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​ = 5 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​5 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 25 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​25 ΩBR6​20 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​10 Ω+−V1​30 VI1​R2​6 Ω+−V2​10 VR3​8 Ω−+V3​24 VA

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 1 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I1。

V1 = 30 VR1 = 10 ΩV2 = 10 VR2 = 6 ΩV3 = 24 VR3 = 8 Ω
I1 = A
4.节点分析困难
R1​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​24 VR3​12 ΩAR5​8 ΩBIs​4 A−+V2​5 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VIs = 4 AV2 = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 ΩR5 = 8 Ω
IR2 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​30 VR3​20 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 = 30 VV2 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 Ω
IR3 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR4​4 ΩAR5​6 ΩIR5​B+−V2​9 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R5 的电流 IR5。

V1 = 12 VV2 = 9 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 ΩR5 = 6 Ω
IR5 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBIs​2.5 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 30 VIs = 2.5 AR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
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 = 10.5 mA。V1 加倍而另两个不变时,I = 16.5 mA。Is 方向反转而另两个不变时,I = −12.5 mA。求将 V2 置零、V1 和 Is 取正常值时的负载电流 I。

正常值: I = 10.5 mA2·V1: I = 16.5 mA−Is: I = −12.5 mA
I = mA
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR2​30 ΩAIs​6 ABab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电压 Vth。

V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 2.2 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 = 25 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 9 VR1 = 1 kΩR2 = 2.2 kΩC = 100 µFt = 25 ms
vC = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = ?C10 µF+−vC​

一个定时器在 t = 0 时开始用 9 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 6.75 V 时它必须触发,恰好在开始后 1000 ms。 已知 C = 10 µF,求所需的电阻 R。

Vs = 9 VVth = 6.75 VT = 1000 msC = 10 µF
R = kΩ
13.交流阻抗和相量中等
24 V100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 4.7 µF

一个串联 RLC 电路接在 24 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 = 24 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 4.7 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
120 V200 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 150 ΩC = 4.7 µFI

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 120 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 200 HzR1 = 50 ΩR2 = 150 ΩC = 4.7 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 11 kWQ = ?Sφ

一台单相电动机从 240 V 电源吸取 11 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求它吸收的无功功率 Q。

P = 11 kWpf = 0.9V = 240 V
Q = kvar
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 65 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 65 kW、功率因数为 0.6(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 = 65 kWpf1 = 0.6
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VIL​ = 40 Acos φ = 0.9滞后

一个对称三相负载从线电压为 208 V 的电源取用 40 A 的线电流,功率因数为 0.9(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VIL = 40 Acos φ = 0.9
P = kW
18.三相电困难
P = 120 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 120 kW,功率因数为 0.7(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。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 120 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​250 kVA

一台单相 250 kVA、10000/400 V 变压器在额定负载下运行,视为理想变压器。求高压绕组中的电流 IHV。

S = 250 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.变压器困难
pf 0.95250 kVA, η = 97%

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 2000 W。 在额定负载、功率因数为 0.95(滞后)时,其效率为 97%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 250 kVAPcore = 2000 Wpf = 0.95η = 97%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 3 VRa​ = 100 kΩRb​ = 47 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 3 VRa = 100 kΩRb = 47 kΩR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = 0.5 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1.8 VR2​ = 47 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = 0.5 VV2 = 1.8 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 4.7 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−9 V330 Ω5.1 V2200 ΩIZ​ = ?

一个 5.1 V 的齐纳稳压器通过 330 Ω 接到 9 V,并向 2200 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 9 VVZ = 5.1 VR = 330 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 330 Ωβ = 50IC​ = ?VCC​ = 24 V5 VRB​ = 1 kΩ

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 330 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 = 1 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 = 24 VRC = 330 Ωβ = 50Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 1 kΩ
IC = mA
25.数制中等
补码中的位权0−12816413201618140211

8 位模式 0110 1101 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

0110 11018 bit
N =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0001 0101 OR 1100 0010 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0001 0101OR1100 0010
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000010302140507161120131150141819011110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(4, 6, 8, 9, 10, 12, 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(4, 6, 8, 9, 10, 12, 15)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​CLKMOD-9

模 9 计数器必须依次经过 9 个不同的状态。它至少需要多少个触发器 n?

N = 9
n =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.4f(0.4) = ?

