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​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​8 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​6 Ω

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 ΩR5 = 4 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.节点分析中等
R1​2 Ω+−V1​18 VR2​5 Ω+−V2​18 VI2​R3​2 ΩA

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 2 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I2。

V1 = 18 VR1 = 2 ΩV2 = 18 VR2 = 5 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
4.节点分析困难
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​10 ΩAR5​5 ΩBIs​2 A−+V2​15 V

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 30 VIs = 2 AV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​3 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 24 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​15 ΩAR5​10 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 网孔电流 I3(顺时针)。

V1 = 10 VV2 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩR5 = 10 Ω
I3 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​3 ΩIR4​BIs​3 A

用叠加定理求 R4 吸收的功率 PR4。

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 Ω
PR4 = W
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 = 15.5 mA。V1 加倍而另两个不变时,I = 18 mA。Is 方向反转而另两个不变时,I = 13.5 mA。求将 V2 置零、V1 和 Is 取正常值时的负载电流 I。

正常值: I = 15.5 mA2·V1: I = 18 mA−Is: I = 13.5 mA
I = mA
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAIs​1.5 ABRL​10 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 10 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 24 VIs = 1.5 AR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩRL = 10 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 6.8 kΩC47 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 = 100 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 6.8 kΩC = 47 µFt = 100 ms
vC = V
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 Vt = 0R = ?C4.7 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 8.1 V 时它必须触发,恰好在开始后 200 ms。 已知 C = 4.7 µF,求所需的电阻 R。

Vs = 9 VVth = 8.1 VT = 200 msC = 4.7 µF
R = kΩ
13.交流阻抗和相量中等
100 V60 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、60 Hz 的电源上。 求电路的功率因数 cos φ。

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 22 µF
cos φ =
14.交流阻抗和相量困难
120 V200 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 50 ΩC = 10 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 = 20 ΩR2 = 50 ΩC = 10 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
240 VR + jXP = 3264 W17 A

一个感性负载从 240 V(有效值)的单相电源吸取 17 A 和 3264 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 240 VI = 17 AP = 3264 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
50 V50 HzRs​ = 2 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

一个 50 V(有效值)、50 Hz 的电源具有内阻抗 Zs = 2 + j10 Ω。负载阻抗 ZL 可以自由选择。 求能传输给负载的最大有功功率 Pmax。

Vs = 50 V (rms)f = 50 HzZs = 2 + j10 Ω
Pmax = W
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M18.5 kW, η = 92%cos φ = 0.8

一台三相感应电动机满载时输出机械功率 18.5 kW。此负载下其效率为 92%,功率因数为 0.8(滞后)。电源线电压为 415 V。求线电流 IL。

Pout = 18.5 kWη = 92%cos φ = 0.8VL = 415 V
IL = A
18.三相电困难
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、50 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 0.92(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 = 120 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.变压器中等
75 Ω101

一个 75 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 = 75 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
pf 0.85500 kVA, η = 98.2%

一台单相 500 kVA 变压器的铁损为 2500 W。 在额定负载、功率因数为 0.85(滞后)时,其效率为 98.2%。求满载铜损 Pcu,fl,以 W 计。

S = 500 kVAPcore = 2500 Wpf = 0.85η = 98.2%
Pcu,fl = W
21.运放电路中等
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 0.3 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1.8 VR3​ = 47 kΩR4​ = 22 kΩ

差分放大器使用采用 ±15 V 电源的理想运放,其中 R3 = R1,R4 = R2。 求输出电压 Vout。

V1 = 0.3 VV2 = 1.8 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −1.9 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0.8 VR2​ = 4.7 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −1.9 VV2 = 0.8 VR1 = 1 kΩR2 = 4.7 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 470 Ωβ = 100VCC​ = 15 VRB​ = 560 kΩ

一只 β = 100 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 15 V 经基极电阻 RB = 560 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 470 Ω,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 = 15 VRB = 560 kΩRC = 470 Ωβ = 100VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
+−≥ 15 VR = ?6.2 V≤ 40 mA

一个 6.2 V 的齐纳稳压器必须向负载提供最多 40 mA。输入可能降到 15 V,齐纳管至少需要 5 mA 才能稳压。求能保持稳压的最大串联电阻 Rmax。

Vin,min = 15 VVZ = 6.2 VIL,max = 40 mAIZ,min = 5 mA
Rmax = Ω
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −10。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −108 bit
U =
26.数制困难
16 位补码, N = ??符号位???????????????

