/3 = −1.923 A

叠加各分量

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0.1731 + (−1.923) = −1.75 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: IR4 = −0.4314 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 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​2 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) = 2 ∥ 24 = 1.846 Ω
VA = 9·1.846/(6+1.846) = 2.118 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.118·4/24 = 0.3529 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (0.3529 − 0)/4 = 0.08824 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​2 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 = 1.5 Ω,所以左侧路径为 R2+1.5 = 21.5 Ω
Req = R4 ∥ 21.5 = 3.373 Ω
VB = Is·Req = 0.5·3.373 = 1.686 V
VA = VB·1.5/21.5 = 0.1176 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (1.686 − 0)/4 = 0.4216 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 4 Ω短路R3​2 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 = 6·2/(6+2) = 1.5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·21.5/25.5 = 20.24 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 20.24·1.5/21.5 = 1.412 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (20.24 − 24)/4 = −0.9412 A

叠加各分量

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.08824 + 0.4216 + (−0.9412) = −0.4314 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: IL = 0.331 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​ = 5 ΩR3​ = 10 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 10 = 14 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​20 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) = 12·20/(5+20) = 9.6 V
Rth​ = 14 Ω+−Vth​9.6 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) = 9.6/(14 + 15) = 0.331 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.507 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​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​30 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 = 25·30/(25+30) = 13.64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13.64 + 12 = 25.64 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​2 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) = 5.455 + 2·13.64 = 32.73 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 32.73 + 2·12 = 56.73 V
Rth​ = 25.64 Ω+−Vth​56.73 VRL​12 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) = 56.73/(25.64 + 12) = 1.507 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 4.415 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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0.3636 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 = 12·e−1/1 = 4.415 V

答案

vL = 4.415 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 7.981 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) = 20·4.7/(3.3 + 4.7) = 11.75 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 4.7·33 = 155.1 ms

放电

vC(t) = 11.75·e−60/155.1 = 7.981 V

答案

vC = 7.981 V
13.交流阻抗和相量

答案: φ = −41.12 °

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 = 1257·0.1 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4.7·10⁻⁶) = 169.3 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−43.65)²) = 66.37 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−43.65/50) = −41.12°

答案

φ = −41.12°
14.交流阻抗和相量

答案: f0 = 46.43 Hz

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

谐振

谐振时感抗和容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。与电源频率无关。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.25·47·10⁻⁶)) = 46.43 Hz

答案

f0 = 46.43 Hz
15.交流功率和功率因数

答案: R = 6.573 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 = 2013/17.5² = 6.573 Ω

答案

R = 6.573 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 38.92 kW

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。

现有负载的无功功率

Q1 = 134·tan(arccos 0.8) = 100.5 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 100.5²) = 172.9 kW

增加的有功功率

ΔP = 172.9 − 134 = 38.92 kW

答案

ΔP = 38.92 kW
17.三相电

答案: IL = 19.77 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 = 11/0.9 = 12.22 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 12222/(√3·415·0.86) = 19.77 A

答案

IL = 19.77 A
18.三相电

答案: Cph = 186.5 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 = 150·tan(acos 0.8) = 150·0.75 = 112.5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.92) = 150·0.426 = 63.9 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 48.6 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16200/(377·480²) = 186.5 µF

答案

Cph = 186.5 µF
19.变压器

答案: R1′ = 800 Ω

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。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 10²·8 = 800 Ω

答案

R1′ = 800 Ω
20.变压器

答案: Ploss = 1500 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 = 0.0625·4800 = 300 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 1200 + 300 = 1500 W

答案

Ploss = 1500 W

此负载下的效率为 η = 96.39%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 0.5714 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 + 47/2 = 24.5

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/24.5 = 0.5714 V

答案

Vin,max = 0.5714 V
22.运放电路

答案: Av = −22.47

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 = −22/1 = −22
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/47 = 1.021

总增益

Av = A1·A2 = −22·1.021 = −22.47

答案

Av = −22.47
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 6.233 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)/1000 kΩ = 9.3 µA

集电极电流

IC = β·IB = 150·9.3 µA = 1.395 mA

集电极–发射极电压

VCE = 10 − 1.395 mA·2.7 kΩ = 6.233 V

答案

VCE = 6.233 V
24.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 214.8 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 = 13.9/330 = 42.12 mA