求 F(s) = (s + 22)/(s² + 10s + 25) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = (s + 22)/(s² + 10s + 25)t = 0.4 s
f(0.4) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 3y′ + 2y = 0,初始条件 y(0) = 4,y′(0) = −14,并求 y(0.4)。

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 4y′(0) = −14t = 0.4 s
y(0.4) =
31.方框图中等
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

被控对象 G(s) = K/(s(s + 5)) 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 + 5))单位负反馈
K =
32.方框图困难
R(s)+15控制器+D(s)+6s + 3被控对象C(s)−

比例控制器 K = 15 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 6/(s + 3)。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 10 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 15G(s) = 6/(s + 3)D = 10R = 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) = 57/(s² + 10s + 57),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 57/(s² + 10s + 57)
%OS = %
34.阶跃响应困难
+−24 VR = 4 ΩL = 50 mHC = 100 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 4 Ω,L = 50 mH,C = 100 µF,在 t = 0 时接到 24 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电压第一个峰值出现的时间 tp,单位 ms。

R = 4 ΩL = 50 mHC = 100 µFV = 24 V
tp = ms
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.010.11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 0.5

求 G(s) = 60/((s + 1)(s + 20)) 在 ω = 0.5 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 60/((s + 1)(s + 20))ω = 0.5 rad/s
|G(jω)| = 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) = 46/(s(s + 1)(s + 8))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 46/(s(s + 1)(s + 8))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 6s(s + 2)(s + 3)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 6)/(s(s + 2)(s + 3)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 6)/(s(s + 2)(s + 3))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K(s + 11)/(s(s + 6)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −6 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 + 11)/(s(s + 6))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 5)(s + 10))。求使阶跃输入的稳态误差为 25 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 25 %
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+20 + Kd​s2s(s + 3)C(s)−

PD 控制器 C(s) = 20 + Kd·s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 3))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.6 的微分增益 Kd。

G(s) = 2/(s(s + 3))Kp = 20ζ = 0.6
Kd = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 0.8842 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​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​5 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 15·20/(15+20) = 8.571 Ω
Req = R1 + 8.571 = 5 + 8.571 = 13.57 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 = 12/13.57 = 0.8842 A

答案

IR1 = 0.8842 A
2.串并联电阻

答案: Req = 31.11 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​ = 4 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 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 = 2 + 20 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 11.7 Ω
R3 + 11.7 = 15.7 Ω
R2 ∥ 15.7 = 6.109 Ω
Req = R1 + 6.109 = 25 + 6.109 = 31.11 Ω

答案

Req = 31.11 Ω
3.节点分析

答案: I1 = 2.574 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 − 30)/10 + (VA − 10)/6 + (VA − (−24))/8 = 0

求 VA

VA = (30/10 + 10/6 + (−24)/8) / (1/10 + 1/6 + 1/8) = 1.667/0.3917 = 4.255 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I1 = (30 − VA)/R1 = (30 − 4.255)/10 = 2.574 A

答案

I1 = 2.574 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: IR2 = −0.1097 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​ = 20 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​24 VR3​12 ΩAR5​8 ΩBIs​4 A−+V2​5 V

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 24 V, V2 = −5 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/12 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/6 = 0
0.3·VA − 0.1667·VB = 1.2

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/8 + (VB − VA)/6 + (VB − (−5))/6 = 4
−0.1667·VA + 0.4583·VB = 3.167

求解

Δ = (0.3)(0.4583) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.1097
VA = Δ1/Δ = 1.078/0.1097 = 9.823 V
VB = Δ2/Δ = 1.15/0.1097 = 10.48 V

答案

IR2 = (VA − VB)/R2 = (9.823 − 10.48)/6 = −0.1097 A
5.网孔分析

答案: IR3 = 1.067 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​ = 5 Ω+−V1​30 VR3​20 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
5·I1 + 20(I1 − I2) = 30
25·I1 − 20·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 20(I2 − I1) = (−18)
−20·I1 + 25·I2 = −18

求解

Δ = (25)(25) − (−20)(−20) = 225
I1 = Δ1/Δ = 390/225 = 1.733 A
I2 = Δ2/Δ = 150/225 = 0.6667 A

答案

IR3 = I1 − I2 = 1.067 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR5 = 0.4761 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​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR4​4 ΩAR5​6 ΩB+−V2​9 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) = 12
29·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 4(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 40·I2 − 6·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
12·I3 + 6(I3 − I2) = (−9)
−6·I2 + 18·I3 = −9

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 19548
I1 = Δ1/Δ = 7992/19548 = 0.4088 A
I2 = Δ2/Δ = −702/19548 = −0.03591 A
I3 = Δ3/Δ = −10008/19548 = −0.512 A

答案

IR5 = I2 − I3 = 0.4761 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR1 = 4.828 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​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​8 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 = 10+8 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·18/(2+18) = 1.8 Ω
VA = 30·1.8/(4+1.8) = 9.31 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9.31·8/18 = 4.138 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 9.31)/4 = 5.172 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​2 ΩAR4​8 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 = 4·2/(4+2) = 1.333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 11.33 = 4.69 Ω
VB = Is·Req = 2.5·4.69 = 11.72 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11.72·1.333/11.33 = 1.379 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1.379)/4 = −0.3448 A