16 位补码能存储的最小(最负)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
ABCD00011110000111101111111

在这个卡诺图中,恰有一个 1 没有相邻的 1,所以它在最简 SOP 形式中仍是单个格子的圈(含四个文字的完整最小项)。跨越卡诺图边界的相邻关系也要计入。点选该格子。

F = Σm(0, 2, 7, 9, 11, 12, 14)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKJOHNSON

一个 4 位约翰逊计数器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 从 0000 开始。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀),Q₃ 接收 Q₀ 的反相。给出 6 个时钟边沿之后的状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00006
Q =
29.拉普拉斯变换中等
t (s)f(t)t = 0.5f(0.5) = ?

求 F(s) = (6s + 11)/(s² + 6s + 9) 对应的 f(t),并计算 f(0.5)。

F(s) = (6s + 11)/(s² + 6s + 9)t = 0.5 s
f(0.5) =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

某系统满足 y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t),y(0) = 5,y′(0) = 0。在 t = 0 时施加阶跃输入 u(t) = 4。用拉普拉斯变换求 y(0.3)。

y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.3 s
y(0.3) =
31.方框图中等
R(s)+36s(s + 4)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 36/(s(s + 4))。参考输入是斜坡 r(t) = 2·t。求稳态误差 ess。

G(s) = 36/(s(s + 4))r(t) = 2·t
ess =
32.方框图困难
R(s)+42s(s + 5)G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 42/(s(s + 5)) 放在传感器增益为 H = 2 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 + 5))H = 2
ωd = rad/s
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1

某系统的传递函数为 G(s) = 34/(s² + 6s + 34),输入为单位阶跃。 极点为 s = σ ± jωd。求实部 σ。

G(s) = 34/(s² + 6s + 34)
σ =
34.阶跃响应困难
k = 2000 N/mc = 30 N·s/mm = 5 kgF = 10 Nx(t)

质量 m = 5 kg 的物体挂在弹簧 k = 2000 N/m 上,带有黏性阻尼器 c = 30 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 = 10 N。 求位移最大的时刻 tp。

m = 5 kgk = 2000 N/mc = 30 N·s/mF = 10 N
tp = s
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 30

求 G(s) = 663/((s + 3)(s + 13)) 在 ω = 30 rad/s 时的精确幅值 |G(jω)|,单位为 dB。

G(s) = 663/((s + 3)(s + 13))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 480/(s(s + 10))。 求相位裕度 PM,单位为度。

L(s) = 480/(s(s + 10))
PM = °
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 2(s − 3)(s + 3)C(s)−

对象 G(s) = (s + 2)/((s − 3)(s + 3)) 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 + 2)/((s − 3)(s + 3))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2

对于 L(s) = K/((s + 7)(s² + 2s + 2)),求根轨迹从上半平面复极点出发的出射角 θd,从正实轴量起。

L(s) = K/((s + 7)(s² + 2s + 2))
θd = °
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 1)(s + 5)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 1)(s + 5))。求使阶跃输入的稳态误差为 10 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 1)(s + 5))ess = 10 %
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+8 + Kd​s2s(s + 1)C(s)−

PD 控制器 C(s) = 8 + Kd·s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 2/(s(s + 1))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.9 的微分增益 Kd。

G(s) = 2/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0.9
Kd = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 2.492 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​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​8 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 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 8·11/(8+11) = 4.632 Ω
Req = R1 + 4.632 = 5 + 4.632 = 9.632 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 = 24/9.632 = 2.492 A

答案

IR1 = 2.492 A
2.串并联电阻

答案: Req = 4.746 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​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​6 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 = 4 + 6 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 3.75 Ω
R3 + 3.75 = 13.75 Ω
R2 ∥ 13.75 = 1.746 Ω
Req = R1 + 1.746 = 3 + 1.746 = 4.746 Ω

