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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​3 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩIR2​AR4​2 ΩBR6​30 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 ΩR5 = 6 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

用节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 10 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩAR5​10 ΩBIs​0.5 A−+V2​6 V

用节点分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 30 VIs = 0.5 AV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 Ω
IR1 = A
5.网孔分析中等
R1​ = 12 ΩIR1​R2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 10 VV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
IR1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 Ω+−VR1​R2​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR4​12 ΩAR5​12 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 R1 两端按图示极性的电压 VR1。

V1 = 30 VV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 ΩR5 = 12 Ω
VR1 = V
7.叠加定理中等
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBIs​2.5 A

用叠加定理求 沿箭头方向流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 15 VIs = 2.5 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
8.叠加定理困难
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

求使流过 R3 的电流 IR3 为零的电压源 V2 的值(极性如图所示)。

V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 Ω
V2 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩARL​10 ΩIL​B

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 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​0.5 ABRL​25 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 25 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 = 5 VIs = 0.5 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 ΩL150 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 开关闭合后多长时间电流达到终值的 75%?求 t。

Vs = 9 VR = 47 ΩL = 150 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 V在 t = 0 断开R1​ = 2.2 kΩR2​ = 3.3 kΩC22 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 100 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 20 VR1 = 2.2 kΩR2 = 3.3 kΩC = 22 µFt = 100 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
24 V200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 2.2 µF

一个串联 RLC 电路接在 24 V(有效值)、200 Hz 的电源上。 求阻抗的相角 φ,以度为单位(电流滞后电压时为正)。

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 2.2 µF
φ = °
14.交流阻抗和相量困难
120 V100 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 47 µFI

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 47 µF
I = A
15.交流功率和功率因数中等
P = 6 kWQSφ

一台单相电动机从 400 V 电源吸取 6 kW,功率因数为 0.9(滞后)。 求线路电流 I。

P = 6 kWpf = 0.9V = 400 V
I = A
16.交流功率和功率因数困难
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

一个单相负载从 240 V、60 Hz 电源吸取 50 kW,功率因数为 0.7(滞后)。并联一个电容将功率因数提高到 0.9。 求所需电容 C。

P = 50 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.9V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
17.三相电中等
ABCVL​ = 415 VIL​ = 75 Acos φ = 0.92滞后

一个对称三相负载从线电压为 415 V 的电源取用 75 A 的线电流,功率因数为 0.92(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VIL = 75 Acos φ = 0.92
P = kW
18.三相电困难
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 400 V(线电压)、50 Hz 的电源取用 100 kW,功率因数为 0.8(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.95(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 = 100 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
2 ΩN1​N2​18 Ω

一台输出电阻为 18 Ω 的放大器通过理想变压器驱动一个 2 Ω 的扬声器。为实现最大功率传输,从放大器看扬声器须相当于 18 Ω。求匝数比 a = N₁/N₂。

Rs = 18 ΩRL = 2 Ω
a =
20.变压器困难
25 kVA

一台单相 25 kVA 变压器的铁损为 150 W,额定负载下铜损为 300 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 25 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 300 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −0.7 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = −0.7 VR1 = 10 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 4.7 kΩV1​ = −0.9 VR1​ = 47 kΩV2​ = 0.4 VR2​ = 4.7 kΩIf​

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求流过反馈电阻、流向输出端的电流 If。

V1 = −0.9 VV2 = 0.4 VR1 = 47 kΩR2 = 4.7 kΩRf = 4.7 kΩ
If = mA
23.二极管与晶体管中等
RC​ = 1 kΩβ = 50VCC​ = 9 VRB​ = 100 kΩ

一只 β = 50 的 NPN 晶体管由电源 VCC = 9 V 经基极电阻 RB = 100 kΩ 偏置。集电极电阻为 RC = 1 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 = 100 kΩRC = 1 kΩβ = 50VBE = 0.7 V
VCE = V
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 470 Ωβ = 50IC​ = ?VCC​ = 5 V5 VRB​ = 10 kΩ

一只 β = 50 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 5 V 与其集电极之间的 470 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 = 10 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 = 5 VRC = 470 Ωβ = 50Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 VRB = 10 kΩ
IC = mA
25.数制中等
补码中的位权1−12806413211618141211

