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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩIR2​AR4​2 ΩB

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​5 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 ΩR5 = 6 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
−+Vs​ = 10 VIs​1.5 AAR1​3 ΩR2​6 ΩB

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 节点电压 VA(相对于地)。

Is = 1.5 AVs = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 20 Ω+−Vs​ = 4 V+−V1​5 VR2​6 ΩAR3​8 ΩBIs​5 A

A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 A,所以它使 VA − VB = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 5 VIs = 5 AVs = 4 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​5 ΩIR3​A+−V2​18 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R3 的电流 IR3。

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
IR3 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR4​6 ΩIR4​AR5​10 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 36 VV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩR5 = 10 Ω
IR4 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​2 Ω+−VR4​BIs​3 A

用叠加定理求 R4 两端按图示极性的电压 VR4。

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
VR4 = V
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 = 13 mA。V1 加倍而另两个不变时,I = 12 mA。Is 方向反转而另两个不变时,I = −2 mA。求将 V2 置零、V1 和 Is 取正常值时的负载电流 I。

正常值: I = 13 mA2·V1: I = 12 mA−Is: I = −2 mA
I = mA
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩARL​12 ΩIL​B

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 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩRL = 12 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​0.5 ABRL​8 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 8 Ω。利用戴维南等效电路求负载获得的功率 PL。

V1 = 10 VIs = 0.5 AR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 8 Ω
PL = W
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​6 Vt = 0R = 47 ΩL47 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 = 6 VR = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 15 V 电源通过一个电阻给未充电的电容充电。当电容电压达到 13.5 V 时它必须触发,恰好在开始后 20 ms。 已知 C = 22 µF,求所需的电阻 R。

Vs = 15 VVth = 13.5 VT = 20 msC = 22 µF
R = kΩ
13.交流阻抗和相量中等
12 V500 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF

一个串联 RLC 电路接在 12 V(有效值)、500 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 = 500 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
230 V100 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 100 µF+−VC​

一个串联 RLC 电路接在 230 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 100 µF
VC = V
15.交流功率和功率因数中等
230 VR + jXP = 2243 W19.5 A

一个感性负载从 230 V(有效值)的单相电源吸取 19.5 A 和 2243 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 230 VI = 19.5 AP = 2243 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 110 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 110 kW、功率因数为 0.65(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 = 110 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VZ = 9 + j12 Ω每相

一个每相阻抗为 9 + j12 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 208 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VZ = 9 + j12 Ω 每相
P = kW
18.三相电困难
P = 100 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 100 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 0.92(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 = 100 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
16 Ω61

一个 16 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 6:1 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 = 6:1RL = 16 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
75 kVA

一台单相 75 kVA 变压器的铁损为 375 W,额定负载下铜损为 937.5 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 75 kVAPcore = 375 WPcu,fl = 937.5 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

选择反馈电阻 Rf,使该同相放大器的电压增益为 10。

R1 = 47 kΩAv = 10
Rf = kΩ
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 0.4 VR1​ = 1 kΩV2​ = −0.3 VR2​ = 22 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = 0.4 VV2 = −0.3 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−12 V470 Ω5.1 V1000 ΩIZ​ = ?

一个 5.1 V 的齐纳稳压器通过 470 Ω 接到 12 V,并向 1000 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 12 VVZ = 5.1 VR = 470 ΩRL = 1000 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 150 Ωβ = 50VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

一只 β = 50 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 24 V 与其集电极之间的 150 Ω 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。 为保证可靠开关,按饱和所需最小基极电流的 10 倍来设计基极电流。求 RB,以 kΩ 计。

VCC = 24 VRC = 150 Ωβ = 50Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V过驱动系数 = 10
RB = kΩ
25.数制中等
补码中的位权0−12806403211608140201

8 位模式 0001 0100 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

0001 01008 bit
N =
26.数制困难
16 位,无符号, N = ?????????????????