答案

Req = 4.746 Ω
3.节点分析

答案: I2 = 1.5 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)/2 + (VA − 18)/5 + VA/2 = 0

求 VA

VA = (18/2 + 18/5 + 0/2) / (1/2 + 1/5 + 1/2) = 12.6/1.2 = 10.5 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I2 = (18 − VA)/R2 = (18 − 10.5)/5 = 1.5 A

答案

I2 = 1.5 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: VA = 5.19 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​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​10 ΩAR5​5 ΩBIs​2 A−+V2​15 V

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, V2 = −15 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/10 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/4 = 0
0.45·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/5 + (VB − VA)/4 + (VB − (−15))/25 = (−2)
−0.25·VA + 0.49·VB = −2.6

求解

Δ = (0.45)(0.49) − (−0.25)(−0.25) = 0.158
VA = Δ1/Δ = 0.82/0.158 = 5.19 V
VB = Δ2/Δ = −0.42/0.158 = −2.658 V

答案

VA = 5.19 V
5.网孔分析

答案: I1 = 3.281 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​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​24 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
4·I1 + 3(I1 − I2) = 24
7·I1 − 3·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 + 3(I2 − I1) = (−15)
−3·I1 + 15·I2 = −15

求解

Δ = (7)(15) − (−3)(−3) = 96
I1 = Δ1/Δ = 315/96 = 3.281 A
I2 = Δ2/Δ = −33/96 = −0.3438 A

答案

I1 = 3.281 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: I3 = −0.5723 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​ = 2 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​15 ΩAR5​10 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
2·I1 + 15(I1 − I2) = 10
17·I1 − 15·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
25·I2 + 15(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 50·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
6·I3 + 10(I3 − I2) = (−10)
−10·I2 + 16·I3 = −10

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 8300
I1 = Δ1/Δ = 5500/8300 = 0.6627 A
I2 = Δ2/Δ = 700/8300 = 0.08434 A
I3 = Δ3/Δ = −4750/8300 = −0.5723 A

答案

I3 = −0.5723 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR4 = 6.973 W

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

R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​3 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+3 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·7/(3+7) = 2.1 Ω
VA = 9·2.1/(4+2.1) = 3.098 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.098·3/7 = 1.328 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (1.328 − 0)/3 = 0.4426 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω短路R2​3 ΩAR4​3 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。 Iₛ 的箭头向下,背离其节点,所以 Iₛ 从该节点抽出电流:其项带负号。

R1 ∥ R2 = 4·3/(4+3) = 1.714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 5.714 = 1.967 Ω
VB = −Is·Req = −3·1.967 = −5.902 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −5.902·1.714/5.714 = −1.77 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−5.902 − 0)/3 = −1.967 A

把电流的各个贡献相加

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0.4426 + (−1.967) = −1.525 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR4 = IR4²·R4 = (−1.525)²·3 = 6.973 W

答案

PR4 = 6.973 W

把各单独情况下的功率相加会得到 12.2 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: I = 3.5 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 = 15.5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 18
I₁ + I₂ − I₃ = 13.5

求各贡献

I₁ = 18 − 15.5 = 2.5 mA
I₃ = (15.5 − 13.5)/2 = 1 mA
I₂ = 15.5 − 2.5 − 1 = 12 mA

将 V₂ 置零

I = I₁ + I₃ = 2.5 + 1 = 3.5 mA

答案

I = 3.5 mA
9.戴维南和诺顿

答案: IN = 2.857 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​ = 2 ΩR3​ = 2 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 = 2·20/(2+20) = 1.818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.818 + 2 = 3.818 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 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/(2+20) = 10.91 V
IN​2.857 ARth​3.818 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 = 10.91/3.818 = 2.857 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.406 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​20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 12 = 22 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAIs​1.5 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) = 12 + 1.5·10 = 27 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27 + 1.5·12 = 45 V
Rth​ = 22 Ω+−Vth​45 VRL​10 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) = 45/(22 + 10) = 1.406 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 23.88 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 = 1·6.8/(1 + 6.8) = 0.8718 kΩ
vC(∞) = 30·6.8/(1 + 6.8) = 26.15 V