8 位模式 1011 1111 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1011 11118 bit
N =
26.数制困难
24 bit1 px512 px512 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 512 × 512 像素,每像素 24 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

512 × 512 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUXCI0​0I1​CI2​1I3​ABS1​S0​F

一个 4 选 1 多路选择器的选择输入为 S₁ = A 和 S₀ = B,数据输入分别接 I₀ = C,I₁ = 0,I₂ = C,I₃ = 1。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = CI₁ = 0I₂ = CI₃ = 1
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKMOD-6

同步模 6 计数器依次计 0, 1, …, 5,然后回到 0。它从 3 开始。经过 19 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 319N = 6
Q =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (6s + 18)/(s² + 10s + 24)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−4t + B·e−6t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (6s + 18)/(s² + 10s + 24)
A =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

用拉普拉斯变换解 y″ + 9y′ + 18y = 0,初始条件 y(0) = −3,y′(0) = 11,并求 y(0.3)。

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = −3y′(0) = 11t = 0.3 s
y(0.3) =
31.方框图中等
R(s)+20K+5s + 4G(s)C(s)4H₁−−

被控对象 G(s) = 5/(s + 4) 带有一个增益为 H₁ = 4 的内部(次级)负反馈回路。控制器增益 K = 20 和一个外部单位负反馈回路构成闭环系统。 求闭环极点 p。

G(s) = 5/(s + 4)H₁ = 4K = 20
p =
32.方框图困难
R(s)+14控制器+D(s)+4s + 5被控对象C(s)−

比例控制器 K = 14 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 4/(s + 5)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 同时施加大小为 10 的参考阶跃和大小为 2 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 14G(s) = 4/(s + 5)D = 2R = 10
css =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1?

某系统的传递函数为 G(s) = 82/(s² + 11s + 82),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 82/(s² + 11s + 82)
%OS = %
34.阶跃响应困难
R(s)+255s(s + 16)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 255/(s(s + 16))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 255/(s(s + 16))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
vin​L = 50 mHC = 0.47 µFR = 10 Ωvout​

在图中所示的串联 RLC 带通滤波器中,输出取自 R = 10 Ω 两端,其中 L = 50 mH,C = 0.47 µF。 求 −3 dB 带宽 BW,单位为 Hz。

R = 10 ΩL = 50 mHC = 0.47 µF
BW = Hz
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 13/(s(s + 1))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 13/(s(s + 1))
ωc = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+K1s(s + 4)(s + 6)C(s)−

图中的回路的开环传递函数为 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReImζ = 0.5−2−4j2j4

已给出 L(s) = K/(s(s + 4)) 的根轨迹。求使闭环极点的阻尼比为 ζ = 0.5 的增益 K。

L(s) = K/(s(s + 4))ζ = 0.5
K =
39.稳态误差与 PID 控制中等
R(s)+K(s + 4)(s + 10)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/((s + 4)(s + 10))。求使阶跃输入的稳态误差为 5 % 的增益 K。

G(s) = K/((s + 4)(s + 10))ess = 5 %
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+20 + Kd​s10s(s + 1)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) = 10/(s(s + 1))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.707 的微分增益 Kd。

G(s) = 10/(s(s + 1))Kp = 20ζ = 0.707
Kd = s

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 16.5 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​3 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 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 6·18/(6+18) = 4.5 Ω
Req = R1 + 4.5 = 12 + 4.5 = 16.5 Ω

答案

Req = 16.5 Ω
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.12 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​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAR4​2 ΩBR6​30 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 + 30 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 1.895 Ω
R3 + 1.895 = 7.895 Ω
R2 ∥ 7.895 = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 12 + 6 = 18 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 = 9/18 = 0.5 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 = 9 − 0.5·12 = 3 V
IR2 = VA/R2 = 3/25 = 0.12 A

答案

IR2 = 0.12 A
3.节点分析

答案: VA = 4.8 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​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​2 A

设定节点

地为底部导线。已知节点电压直接来自电源(V1 = 6 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/5 + (VA − 6)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0.4667·VA − 0.1·VB = 1

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/10 + (VB − VA)/10 = 2
−0.1·VA + 0.2·VB = 2