齐纳功率

PZ = 5.1·42.12 = 214.8 mW

答案

PZ,max = 214.8 mW
25.数制

答案: U = 189

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

67 = 0100 0011
取反后: 1011 1100
+1 → 1011 1101

按无符号数读取

1011 1101₂ = 256 − 67 = 189

答案

U = 189
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

XOR 在两位不同时得 1。

1011 1011
XOR 0101 0100
= 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: N = 3

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。

ABC00011110010011131204051706

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
A′B

最简 SOP 形式

F = BC + A′C + A′B
N = 3

答案

N = 3
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: U = 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。

触发器的个数

2ⁿ ≥ 5 → n = 3 (2³ = 8)

未使用的状态

U = 8 − 5 = 3

答案

U = 3
29.拉普拉斯变换

答案: A = 5.833

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 + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)

遮盖法

乘以 (s + 1) 并令 s = −1:B 项消失。

A = (4s + 39)/(s + 7) |s = −1 = 35/6 = 5.833

答案

A = 5.833
(B = −1.833,所以 f(t) = 5.833·e−t − 1.833·e−7t)
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.5) = 3

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 + 5s + 4)·Y(s) = 3s + 15 + 12/s
Y(s) = (3s² + 15s + 12)/(s(s + 1)(s + 4))

部分分式

A = 12/(1·4) = 3
B = 0/((−1)·3) = 0
C = 0/((−4)·(−3)) = 0

结果

y(t) = 3
y(0.5) = 3

答案

y(0.5) = 3

检验:y(0) = A + B + C = 3。

31.方框图

答案: K = 36

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 + 12)) = 0 → s² + 12s + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

12² = 4K → K = 144/4 = 36

答案

K = 36
此时两个闭环极点都在 s = −6。
32.方框图

答案: ω = 8.485 rad/s

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 + 17s² + 72s + K = 0

劳斯阵列

s³ | 1 72
s² | 17 K
s¹ | (17·72 − K)/17
s⁰ | K

稳定性极限

第一列的所有元素都必须为正。

Kmax = 17·72 = 1224

振荡频率

17·(jω)² + 1224 = 0 → ω² = 1224/17 = 72
ω = 8.485 rad/s

答案

ω = 8.485 rad/s
33.阶跃响应

答案: ζ = 0.5863

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 = 88 → ωₙ = 9.381 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9.381) = 0.5863

结果

ζ = 0.5863

答案

ζ = 0.5863
34.阶跃响应

答案: %OS = 50.56 %

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 = √(k/m) = √(100/2) = 7.071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 6/(2·√(100·2)) = 0.2121

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 50.56 %

答案

%OS = 50.56 %
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −91 °

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。

把各角度相加

∠G = atan(2/20) − 90° − atan(2/17) = 5.711° − 90° − 6.71°

结果

∠G(j2) = −91°

答案

∠G(jω) = −91°
36.伯德图与裕度

答案: K = 18.93

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/3) = 1 → ω180 = √(2·3) = 2.449 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 9)) = K/(2·3·(2 + 3)) = K/30

所需增益

30/K = 104/20 = 1.585
K = 30/1.585 = 18.93

答案

K = 18.93
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 3

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

(s − 3)(s + 5) + K(s + 5) = s² + (2 + K)s + (5K − 15)

条件

对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。

2 + K > 0 → K > −2
5K − 15 > 0 → K > 3
Kmin = 3

答案

Kmin = 3
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −0.5359

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) = −(s² + 1s)/(s + 4)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 1)(s + 4) − (s² + 1s) = s² + 8s + 4 = 0
s = −4 ± √12 = −0.5359, −7.464

分离点

sb = −0.5359

答案

sb = −0.5359

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √12 = 3.464。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 180

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。

所需误差常数

1/(1 + Kp) = 0.1 → Kp = 9

增益

K/20 = 9 → K = 180

答案

K = 180

还要检查闭环稳定性:对这个二阶回路,任何 K > 0 都是稳定的。

40.稳态误差与 PID 控制

答案: Ki = 7.2

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

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 2)。

s² + (2 + 5Kp)s + 5Ki

目标多项式

s² + 2·0.7·6s + 6² = s² + 8.4s + 36

匹配各项系数

5Ki = 36 → Ki = 7.2

答案

Ki = 7.2

积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。

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