叠加各分量

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 5.172 + (−0.3448) = 4.828 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: I = 17.5 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 = 10.5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 16.5
I₁ + I₂ − I₃ = −12.5

求各贡献

I₁ = 16.5 − 10.5 = 6 mA
I₃ = (10.5 − (−12.5))/2 = 11.5 mA
I₂ = 10.5 − 6 − 11.5 = −7 mA

将 V₂ 置零

I = I₁ + I₃ = 6 + 11.5 = 17.5 mA

答案

I = 17.5 mA
9.戴维南和诺顿

答案: IN = 0.1667 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​ = 12 Ω短路R2​6 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 = 20·6/(20+6) = 4.615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.615 + 12 = 16.62 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​6 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) = 12·6/(20+6) = 2.769 V
IN​0.1667 ARth​16.62 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 = 2.769/16.62 = 0.1667 A
10.戴维南和诺顿

答案: Vth = −34.76 V

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

R1​ = 4 ΩR3​ = 3 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 = 4·30/(4+30) = 3.529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.529 + 3 = 6.529 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR2​30 ΩAIs​6 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) = 4.412 + (−6)·3.529 = −16.76 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −16.76 + (−6)·3 = −34.76 V
11.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 1.886 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 = 1·2.2/(1 + 2.2) = 0.6875 kΩ
vC(∞) = 9·2.2/(1 + 2.2) = 6.188 V

时间常数

τ = Rth·C = 0.6875·100 = 68.75 ms

充电曲线

vC(t) = 6.188·(1 − e−25/68.75) = 1.886 V

答案

vC = 1.886 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: R = 72.13 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

6.75 = 9·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(9/(9 − 6.75))
τ = 1000/1.386 = 721.3 ms

电阻

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

R = τ/C = 721.3/10 = 72.13 kΩ

答案

R = 72.13 kΩ
13.交流阻抗和相量

答案: φ = −85.32 °

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 = 628.3·0.15 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·4.7·10⁻⁶) = 338.6 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−244.4)²) = 245.2 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−244.4/20) = −85.32°

答案

φ = −85.32°
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.7826 A

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

电抗

XC = 1/(2π·200·4.7·10⁻⁶) = 169.3 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 84.04 − j74.45 Ω

总阻抗

Z = 50 + 84.04 − j74.45 = 134 − j74.45 Ω
|Z| = √(134² + 74.45²) = 153.3 Ω

电流

I = V/|Z| = 120/153.3 = 0.7826 A

答案

I = 0.7826 A
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 5.328 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。

相角

φ = arccos(0.9) = 25.84°, tan φ = 0.4843

无功功率

Q = P·tan φ = 11·0.4843 = 5.328 kvar

答案

Q = 5.328 kvar
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 115.2 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 = 65·tan(arccos 0.6) = 86.67 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 − 86.67²) = 180.2 kW

增加的有功功率

ΔP = 180.2 − 65 = 115.2 kW

答案

ΔP = 115.2 kW
17.三相电

答案: P = 12.97 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。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·208·40 = 14.41 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 14.41·0.9 = 12.97 kW

答案

P = 12.97 kW
18.三相电

答案: Cph = 1129 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 = 120·tan(acos 0.7) = 120·1.02 = 122.4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.98) = 120·0.2031 = 24.37 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 98.06 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 32686/(377·277.1²) = 1129 µF

答案

Cph = 1129 µF
19.变压器

答案: IHV = 25 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。

IHV = S/V = 250000/10000 = 25 A

答案

IHV = 25 A
20.变压器

答案: Pcu,fl = 5345 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。

输出功率和输入功率

Pout = 250·0.95 = 237.5 kW
Pin = 237500/0.97 = 244845 W

总损耗和铜损

Ploss = 244845 − 237500 = 7345 W
Pcu,fl = 7345 − 2000 = 5345 W

答案

Pcu,fl = 5345 W
21.运放电路

答案: Vout = 1.918 V

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

+ 输入端的电压

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 3·47/(100 + 47) = 0.9592 V

同相增益

V₋ = V₊,流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0.9592·(1 + 10/10) = 1.918 V

答案

Vout = 1.918 V
22.运放电路

答案: Vout = −0.2868 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 = 0.5/22 = 0.02273 mA
I2 = V2/R2 = 1.8/47 = 0.0383 mA
If = I1 + I2 = 0.06103 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −4.7·0.06103 = −0.2868 V

答案

Vout = −0.2868 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 9.5 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 = 3.9/330 = 11.82 mA

负载电流

IL = 5.1/2200 = 2.318 mA

齐纳电流

IZ = 11.82 − 2.318 = 9.5 mA

答案

IZ = 9.5 mA
24.二极管与晶体管

答案: IC = 72.12 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 = (5 − 0.7)/1 kΩ = 4300 µA

饱和还是放大?