16 位能容纳的最大无符号整数 N 是多少?

16 bit
N =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010011312041517060120131151141809011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 5, 7, 8, 14, 15) 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, D) = Σm(0, 2, 3, 5, 7, 8, 14, 15)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKJK123456

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始,在 6 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 = 0JK
N =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

用部分分式法求 F(s) = 50/(s(s + 3)(s + 4)) 对应的 f(t),并计算 f(0.25)。

F(s) = 50/(s(s + 3)(s + 4))t = 0.25 s
f(0.25) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

某系统满足 y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t),y(0) = 1,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(0.25)。

y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.25 s
y(0.25) =
31.方框图中等
R(s)+16K+9s + 3G(s)C(s)0.5H₁−−

被控对象 G(s) = 9/(s + 3) 带有一个增益为 H₁ = 0.5 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 16 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) = 9/(s + 3)H₁ = 0.5K = 16
T(0) =
32.方框图困难
R(s)+42s(s + 3)G(s)C(s)1H−

被控对象 G(s) = 42/(s(s + 3)) 放在传感器增益为 H = 1 的负反馈回路中。闭环极点是复数。 求它们的虚部 ωd(取正值),单位 rad/s。

G(s) = 42/(s(s + 3))H = 1
ωd = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)2

某系统的传递函数为 G(s) = 82/(s² + 6s + 41),输入为单位阶跃。 求固有频率 ωn,单位 rad/s。

G(s) = 82/(s² + 6s + 41)
ωn = rad/s
34.阶跃响应困难
t (s)y(t)1tp​ = 2 s25 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应显示出 25 % 的超调量,第一个峰出现在 t = 2 s。求固有频率 ωn。

%OS = 25 %tp = 2 s
ωn = rad/s
35.伯德图与裕度中等
vin​R = 4.7 kΩC = 47 nFvout​

图中所示的RC 低通滤波器有R = 4.7 kΩ, C = 47 nF。输入为2.9 kHz的正弦信号。 求增益 |H| = |vout/vin|,以 dB 表示。

R = 4.7 kΩC = 47 nFf = 2.9 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) = 122/(s(s + 4)(s + 8))。 求相位穿越频率 ω180,即 ∠L(jω) = −180° 处。

L(s) = 122/(s(s + 4)(s + 8))
ω180 = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 11s(s + 3)(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 11)/(s(s + 3)(s + 4)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 11)/(s(s + 3)(s + 4))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 1)/(s(s + 2)(s + 6))。求根轨迹渐近线与实轴的交点 σa。

L(s) = K(s + 1)/(s(s + 2)(s + 6))
σa =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K = 445s + 1C(s)−

过程 G(s) = 4/(5s + 1) 由比例增益 K = 4 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) = 4/(5s + 1)K = 4
ess = %
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K = 54s(s + 4)C(s)−

比例控制器 K = 5 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 4/(s(s + 4))。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 4/(s(s + 4))K = 5
%OS = %

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR2 = 0.2056 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​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​2 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 = 20 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 15·22/(15+22) = 8.919 Ω
Req = R1 + 8.919 = 20 + 8.919 = 28.92 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 = 10/28.92 = 0.3458 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 − 0.3458·20 = 3.084 V
IR2 = VA/R2 = 3.084/15 = 0.2056 A

答案

IR2 = 0.2056 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.7538 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​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​5 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 = 6 + 5 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 4.632 Ω
R3 + 4.632 = 12.63 Ω
R2 ∥ 12.63 = 1.727 Ω
Req = R1 + 1.727 = 4 + 1.727 = 5.727 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 = 5/5.727 = 0.8731 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 = 5 − 0.8731·4 = 1.508 V
IR2 = VA/R2 = 1.508/2 = 0.7538 A

答案

IR2 = 0.7538 A
3.节点分析

答案: VA = −0.3333 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。

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 + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is