求解

Δ = (0.4667)(0.2) − (−0.1)(−0.1) = 0.08333
VA = Δ1/Δ = 0.4/0.08333 = 4.8 V
VB = Δ2/Δ = 1.033/0.08333 = 12.4 V

答案

VA = 4.8 V
4.节点分析

答案: IR1 = 2.63 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​ = 4 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩAR5​10 ΩBIs​0.5 A−+V2​6 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 = −6 V)。未知量:VA, VB。

节点 A 的 KCL

经电阻流出 A 的电流等于电源注入 A 的电流。

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/15 + (VA − 30)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0.4167·VA − 0.1·VB = 7.5

节点 B 的 KCL

经电阻流出 B 的电流等于电源注入 B 的电流。

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/10 + (VB − VA)/10 + (VB − (−6))/10 = 0.5
−0.1·VA + 0.3·VB = −0.1

求解

Δ = (0.4167)(0.3) − (−0.1)(−0.1) = 0.115
VA = Δ1/Δ = 2.24/0.115 = 19.48 V
VB = Δ2/Δ = 0.7083/0.115 = 6.159 V

答案

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 19.48)/4 = 2.63 A
5.网孔分析

答案: IR1 = 0.1587 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​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩA+−V2​30 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) = 10
17·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 20·I2 = −30

求解

Δ = (17)(20) − (−5)(−5) = 315
I1 = Δ1/Δ = 50/315 = 0.1587 A
I2 = Δ2/Δ = −460/315 = −1.46 A

答案

IR1 = I1 = 0.1587 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: VR1 = 18.56 V

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​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR4​12 ΩAR5​12 ΩB+−V2​36 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 + 12(I1 − I2) = 30
37·I1 − 12·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
25·I2 + 12(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 49·I2 − 12·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 + 12(I3 − I2) = (−36)
−12·I2 + 24·I3 = −36

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 34728
I1 = Δ1/Δ = 25776/34728 = 0.7422 A
I2 = Δ2/Δ = −7344/34728 = −0.2115 A
I3 = Δ3/Δ = −55764/34728 = −1.606 A

答案

IR1 = I1 = 0.7422 A
VR1 = IR1·R1 = 0.7422·25 = 18.56 V

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: IR1 = 0.9848 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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 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 = 5+3 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·8/(12+8) = 4.8 Ω
VA = 15·4.8/(15+4.8) = 3.636 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.636·3/8 = 1.364 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (15 − 3.636)/15 = 0.7576 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​12 ΩAR4​3 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 = 15·12/(15+12) = 6.667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 11.67 = 2.386 Ω
VB = Is·Req = (−2.5)·2.386 = −5.966 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −5.966·6.667/11.67 = −3.409 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −3.409)/15 = 0.2273 A

叠加各分量

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0.7576 + 0.2273 = 0.9848 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: V2 = 31.5 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​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩA开路B短路

情况 1 · V1 单独作用

V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。

R3 ∥ (R2+R4) = 20 ∥ 33 = 12.45 Ω
VA = 18·12.45/(4+12.45) = 13.62 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13.62·30/33 = 12.39 V
R1​ = 4 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​20 ΩAIs​6 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。 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 ∥ R3 = 3.333 Ω,所以左侧路径为 R2+3.333 = 6.333 Ω
Req = R4 ∥ 6.333 = 5.229 Ω
VB = −Is·Req = −6·5.229 = −31.38 V
VA = VB·3.333/6.333 = −16.51 V

情况 3 · V2 单独作用,按每伏计

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 3.333 Ω
VA‴ = V2·3.333/(30 + 3 + 3.333) = 0.09174·V2

令 VA 为零

VA = 0 时 R₃ 两端没有电压,所以其电流为零。

VA′ + VA″ + VA‴ = 13.62 + (−16.51) + 0.09174·V2 = 0
V2 = 2.89/0.09174 = 31.5 V

答案

V2 = 31.5 V
9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.1034 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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω短路R2​8 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 15 = 19 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​8 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) = 6·8/(8+8) = 3 V
Rth​ = 19 Ω+−Vth​3 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) = 3/(19 + 10) = 0.1034 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.2969 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​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω短路R2​5 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 = 10·5/(10+5) = 3.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.333 + 25 = 28.33 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​5 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) = 1.667 + 0.5·3.333 = 3.333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3.333 + 0.5·25 = 15.83 V
Rth​ = 28.33 Ω+−Vth​15.83 VRL​25 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) = 15.83/(28.33 + 25) = 0.2969 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 4.424 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 = 150 mH / 47 Ω = 3.191 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0.1915 A