β·IB 大于 IC(sat),所以晶体管饱和。

β·IB = 215 mA
IC(sat) = (24 − 0.2)/330 = 72.12 mA

集电极电流

IC = IC(sat) = 72.12 mA

答案

IC = 72.12 mA

晶体管处于饱和状态。

25.数制

答案: N = 109

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。

64 + 32 + 8 + 4 + 1 = 109

答案

N = 109
26.数制

答案: R = 215

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。

0001 0101
OR 1100 0010
= 1101 0111

结果的值

1101 0111₂ = 215

答案

R = 215
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 16

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。

ABCD000111100001111000010302140507161120131150141819011110

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′D′
A′BD′
AB′D′
AB′C′
ABCD

最简 SOP 形式

F = BC′D′ + A′BD′ + AB′D′ + AB′C′ + ABCD
L = 16

答案

L = 16

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: n = 4

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 ≥ 9 → n = 4 (2⁴ = 16)

答案

n = 4
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 1.056

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

部分分式

s + 22 = 1(s + 5) + 17
F(s) = 1/(s + 5) + 17/(s + 5)²

逆变换

f(t) = e−5t + 17·t·e−5t
f(0.4) = (1 + 17·0.4)·e−5·0.4 = 1.056

答案

f(0.4) = 1.056
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.4) = 0.4714

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 − 4s − (−14) + 3(sY − 4) + 2Y = 0
Y(s) = (4s − 2)/((s + 1)(s + 2))

部分分式

A = −6/1 = −6
B = −10/(−1) = 10

结果

y(t) = −6·e−t + 10·e−2t
y(0.4) = 0.4714

答案

y(0.4) = 0.4714

检验:y(0) = A + B = 4。

31.方框图

答案: K = 6.25

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 + 5)) = 0 → s² + 5s + K = 0

重根

二次式 s² + βs + γ 在 β² = 4γ 时有二重根。

5² = 4K → K = 25/4 = 6.25

答案

K = 6.25
此时两个闭环极点都在 s = −2.5。
32.方框图

答案: css = 0.6452

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) = 6/(s + 3 + 90)

稳态

css = 10·6/93 = 0.6452

答案

css = 0.6452

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: %OS = 6.224 %

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 = 57 → ωₙ = 7.55 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7.55) = 0.6623

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.777 = 6.224 %

答案

%OS = 6.224 %
34.阶跃响应

答案: tp = 7.053 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0.05·1 × 10⁻⁴) = 447.2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (4/2)·√(1 × 10⁻⁴/0.05) = 0.08944

结果

ωd = 445.4 rad/s
tp = π/ωd = 7.053 ms

答案

tp = 7.053 ms
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = 8.571 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(j0.5)| = 60/(√(0.5² + 1²)·√(0.5² + 20²)) = 60/(1.118·20.01) = 2.682

结果

20·log₁₀(2.682) = 8.571 dB

答案

|G(jω)| = 8.571 dB
36.伯德图与裕度

答案: GM = 3.891 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。

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

增益裕度

GM = 20·log₁₀(72/46) = 3.891 dB

答案

GM = 3.891 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 30

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 + 2)(s + 3) + K(s + 6) = s³ + 5s² + (6 + K)s + 6K

劳斯阵列

s³: 1, 6 + K
s²: 5, 6K
s¹: (5·(6 + K) − 6K)/5
s⁰: 6K

条件

30 − 1K > 0
K < 30/1 = 30

答案

Kmax = 30

如果零点位于 s = −5 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: sb = −3.584

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 + 6s)/(s + 11)

驻点

用商的求导法则求导,并令分子为零。

(2s + 6)(s + 11) − (s² + 6s) = s² + 22s + 66 = 0
s = −11 ± √55 = −3.584, −18.42

分离点

sb = −3.584

答案

sb = −3.584

在两个分离/汇合点之间,轨迹是以零点为圆心的圆,半径为 √55 = 7.416。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 150

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) = 0.25 → Kp = 3

增益

K/50 = 3 → K = 150

答案

K = 150

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: Kd = 2.295 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 + 3) + 2(20 + Kds) = s² + (3 + 2Kd)s + 40

固有频率

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s

微分增益

3 + 2Kd = 2·0.6·6.325 = 7.589
Kd = 2.295 s

答案

Kd = 2.295 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

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