时间常数

τ = Rth·C = 0.8718·47 = 40.97 ms

充电曲线

vC(t) = 26.15·(1 − e−100/40.97) = 23.88 V

答案

vC = 23.88 V
12.RC 和 RL 暂态

答案: R = 18.48 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

8.1 = 9·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(9/(9 − 8.1))
τ = 200/2.303 = 86.86 ms

电阻

kΩ 乘以 µF 得到毫秒。

R = τ/C = 86.86/4.7 = 18.48 kΩ

答案

R = 18.48 kΩ
13.交流阻抗和相量

答案: cos φ = 0.5864

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

XL = 37.7 Ω, XC = 120.6 Ω

阻抗

|Z| = √(60² + (−82.87)²) = 102.3 Ω

功率因数

cos φ = R/|Z| = 60/102.3 = 0.5864
电路是容性的,所以功率因数超前。

答案

cos φ = 0.5864
14.交流阻抗和相量

答案: I = 1.993 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·200·10·10⁻⁶) = 79.58 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 = 35.85 − j22.52 Ω

总阻抗

Z = 20 + 35.85 − j22.52 = 55.85 − j22.52 Ω
|Z| = √(55.85² + 22.52²) = 60.22 Ω

电流

I = V/|Z| = 120/60.22 = 1.993 A

答案

I = 1.993 A
15.交流功率和功率因数

答案: R = 11.29 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 = 3264/17² = 11.29 Ω

答案

R = 11.29 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: Pmax = 312.5 W

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。

共轭匹配

负载电抗抵消电源电抗,负载电阻等于电源电阻。

ZL = Zs* = 2 − j10 Ω

最大功率

I = Vs/(2Rs) = 50/4 = 12.5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·2) = 312.5 W

答案

Pmax = 312.5 W
17.三相电

答案: IL = 34.97 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 = 18.5/0.92 = 20.11 kW

线路电流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20109/(√3·415·0.8) = 34.97 A

答案

IL = 34.97 A
18.三相电

答案: QC = 71.3 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 = 120·tan(acos 0.7) = 120·1.02 = 122.4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 71.3 kvar

答案

QC = 71.3 kvar
19.变压器

答案: R1′ = 7500 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 = 10²·75 = 7500 Ω

答案

R1′ = 7500 Ω
20.变压器

答案: Pcu,fl = 5290 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 = 500·0.85 = 425 kW
Pin = 425000/0.982 = 432790 W

总损耗和铜损

Ploss = 432790 − 425000 = 7790 W
Pcu,fl = 7790 − 2500 = 5290 W

答案

Pcu,fl = 5290 W
21.运放电路

答案: Vout = 0.7021 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

R₃ 和 R₄ 流过相同的电流,所以构成分压器;反馈使 V₋ = V₊。

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1.8·22/(47 + 22) = 0.5739 V
V₋ = V₊

反相输入端的 KCL

(0.3 − 0.5739)/47 = (0.5739 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/47)·(1.8 − 0.3) = 0.7021 V

答案

Vout = 0.7021 V
22.运放电路

答案: Vout = 1.73 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 = −1.9/1 = −1.9 mA
I2 = V2/R2 = 0.8/4.7 = 0.1702 mA
If = I1 + I2 = −1.73 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −1·(−1.73) = 1.73 V

答案

Vout = 1.73 V
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 13.8 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 = (15 − 0.7)/560 kΩ = 25.54 µA

集电极电流

IC = β·IB = 100·25.54 µA = 2.554 mA

集电极–发射极电压

VCE = 15 − 2.554 mA·0.47 kΩ = 13.8 V

答案

VCE = 13.8 V
24.二极管与晶体管

答案: Rmax = 195.6 Ω

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

最坏情况的电流

IR = 40 + 5 = 45 mA

最大电阻

Rmax = 8.8/0.045 = 195.6 Ω

答案

Rmax = 195.6 Ω
25.数制

答案: U = 246

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

10 = 0000 1010
取反后: 1111 0101
+1 → 1111 0110

按无符号数读取

1111 0110₂ = 256 − 10 = 246

答案

U = 246
26.数制

答案: N = −32768

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。

最负值

−215 = −32768

答案

N = −32768
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 01, CD = 11

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。

每个 1 的邻格

有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。

m7: m6, m5, m3, m15 → 0
ABCD00011110000111101111111

孤立的 1

m7 = A′BCD → AB = 01, CD = 11

答案

AB = 01, CD = 11
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 3

触发器与计数器:触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D);T 在 T = 1 时翻转;JK 在 00 时保持,01 时复位,10 时置位,11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态,按模 2ⁿ 计数;模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0,需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半,所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 fclk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态,环形计数器有 n 个。