求解时间

0.75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)
t = −3.191·ln(0.25) = 4.424 ms

答案

t = 4.424 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 3.027 V

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

电容的初始电压

稳态时电容相当于开路,所以 R₁ 和 R₂ 构成分压器。开关断开时电容电压不能突变。

vC(0) = 20·3.3/(2.2 + 3.3) = 12 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 3.3·22 = 72.6 ms

放电

vC(t) = 12·e−100/72.6 = 3.027 V

答案

vC = 3.027 V
13.交流阻抗和相量

答案: φ = −38.4 °

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

电抗

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.25 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2.2·10⁻⁶) = 361.7 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−47.56)²) = 76.56 Ω

相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−47.56/60) = −38.4°

答案

φ = −38.4°
14.交流阻抗和相量

答案: I = 0.9024 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

ω = 2πf = 2π·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.25 = 157.1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·47·10⁻⁶) = 33.86 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (123.2)²) = 133 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/133 = 0.9024 A

答案

I = 0.9024 A
15.交流功率和功率因数

答案: I = 16.67 A

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。

线路电流

只有有功部分做功,所以要除以功率因数。

I = P/(V·cos φ) = 6000/(400·0.9) = 16.67 A

答案

I = 16.67 A
16.交流功率和功率因数

答案: C = 1234 µF

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 = 50·tan(45.57°) = 51.01 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(25.84°) = 24.22 kvar
QC = Q1 − Q2 = 26.79 kvar

电容

并联在电源两端的电容提供 Q = V²·ωC。

C = QC/(2πf·V²) = 26794/(2π·60·240²) = 1234 µF

答案

C = 1234 µF
17.三相电

答案: P = 49.6 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 = √3·415·75 = 53.91 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 53.91·0.92 = 49.6 kW

答案

P = 49.6 kW
18.三相电

答案: Cph = 838.2 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 = 100·tan(acos 0.8) = 100·0.75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.95) = 100·0.3287 = 32.87 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 42.13 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 = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14044/(314.2·230.9²) = 838.2 µF

答案

Cph = 838.2 µF
19.变压器

答案: a = 3

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。

匹配折算负载

a²·2 = 18
a = √(18/2) = √9 = 3

答案

a = 3
20.变压器

答案: Sη,max = 17.68 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

x²·300 = 150 → x = √(150/300) = 0.7071

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.7071·25 = 17.68 kVA

答案

Sη,max = 17.68 kVA
21.运放电路

答案: Vout = −3.99 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。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = −0.7 V
I = V₋/R1 = −0.7/10 = −0.07 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = −0.7 + (−0.07)·47 = −3.99 V

答案

Vout = −3.99 V
22.运放电路

答案: If = 0.06596 mA

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 = −0.9/47 = −0.01915 mA
I2 = V2/R2 = 0.4/4.7 = 0.08511 mA
If = I1 + I2 = 0.06596 mA

答案

If = 0.06596 mA
23.二极管与晶体管

答案: VCE = 4.85 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)/100 kΩ = 83 µA

集电极电流

IC = β·IB = 50·83 µA = 4.15 mA

集电极–发射极电压

VCE = 9 − 4.15 mA·1 kΩ = 4.85 V

答案

VCE = 4.85 V
24.二极管与晶体管

答案: IC = 10.21 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)/10 kΩ = 430 µA

饱和还是放大?

