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​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩIR2​AR4​20 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​6 ΩBR6​3 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 8 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 3 Ω−+Vs​ = 8 VIx​+−V1​9 VR2​12 ΩAR3​5 ΩBIs​2 A

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

V1 = 9 VIs = 2 AVs = 8 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
Ix = A
5.网孔分析中等
R1​ = 8 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I2(顺时针)。

V1 = 9 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
I2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩIR2​R3​ = 25 Ω+−V1​30 VR4​4 ΩAR5​3 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 30 VV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 3 Ω
IR2 = A
7.叠加定理中等
线性电路Vs​Is​IRL​

一个线性电阻电路含有一个电压源 Vs 和一个电流源 Is。流过负载电阻的电流 I 测量了两次:Vs = 6 V、Is = 5 mA 时,I = 14.5 mA;Vs = 20 V、Is = 10 mA 时,I = 45 mA。求 Vs = 2 V、Is = 3 mA 时的负载电流 I。

6 V, 5 mA → 14.5 mA20 V, 10 mA → 45 mAVs = 2 V, Is = 3 mA
I = mA
8.叠加定理困难
线性电路V1​V2​Is​IRL​

一个线性电阻电路含有三个独立电源:V1、V2 和 Is。流过负载的电流 I 测量了三次。所有电源取正常值时,I = 6 mA。V1 加倍而另两个不变时,I = 10.5 mA。Is 方向反转而另两个不变时,I = −4 mA。求将 V2 置零、V1 和 Is 取正常值时的负载电流 I。

正常值: I = 6 mA2·V1: I = 10.5 mA−Is: I = −4 mA
I = mA
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩAIs​1 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 36 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
R = 15 Ωt = 0L22 mHi(t)

电感中流过 2 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。 电流降到 0.2 A 需要多长时间?求 t。

i(0) = 2 AR = 15 ΩL = 22 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 VR1​ = 47 ΩR2​ = 22 Ω在 t = 0 闭合L22 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 = 1 ms 时的电感电流 i。

Vs = 9 VR1 = 47 ΩR2 = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
13.交流阻抗和相量中等
50 V1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 10 µF

一个串联 RLC 电路接在 50 V(有效值)、1000 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 = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 10 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
1 Vf0​R = 2 ΩL = 10 mHC = 2.2 µF

一个 RLC 串联电路由 1 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 1 V (rms)R = 2 ΩL = 10 mHC = 2.2 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
120 VR + jXP = 612 W6 A

一个感性负载从 120 V(有效值)的单相电源吸取 6 A 和 612 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 120 VI = 6 AP = 612 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 400 V、50 Hz 电源吸取 10 kW,功率因数为 0.6(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求电容需提供的无功功率 QC。

P = 10 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.9V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.三相电中等
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M30 kW, η = 91%cos φ = 0.82

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 30 kW。此负载下其效率为 91%,功率因数为 0.82(滞后)。电源线电压为 400 V。求线电流 IL。

Pout = 30 kWη = 91%cos φ = 0.82VL = 400 V
IL = A
18.三相电困难
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 75 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 = 75 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
4 Ω51

一个 4 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 5:1 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 = 5:1RL = 4 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
pf 0.95200 kVA, 50% 负载

一台单相 200 kVA 变压器的铁损为 800 W,额定负载下铜损为 1600 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 = 200 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 1600 Wx = 0.5pf = 0.95
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 10 kΩVin​R1​ = 4.7 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±12 V。 反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 = 4.7 kΩRf = 10 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 2 kΩRf1​ = 10 kΩ第 2 级:同相R2​ = 100 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。 输入为 Vin = 0.45 V。求输出电压 Vout。

R1 = 2 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 1 kΩVin = 0.45 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1.5 kΩβ = 80VCC​ = 9 VRB​ = 270 kΩ

一只 β = 80 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 9 V 经基极电阻 RB = 270 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 1.5 kΩ,发射极接地。取 VBE = 0.7 V,并假设晶体管工作在放大区。 求集电极–发射极电压 VCE。

VCC = 9 VRB = 270 kΩRC = 1.5 kΩβ = 80VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 100 Ωβ = 50IC​ = ?VCC​ = 9 V3.3 VRB​ = 4.7 kΩ

一只 β = 50 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 9 V 与其集电极之间的 100 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 3.3 V 逻辑输出经基极电阻 RB = 4.7 kΩ 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求输入为高电平时的集电极电流 IC,以 mA 计。先判断晶体管是否饱和。

VCC = 9 VRC = 100 Ωβ = 50Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 4.7 kΩ
IC = mA
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −47。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −478 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0010 0110 << 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0010 0110<< 3
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110011001131214050716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 2, 3, 4, 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(0, 2, 3, 4, 6)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-11