求解

VA/3 + (VA + 10)/6 = 1.5
VA = (1.5 − 10/6)/(1/3 + 1/6) = −0.3333 V
VB = −0.3333 + 10 = 9.667 V

答案

VA = −0.3333 V
4.节点分析

答案: VA = 16.83 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。

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 − 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 5)/20 + VA/6 + (VA − 4)/8 = 5
VA·(1/20 + 1/6 + 1/8) = 5 + 5/20 + 4/8 = 5.75
VA = 5.75/0.3417 = 16.83 V
VB = 12.83 V

答案

VA = 16.83 V
5.网孔分析

答案: IR3 = 1.909 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​ = 12 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​5 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
12·I1 + 5(I1 − I2) = 24
17·I1 − 5·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
12·I2 + 5(I2 − I1) = (−18)
−5·I1 + 17·I2 = −18

求解

Δ = (17)(17) − (−5)(−5) = 264
I1 = Δ1/Δ = 318/264 = 1.205 A
I2 = Δ2/Δ = −186/264 = −0.7045 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 1.909 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR4 = 1.793 A

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

R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR4​6 ΩAR5​10 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
10·I1 + 6(I1 − I2) = 36
16·I1 − 6·I2 = 36

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
6·I2 + 6(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 22·I2 − 10·I3 = 0

网孔 3 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
4·I3 + 10(I3 − I2) = (−6)
−10·I2 + 14·I3 = −6

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 2824
I1 = Δ1/Δ = 7128/2824 = 2.524 A
I2 = Δ2/Δ = 2064/2824 = 0.7309 A
I3 = Δ3/Δ = 264/2824 = 0.09348 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 1.793 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: VR4 = 8 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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​2 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 = 4+2 = 6 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·6/(12+6) = 4 Ω
VA = 24·4/(6+4) = 9.6 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9.6·2/6 = 3.2 V
VR4′ = VB − 0 = 3.2 − 0 = 3.2 V
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​12 ΩAR4​2 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 8 = 1.6 Ω
VB = Is·Req = 3·1.6 = 4.8 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4.8·4/8 = 2.4 V
VR4″ = VB − 0 = 4.8 − 0 = 4.8 V

叠加各分量

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 3.2 + 4.8 = 8 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

8.叠加定理

答案: I = 6.5 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 = 13
2·I₁ + I₂ + I₃ = 12
I₁ + I₂ − I₃ = −2

求各贡献

I₁ = 12 − 13 = −1 mA
I₃ = (13 − (−2))/2 = 7.5 mA
I₂ = 13 − (−1) − 7.5 = 6.5 mA

将 V₂ 置零

I = I₁ + I₃ = (−1) + 7.5 = 6.5 mA

答案

I = 6.5 mA
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.2738 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​ = 15 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 + 15 = 17.22 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 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) = 18·4/(5+4) = 8 V
Rth​ = 17.22 Ω+−Vth​8 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) = 8/(17.22 + 12) = 0.2738 A
10.戴维南和诺顿

答案: PL = 0.3039 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​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω短路R2​10 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 = 6·10/(6+10) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 3 = 6.75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​0.5 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) = 6.25 + (−0.5)·3.75 = 4.375 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4.375 + (−0.5)·3 = 2.875 V
Rth​ = 6.75 Ω+−Vth​2.875 VRL​8 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) = 2.875/(6.75 + 8) = 0.1949 A
PL = IL²·RL = 0.1949²·8 = 0.3039 W
11.RC 和 RL 暂态

答案: vL = 2.207 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 = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0.1277 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 = 6·e−1/1 = 2.207 V

答案

vL = 2.207 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: R = 0.3948 kΩ

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。

所需的时间常数

13.5 = 15·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(15/(15 − 13.5))
τ = 20/2.303 = 8.686 ms

电阻

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

R = τ/C = 8.686/22 = 0.3948 kΩ

答案

R = 0.3948 kΩ
13.交流阻抗和相量

答案: φ = 74.37 °

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 = 3142·0.05 = 157.1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (89.35)²) = 92.79 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(89.35/25) = 74.37°