β·IB 大于 IC(sat),所以晶体管饱和。

β·IB = 21.5 mA
IC(sat) = (5 − 0.2)/470 = 10.21 mA

集电极电流

IC = IC(sat) = 10.21 mA

答案

IC = 10.21 mA

晶体管处于饱和状态。

25.数制

答案: N = −65

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。

−128 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = −65

答案

N = −65
26.数制

答案: M = 768 KiB

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。

位和字节

512·512·24 = 6291456 bit = 786432 B

换算为 KiB

786432/1024 = 768 KiB

答案

M = 768 KiB
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

多路选择器:2ⁿ 选 1 多路选择器把其数据输入之一传到输出;选择线按二进制数读取,决定选哪一个。对于选择端 S₁S₀ = AB 的 4 选 1 MUX,F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃。把数据输入接到 0、1、C 或 C′,可使 MUX 产生 A、B、C 的任意函数,这是用一块芯片实现逻辑的常用方法。

输出表达式

F = A′B′C + AB′C + AB

F = 1 的行

ABC = 001, 101, 110, 111
N = 4

答案

N = 4
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 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。

完整循环

每 6 个脉冲使计数器回到相同的状态。

19 = 3·6 + 1

剩余脉冲之后的计数

Q = (3 + 1) mod 6 = 4
Q = 100₂

答案

Q = 4
29.拉普拉斯变换

答案: A = −3

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

分解分母

s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 6)

遮盖法

乘以 (s + 4) 并令 s = −4:B 项消失。

A = (6s + 18)/(s + 6) |s = −4 = −6/2 = −3

答案

A = −3
(B = 9,所以 f(t) = −3·e−4t + 9·e−6t)
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.3) = −1.059

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 − (−3)s − 11 + 9(sY − (−3)) + 18Y = 0
Y(s) = (−3s − 16)/((s + 3)(s + 6))

部分分式

A = −7/3 = −2.333
B = 2/(−3) = −0.6667

结果

y(t) = −2.333·e−3t − 0.6667·e−6t
y(0.3) = −1.059

答案

y(0.3) = −1.059

检验:y(0) = A + B = −3。

31.方框图

答案: p = −124

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) = 5/(s + 4 + 5·4) = 5/(s + 24)

外环

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 100/(s + 24 + 100) = 100/(s + 124)

结果

p = −124

答案

p = −124
32.方框图

答案: css = 9.311

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) = 4/(s + 5 + 56)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 56/(s + 5 + 56)

稳态

css = 10·56/61 + 2·4/61 = 9.311

答案

css = 9.311

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 = 9.054 %

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 = 82 → ωₙ = 9.055 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9.055) = 0.6074

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.402 = 9.054 %

答案

%OS = 9.054 %
34.阶跃响应

答案: ts = 0.5 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)。

闭环传递函数

T(s) = 255/(s² + 16s + 255): ωₙ = 15.97 rad/s, ζ = 0.501

调节时间

ζωₙ = 16/2 = 8
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0.5 s

答案

ts = 0.5 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

35.伯德图与裕度

答案: BW = 31.83 Hz

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。

谐振频率

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·4.7 × 10⁻⁷) = 6523 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1038 Hz

带宽

BW = R/L = 10/0.05 = 200 rad/s = 31.83 Hz

答案

BW = 31.83 Hz
36.伯德图与裕度

答案: ωc = 3.537 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。

增益穿越

ω⁴ + 1ω² − 169 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·169))/2 = 12.51
ωc = 3.537 rad/s

答案

ωc = 3.537 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 240

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。

特征方程

s³ + 10s² + 24s + K = 0

劳斯阵列

s³: 1, 24
s²: 10, K
s¹: (10·24 − K)/10
s⁰: K

条件

第一列的每个元素都必须为正。

K > 0
10·24 − K > 0 → K < 240

答案

Kmax = 240

当 K = 240 时,闭环以 ω = √24 = 4.899 rad/s 振荡。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: K = 16

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 + 4s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.5·ωₙ = 4 → ωₙ = 4 rad/s

增益

K = ωₙ² = 4² = 16

答案

K = 16

闭环极点位于 ζ 线与 s = −2 处垂直分支的交点。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 760

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) = 0.05 → Kp = 19

增益

K/40 = 19 → K = 760

答案

K = 760

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 = 1.9 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) + 10(20 + Kds) = s² + (1 + 10Kd)s + 200

固有频率

ωₙ = √200 = 14.14 rad/s

微分增益

1 + 10Kd = 2·0.707·14.14 = 20
Kd = 1.9 s

答案

Kd = 1.9 s

微分项增加阻尼,而不改变 ωₙ。

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