每个边沿之后的状态

0000 → 1000 → 1100 → 1110 → 1111 → 0111 → 0011

十进制值

0011₂ = 3

答案

Q = 3
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.5) = 0.5578

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

6s + 11 = 6(s + 3) + −7
F(s) = 6/(s + 3) − 7/(s + 3)²

逆变换

f(t) = 6·e−3t − 7·t·e−3t
f(0.5) = (6 − 7·0.5)·e−3·0.5 = 0.5578

答案

f(0.5) = 0.5578
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.3) = 5.644

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 + 4s + 3)·Y(s) = 5s + 20 + 36/s
Y(s) = (5s² + 20s + 36)/(s(s + 1)(s + 3))

部分分式

A = 36/(1·3) = 12
B = 21/((−1)·2) = −10.5
C = 21/((−3)·(−2)) = 3.5

结果

y(t) = 12 − 10.5·e−t + 3.5·e−3t
y(0.3) = 5.644

答案

y(0.3) = 5.644

检验:y(0) = A + B + C = 5。

31.方框图

答案: ess = 0.2222

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)。

速度误差系数

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 36/4 = 9

稳态误差

ess = A/Kᵥ = 2/9 = 0.2222

答案

ess = 0.2222
32.方框图

答案: ωd = 8.818 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 + 5) + 42·2 = 0 → s² + 5s + 84 = 0

根

s = −2.5 ± j·√(84 − 6.25) = −2.5 ± j8.818
ωd = 8.818 rad/s

答案

ωd = 8.818 rad/s
33.阶跃响应

答案: σ = −3

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 = 34 → ωₙ = 5.831 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5.831) = 0.5145

结果

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

答案

σ = −3
34.阶跃响应

答案: tp = 0.1589 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)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = √(k/m) = √(2000/5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 30/(2·√(2000·5)) = 0.15

结果

ωd = 19.77 rad/s
tp = π/ωd = 0.1589 s

答案

tp = 0.1589 s
35.伯德图与裕度

答案: |G(jω)| = −3.445 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(j30)| = 663/(√(30² + 3²)·√(30² + 13²)) = 663/(30.15·32.7) = 0.6726

结果

20·log₁₀(0.6726) = −3.445 dB

答案

|G(jω)| = −3.445 dB
36.伯德图与裕度

答案: PM = 25.68 °

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

增益穿越

ω⁴ + 100ω² − 230400 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·230400))/2 = 432.6
ωc = 20.8 rad/s

相位裕度

∠L(jωc) = −90° − atan(20.8/10) = −154.3°
PM = 180° + ∠L = 25.68°

答案

PM = 25.68°
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 4.5

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 + 3) + K(s + 2) = s² + (0 + K)s + (2K − 9)

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。

0 + K > 0 → K > 0
2K − 9 > 0 → K > 4.5
Kmin = 4.5

答案

Kmin = 4.5
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: θd = 80.54 °

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。

极点位置

s² + 2s + 2 = 0 → s = −1 ± j1
s = −7

来自其他极点的角度

∠(−1 + j1 + 7) = atan2(1, 6) = 9.462°
∠(−1 + j1 − (−1 − j1)) = ∠(j2) = 90°

出射角

θd = 180° − 9.462° − 90° = 80.54°

答案

θd = 80.54°
39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 45

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/5 = 9 → K = 45

答案

K = 45

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 = 3.1 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 + 1) + 2(8 + Kds) = s² + (1 + 2Kd)s + 16

固有频率

ωₙ = √16 = 4 rad/s

微分增益

1 + 2Kd = 2·0.9·4 = 7.2
Kd = 3.1 s

答案

Kd = 3.1 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

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