同步模 11 计数器依次计 0, 1, …, 10,然后回到 0。它从 6 开始。经过 32 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 632N = 11
Q =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

求 F(s) = (2s + 35)/(s² + 6s + 9) 对应的 f(t),并计算 f(0.3)。

F(s) = (2s + 35)/(s² + 6s + 9)t = 0.3 s
f(0.3) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 5y′ + 6y = 0,初始条件 y(0) = 7,y′(0) = −6,并求 y(0.6)。

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 7y′(0) = −6t = 0.6 s
y(0.6) =
31.方框图中等
R(s)+30s + 2G(s)C(s)0.5H−

被控对象 G(s) = 30/(s + 2) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.5。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 30/(s + 2)H = 0.5
τ = s
32.方框图困难
R(s)+10s + 4G₁+9s + 3G₂C(s)2H₁−0.1H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 10/(s + 4),G₂ = 9/(s + 3),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 2,外部有负反馈 H₂ = 0.1。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 10/(s + 4)G₂ = 9/(s + 3)H₁ = 2H₂ = 0.1
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5?

某系统的传递函数为 G(s) = 39.5/(s² + 7s + 79),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 39.5/(s² + 7s + 79)
%OS = %
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 0.8 s5 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 5 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 0.8 s。求固有频率 ωn。

%OS = 5 %tp = 0.8 s
ωn = rad/s
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 = 30

求 G(s) = 9(s + 14)/(s(s + 7)) 在 ω = 30 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 9(s + 14)/(s(s + 7))ω = 30 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 + 1)(s + 8))。 求给出 15 dB 增益裕度的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))GM = 15 dB
K =
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K = 38.41s(s + 4)(s + 8)C(s)−

图中的回路在 K = 38.4 下运行,L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))。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 + 4)(s + 8))K = 38.4
m =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.8−1−2−3−4−5−6−71j1j2

已给出 L(s) = K/(s(s + 6)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.8 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 6))ζ = 0.8
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 92.50.5s + 1C(s)−

过程 G(s) = 2.5/(0.5s + 1) 由比例增益 K = 9 在单位负反馈回路中控制。求阶跃输入的稳态误差 ess,以阶跃大小的百分数表示。

G(s) = 2.5/(0.5s + 1)K = 9
ess = %
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 164s(s + 6)C(s)−

比例控制器 K = 16 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 6))。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 4/(s(s + 6))K = 16
ts = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.7692 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​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​10 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 10·25/(10+25) = 7.143 Ω
Req = R1 + 7.143 = 4 + 7.143 = 11.14 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 = 12/11.14 = 1.077 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 = 12 − 1.077·4 = 7.692 V
IR2 = VA/R2 = 7.692/10 = 0.7692 A

答案

IR2 = 0.7692 A
2.串并联电阻

答案: Req = 28.52 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​ = 25 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​6 ΩBR6​3 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 + 3 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 3.882 Ω
R3 + 3.882 = 11.88 Ω
R2 ∥ 11.88 = 3.519 Ω
Req = R1 + 3.519 = 25 + 3.519 = 28.52 Ω

答案

Req = 28.52 Ω
3.节点分析

答案: IR3 = −1.875 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​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​15 ΩBIs​4 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/10 + (VA − 30)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1.1·VA − 0.5·VB = 15

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/15 + (VB − VA)/2 = 4
−0.5·VA + 0.5667·VB = 4

求解

Δ = (1.1)(0.5667) − (−0.5)(−0.5) = 0.3733
VA = Δ1/Δ = 10.5/0.3733 = 28.12 V
VB = Δ2/Δ = 11.9/0.3733 = 31.87 V

答案

IR3 = (VA − VB)/R3 = (28.12 − 31.88)/2 = −1.875 A
4.节点分析

答案: Ix = 0.7027 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 + 8
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 9)/3 + VA/12 + (VA + 8)/5 = 2
VA·(1/3 + 1/12 + 1/5) = 2 + 9/3 − 8/5 = 3.4
VA = 3.4/0.6167 = 5.514 V
VB = 13.51 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 − 5.514)/3 = 1.162 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 1.162 − 5.514/12 = 0.7027 A

答案

Ix = 0.7027 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 = −2.029 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 8 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
8·I1 + 3(I1 − I2) = 9
11·I1 − 3·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
4·I2 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 7·I2 = −15

求解

Δ = (11)(7) − (−3)(−3) = 68
I1 = Δ1/Δ = 18/68 = 0.2647 A
I2 = Δ2/Δ = −138/68 = −2.029 A

答案

I2 = −2.029 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR2 = 0.3451 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​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR4​4 ΩAR5​3 ΩB+−V2​6 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 + 4(I1 − I2) = 30
29·I1 − 4·I2 = 30

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
4·I2 + 4(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 11·I2 − 3·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 + 3(I3 − I2) = (−6)
−3·I2 + 28·I3 = −6

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 8223
I1 = Δ1/Δ = 8898/8223 = 1.082 A
I2 = Δ2/Δ = 2838/8223 = 0.3451 A
I3 = Δ3/Δ = −1458/8223 = −0.1773 A

答案

IR2 = I2 = 0.3451 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: I = 5.5 mA

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

把响应写成各贡献之和

每个贡献与其自身的电源成正比,比例常数只与电阻有关。

I = k₁·Vs + k₂·Is
6·k₁ + 5·k₂ = 14.5
20·k₁ + 10·k₂ = 45

求常数

Δ = (6)(10) − (5)(20) = −40
k₁ = Δ1/Δ = −80/−40 = 2
k₂ = Δ2/Δ = −20/−40 = 0.5
k₁ = 2 mA/V, k₂ = 0.5

预测新的电流

I = 2·2 + 0.5·3 = 5.5 mA

答案

I = 5.5 mA
8.叠加定理

答案: I = 9.5 mA

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

用各贡献写出测量值

每个贡献与其自身的电源成正比。

I₁ + I₂ + I₃ = 6
2·I₁ + I₂ + I₃ = 10.5
I₁ + I₂ − I₃ = −4

求各贡献

I₁ = 10.5 − 6 = 4.5 mA
I₃ = (6 − (−4))/2 = 5 mA
I₂ = 6 − 4.5 − 5 = −3.5 mA

将 V₂ 置零

I = I₁ + I₃ = 4.5 + 5 = 9.5 mA

答案

I = 9.5 mA
9.戴维南和诺顿

答案: Vth = 10.67 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​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​4 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 = 5·4/(5+4) = 2.222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.222 + 3 = 5.222 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​4 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) = 24·4/(5+4) = 10.67 V
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 3.667 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​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω短路R2​4 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 = 3·4/(3+4) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 6 = 7.714 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩAIs​1 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 20.57 + 1·1.714 = 22.29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22.29 + 1·6 = 28.29 V
IN​3.667 ARth​7.714 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 = 28.29/7.714 = 3.667 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 3.377 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

τ = L/R = 22 mH / 15 Ω = 1.467 ms

求解时间

0.2 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0.2)
t = 1.467·ln(10) = 3.377 ms

答案

t = 3.377 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.1843 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) = 9/(47 + 22) = 0.1304 A
i(∞) = 9/47 = 0.1915 A
τ = L/R = 22/47 = 0.4681 ms
i(t) = 0.1915 + (0.1304 − 0.1915)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(1) = 0.1915 + (−0.06105)·e−1/0.4681 = 0.1843 A

答案

i = 0.1843 A
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 80.48 °

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 = 6283·0.05 = 314.2 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 + (298.2)²) = 302.4 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(298.2/50) = 80.48°

答案

φ = 80.48°
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 33.71 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。

谐振

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·2.2·10⁻⁶) = 6742 rad/s
I = V/R = 1/2 = 0.5 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 6742·0.01 = 67.42 Ω
VL = I·XL = 0.5·67.42 = 33.71 V

答案

VL = 33.71 V

这是电源电压的 Q = 33.71 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: R = 17 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 = 612/6² = 17 Ω

答案

R = 17 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: QC = 8.49 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 = 10·tan(53.13°) = 13.33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(25.84°) = 4.843 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8.49 kvar

答案

QC = 8.49 kvar
17.三相电

答案: IL = 58.03 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 = 30/0.91 = 32.97 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32967/(√3·400·0.82) = 58.03 A

答案

IL = 58.03 A
18.三相电

答案: QC = 50.91 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 = 75·tan(acos 0.75) = 75·0.8819 = 66.14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.98) = 75·0.2031 = 15.23 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 50.91 kvar

答案

QC = 50.91 kvar
19.变压器

答案: R1′ = 100 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 = 5²·4 = 100 Ω

答案

R1′ = 100 Ω
20.变压器

答案: Ploss = 1200 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 = 0.25·1600 = 400 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 800 + 400 = 1200 W

答案

Ploss = 1200 W

此负载下的效率为 η = 98.75%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 5.64 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| = Rf/R1 = 10/4.7 = 2.128

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/2.128 = 5.64 V

答案

Vin,max = 5.64 V
22.运放电路

答案: Vout = −2.272 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 = −10/2 = −5
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/100 = 1.01

逐级计算

V1 = −5·0.45 = −2.25 V
Vout = 1.01·(−2.25) = −2.272 V

答案

Vout = −2.272 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 5.311 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 = (9 − 0.7)/270 kΩ = 30.74 µA

集电极电流

IC = β·IB = 80·30.74 µA = 2.459 mA

集电极–发射极电压

VCE = 9 − 2.459 mA·1.5 kΩ = 5.311 V

答案

VCE = 5.311 V
24.二极管与晶体管

答案: IC = 27.66 mA

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。

基极电流

IB = (3.3 − 0.7)/4.7 kΩ = 553.2 µA

饱和还是放大?

β·IB 小于 IC(sat),所以晶体管仍处于放大区。

β·IB = 27.66 mA
IC(sat) = (9 − 0.2)/100 = 88 mA

集电极电流

IC = β·IB = 27.66 mA

答案

IC = 27.66 mA

晶体管处于放大区,所以负载没有完全接通。

25.数制

答案: U = 209

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

47 = 0010 1111
取反后: 1101 0000
+1 → 1101 0001

按无符号数读取

1101 0001₂ = 256 − 47 = 209

答案

U = 209
26.数制

答案: R = 48

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

左移 3 位,把每一位向左移动 3 个位置;从左端移出的位丢失,右侧补入 0。

0010 0110 << 3
= 0011 0000

结果的值

0011 0000₂ = 48

答案

R = 48
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 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。

ABC00011110011001131214050716

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。

C′
A′B

最简 SOP 形式

F = C′ + A′B
L = 3

答案

L = 3
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 5

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。

完整循环

每 11 个脉冲使计数器回到相同的状态。

32 = 2·11 + 10

剩余脉冲之后的计数

Q = (6 + 10) mod 11 = 5
Q = 0101₂

答案

Q = 5
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.3) = 4.35

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

部分分式

2s + 35 = 2(s + 3) + 29
F(s) = 2/(s + 3) + 29/(s + 3)²

逆变换

f(t) = 2·e−3t + 29·t·e−3t
f(0.3) = (2 + 29·0.3)·e−3·0.3 = 4.35

答案

f(0.3) = 4.35
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.6) = 3.196

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

对方程做变换

s²Y − 7s − (−6) + 5(sY − 7) + 6Y = 0
Y(s) = (7s + 29)/((s + 2)(s + 3))

部分分式

A = 15/1 = 15
B = 8/(−1) = −8

结果

y(t) = 15·e−2t − 8·e−3t
y(0.6) = 3.196

答案

y(0.6) = 3.196

检验:y(0) = A + B = 7。

31.方框图

答案: τ = 0.05882 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)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 30/(s + 2 + 15) = 30/(s + 17)

结果

τ = 1/17 = 0.05882 s

答案

τ = 0.05882 s
32.方框图

答案: T(0) = 0.9677

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 = G₂/(1 + G₂H₁) = 9/(s + 21)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 90/((s + 4)(s + 21) + 9)

直流增益

T(0) = 90/(4·21 + 9) = 90/93 = 0.9677

答案

T(0) = 0.9677
33.阶跃响应

答案: %OS = 26.03 %

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 = 79 → ωₙ = 8.888 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8.888) = 0.3938

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.346 = 26.03 %

答案

%OS = 26.03 %
34.阶跃响应

答案: ωn = 5.426 rad/s

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

阻尼比

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 2.996/√(9.87 + 8.974) = 0.6901

固有频率

ωd = π/tp = π/0.8 = 3.927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3.927/0.7237 = 5.426 rad/s

答案

ωn = 5.426 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −101.9 °

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(30/14) − 90° − atan(30/7) = 64.98° − 90° − 76.87°

结果

∠G(j30) = −101.9°

答案

∠G(jω) = −101.9°
36.伯德图与裕度

答案: K = 12.8

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/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2.828 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 64)) = K/(1·8·(1 + 8)) = K/72

所需增益

72/K = 1015/20 = 5.623
K = 72/5.623 = 12.8

答案

K = 12.8
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: m = 10

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 + 12s² + 32s + K = 0
s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K

最大稳定增益

Kmax = 12·32 = 384

倍数

m = 384/38.4 = 10

答案

m = 10

这个倍数就是以比值表示的增益裕度:20 dB。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 14.06

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 + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.8·ωₙ = 6 → ωₙ = 3.75 rad/s

增益

K = ωₙ² = 3.75² = 14.06

答案

K = 14.06

闭环极点位于 ζ 线与 s = −3 处垂直分支的交点。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 4.255 %

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。

位置误差常数

Kp = 9·2.5 = 22.5

阶跃误差

ess = 100/(1 + 22.5) = 4.255 %

答案

ess = 4.255 %
40.稳态误差与 PID 控制

答案: ts = 1.333 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 + 6) + 16·4 = s² + 6s + 64

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √64 = 8 rad/s
ζ = 6/(2·8) = 0.375

调节时间

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1.333 s

答案

ts = 1.333 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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