答案

φ = 74.37°
14.交流阻抗和相量

答案: VC = 85.33 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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.05 = 31.42 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) = √(40² + (15.5)²) = 42.9 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 230/42.9 = 5.362 A

电容电压

VC = I·XC = 5.362·15.92 = 85.33 V

答案

VC = 85.33 V
15.交流功率和功率因数

答案: R = 5.899 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 = 2243/19.5² = 5.899 Ω

答案

R = 5.899 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 43.17 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 = 110·tan(arccos 0.65) = 128.6 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 − 128.6²) = 153.2 kW

增加的有功功率

ΔP = 153.2 − 110 = 43.17 kW

答案

ΔP = 43.17 kW
17.三相电

答案: P = 5.192 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

相电压

Vph = VL = 208 V

相电流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 208/15 = 13.87 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·13.87²·9 = 5.192 kW

答案

P = 5.192 kW

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

18.三相电

答案: QC = 53.79 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 = 100·tan(acos 0.72) = 100·0.9639 = 96.39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.92) = 100·0.426 = 42.6 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 53.79 kvar

答案

QC = 53.79 kvar
19.变压器

答案: R1′ = 576 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 = 6²·16 = 576 Ω

答案

R1′ = 576 Ω
20.变压器

答案: Sη,max = 47.43 kVA

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。

铜损等于铁损

x²·937.5 = 375 → x = √(375/937.5) = 0.6325

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.6325·75 = 47.43 kVA

答案

Sη,max = 47.43 kVA
21.运放电路

答案: Rf = 423 kΩ

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。

同相放大器的增益

V₋ = V₊ = Vin,且流过 R₁ 的电流也流过 Rf,所以 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (10 − 1)·47 = 423 kΩ

答案

Rf = 423 kΩ
22.运放电路

答案: Vout = −0.7727 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 = 0.4/1 = 0.4 mA
I2 = V2/R2 = −0.3/22 = −0.01364 mA
If = I1 + I2 = 0.3864 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −2·0.3864 = −0.7727 V

答案

Vout = −0.7727 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 9.581 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 = 6.9/470 = 14.68 mA

负载电流

IL = 5.1/1000 = 5.1 mA

齐纳电流

IZ = 14.68 − 5.1 = 9.581 mA

答案

IZ = 9.581 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 0.1355 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)/150 = 158.7 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 158.7/50 = 3173 µA

设计基极电流

IB = 10·3173 µA = 31733 µA

基极电阻

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/31.73 mA = 0.1355 kΩ

答案

RB = 0.1355 kΩ
25.数制

答案: N = 20

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。

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

16 + 4 = 20

答案

N = 20
26.数制

答案: N = 65535

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。

最大值

216 − 1 = 65535

答案

N = 65535
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 12

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。

ABCD000111100001111010011312041517060120131151141809011010

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。

B′C′D′
A′BD
A′B′C
ABC

最简 SOP 形式

F = B′C′D′ + A′BD + A′B′C + ABC
L = 12

答案

L = 12
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 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。

每个边沿之后的 Q

JK 触发器:00 保持,01 复位 (Q = 0),10 置位 (Q = 1),11 翻转。

1: J = 1, K = 0 → Q = 1
2: J = 1, K = 1 → Q = 0
3: J = 0, K = 1 → Q = 0
4: J = 1, K = 0 → Q = 1
5: J = 0, K = 1 → Q = 0
6: J = 1, K = 0 → Q = 1

数出变化的次数

0 → 1 → 0 → 0 → 1 → 0 → 1
N = 5

答案

N = 5
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.25) = 0.8924

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 + 4)
A = 50/(3·4) = 4.167
B = 50/((−3)·1) = −16.67
C = 50/((−4)·(−1)) = 12.5

逆变换

f(t) = 4.167 − 16.67·e−3t + 12.5·e−4t

求值

f(0.25) = 4.167 − 16.67·e−3·0.25 + 12.5·e−4·0.25 = 0.8924

答案

f(0.25) = 0.8924
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.25) = 1.685

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 + 10s + 24)·Y(s) = 1s + 10 + 72/s
Y(s) = (s² + 10s + 72)/(s(s + 4)(s + 6))

部分分式

A = 72/(4·6) = 3
B = 48/((−4)·2) = −6
C = 48/((−6)·(−2)) = 4

结果

y(t) = 3 − 6·e−4t + 4·e−6t
y(0.25) = 1.685

答案

y(0.25) = 1.685

检验:y(0) = A + B + C = 1。

31.方框图

答案: T(0) = 0.9505

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) = 9/(s + 3 + 9·0.5) = 9/(s + 7.5)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 144/(s + 7.5 + 144) = 144/(s + 151.5)

结果

T(0) = 144/151.5 = 0.9505

答案

T(0) = 0.9505
32.方框图

答案: ωd = 6.305 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

s(s + 3) + 42·1 = 0 → s² + 3s + 42 = 0

根

s = −1.5 ± j·√(42 − 2.25) = −1.5 ± j6.305
ωd = 6.305 rad/s

答案

ωd = 6.305 rad/s
33.阶跃响应

答案: ωn = 6.403 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)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 41 → ωₙ = 6.403 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6.403) = 0.4685

结果

ωₙ = 6.403 rad/s

答案

ωn = 6.403 rad/s
34.阶跃响应

答案: ωn = 1.717 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(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 1.386/√(9.87 + 1.922) = 0.4037

固有频率

ωd = π/tp = π/2 = 1.571 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 1.571/0.9149 = 1.717 rad/s

答案

ωn = 1.717 rad/s
35.伯德图与裕度

答案: |H| = −12.36 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/(4700·4.7 × 10⁻⁸) = 4527 rad/s
fc = 720.5 Hz → f/fc = 2900/720.5 = 4.025

增益

|H| = 1/√(1 + 4.025²) = 0.2411
20·log₁₀(0.2411) = −12.36 dB

答案

|H| = −12.36 dB
36.伯德图与裕度

答案: ω180 = 5.657 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/4)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(4·8) = 5.657 rad/s

答案

ω180 = 5.657 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 21

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(s + 3)(s + 4) + K(s + 11) = s³ + 7s² + (12 + K)s + 11K

劳斯阵列

s³: 1, 12 + K
s²: 7, 11K
s¹: (7·(12 + K) − 11K)/7
s⁰: 11K

条件

84 − 4K > 0
K < 84/4 = 21

答案

Kmax = 21

如果零点位于 s = −7 的右侧,则对所有 K > 0 回路都保持稳定。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: σa = −3.5

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。

极点和零点

个极点: 0, −2, −6
0 位: −1
n − m = 3 − 1 = 2

形心

σa = (−8 − (−1))/2 = −3.5

答案

σa = −3.5

2 条渐近线从重心出发,角度为 90°, 270°。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 5.882 %

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 = 4·4 = 16

阶跃误差

ess = 100/(1 + 16) = 5.882 %

答案

ess = 5.882 %
40.稳态误差与 PID 控制

答案: %OS = 20.79 %

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 + 4) + 5·4 = s² + 4s + 20

ωₙ 和 ζ

ωₙ = √20 = 4.472 rad/s
ζ = 4/(2·4.472) = 0.4472

超调量

%OS = 100·e−0.4472π/√(1 − 0.4472²) = 20.79 %

答案

%OS = 20.79 %

本内容为独立练习材料。ExamProblems 与该考试的主办机构没有隶属关系,也未获其认可,考试名称仅用于描述内容。 FE exam 由 NCEES 举办,该机构与 ExamProblems 无关,也不为其背书。

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical