n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.
Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Тренировочные задачи
1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR2 через R2.
V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,1·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.
Vs = 10 VR = 22 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 3 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 6,6 V? Найдите t.
Vs = 15 VR = 2,2 kΩC = 33 µFvC(0) = 3 V
t = ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.
V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 100 µF
cos φ =
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур имеет R = 15 Ω, L = 10 mH и C = 1 µF. Найдите его полосу пропускания B (ширину полосы между частотами половинной мощности) в Hz.
R = 15 ΩL = 10 mHC = 1 µF
B = Hz
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Нагрузка с полным сопротивлением Z = 5 + j12 Ω подключена к однофазной сети 240 V (действующее значение). Найдите полную мощность S.
V = 240 VZ = 5 + j12 Ω
S = VA
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 230 V (действующее значение), 60 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 8 + j30 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.
Vs = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 8 + j30 Ω
Pmax = W
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 15 kW. При этой нагрузке его КПД равен 88%, а коэффициент мощности 0,88 (отстающий). Линейное напряжение сети 480 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 15 kWη = 88%cos φ = 0,88VL = 480 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 20:1 приложено 4600 V. К вторичной обмотке подключён резистор 30 Ω. Найдите первичный ток I1.
N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 25 kVA имеет потери в стали 75 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,95 (отстающий) его КПД равен 96%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.
S = 25 kVAPcore = 75 Wpf = 0,95η = 96%
Pcu,fl = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,3 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.
V1 = 1,9 VV2 = 0,3 VR1 = 1 kΩR2 = 47 kΩRf = 2 kΩ
If = mA
23.Диоды и транзисторыСредняя
Стабилизатор на стабилитроне 5,1 V питается от 20 V через 330 Ω и питает нагрузку 1500 Ω. Найдите ток стабилитрона IZ.
Vin = 20 VVZ = 5,1 VR = 330 ΩRL = 1500 Ω
IZ = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
NPN-транзистор с β = 80 коммутирует нагрузочный резистор 470 Ω, включённый между VCC = 9 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы RB. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Для надёжного переключения рассчитайте ток базы в 10 раз больше минимального, нужного для насыщения. Найдите RB в kΩ.
8-битная комбинация 1011 1111 хранит целое число со знаком в дополнительном коде. Каково его значение N в десятичной системе?
1011 11118 bit
N =
26.Системы счисленияСложная
Какое наименьшее (самое отрицательное) целое число N можно записать в 12-битном дополнительном коде?
12 bit
N =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
Упростите F = A′B′C + B′C′ + ABC до минимальной формы «сумма произведений». Сколько литералов, L, содержит упрощённое выражение?
F = A′B′C + B′C′ + ABC
L =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер JK, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы. Нажмите на первый фронт тактового сигнала, на котором Q возвращается из 1 в 0.
Q₀ = 0JK
1фронт тактового сигнала 1
2фронт тактового сигнала 2
3фронт тактового сигнала 3
4фронт тактового сигнала 4
5фронт тактового сигнала 5
6фронт тактового сигнала 6
7фронт тактового сигнала 7
8фронт тактового сигнала 8
29.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 30/(s(s + 5)(s + 6)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,25).
F(s) = 30/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 8y′ + 15y = 45·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 10 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,3).
У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 9(s + 4)/((s + 6)(s + 8)). На задающее воздействие подаётся ступенька величиной 5. Найдите установившуюся ошибку ess.
G(s) = 9(s + 4)/((s + 6)(s + 8))R = 5
ess =
32.Структурные схемыСложная
Пропорциональный регулятор K = 11 управляет объектом G(s) = 2/(s + 6) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Возмущение D действует на входе объекта (прибавляется к выходу регулятора). Одновременно подаются ступенька задания величиной 1 и ступенька возмущения величиной 5. Найдите установившийся выход css.
K = 11G(s) = 2/(s + 6)D = 5R = 1
css =
33.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 34/(s² + 4s + 17) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 34/(s² + 4s + 17)
ts = s
34.Переходная характеристикаСложная
Переходная характеристика системы второго порядка без нулей показывает перерегулирование 4,3 %, а первый пик наступает при t = 1,5 s. Найдите собственную частоту ωn.
%OS = 4,3 %tp = 1,5 s
ωn = rad/s
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 960/((s + 5)(s + 16)) при ω = 20 rad/s в dB.
G(s) = 960/((s + 5)(s + 16))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 10 dB.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))GM = 10 dB
K =
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10)). Коэффициент усиления повышают до тех пор, пока замкнутая система не окажется на границе устойчивости. Найдите частоту ω незатухающих колебаний.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))
ω = rad/s
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Показан корневой годограф L(s) = K/((s + 5)(s + 7)). Найдите коэффициент усиления K в точке отрыва sb, где два полюса замкнутой системы встречаются на вещественной оси.
L(s) = K/((s + 5)(s + 7))
K =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Процесс G(s) = 4/(1s + 1) управляется пропорциональным коэффициентом усиления K = 2 в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess по ступеньке в процентах от величины ступеньки.
G(s) = 4/(1s + 1)K = 2
ess = %
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
ПД-регулятор C(s) = 4 + Kd·s управляет объектом G(s) = 4/(s(s + 1)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите дифференциальный коэффициент Kd, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,707.
G(s) = 4/(s(s + 1))Kp = 4ζ = 0,707
Kd = s
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,3723 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 10 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 12·14/(12+14) = 6,462 Ω
Req = R1 + 6,462 = 8 + 6,462 = 14,46 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/14,46 = 0,6915 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,6915·8 = 4,468 V
IR2 = VA/R2 = 4,468/12 = 0,3723 A
Ответ
IR2 = 0,3723 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,471 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 8 + 5 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 5,652 Ω
R3 + 5,652 = 20,65 Ω
R2 ∥ 20,65 = 6,738 Ω
Req = R1 + 6,738 = 6 + 6,738 = 12,74 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/12,74 = 0,471 A
Ответ
IR1 = 0,471 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 2,143 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/15 = 0
0,4417·VA − 0,06667·VB = 3,75
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники направляют в A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,3·VA − 0,125·VB = 2,25
ЗТК в узле B
Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,1·VA
−0,225·VA + 0,325·VB = 0
Решите
Δ = (0,3)(0,325) − (−0,125)(−0,225) = 0,06938
VA = Δ1/Δ = 0,7313/0,06938 = 10,54 V
VB = Δ2/Δ = 0,5062/0,06938 = 7,297 V
Ток через R₄
IR4 = VB/R4 = 7,297/5 = 1,459 A
Ответ
IR4 = 1,459 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,9692 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 10(I1 − I2) = 24
20·I1 − 10·I2 = 24
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 18·I2 = −18
Решите
Δ = (20)(18) − (−10)(−10) = 260
I1 = Δ1/Δ = 252/260 = 0,9692 A
I2 = Δ2/Δ = −120/260 = −0,4615 A
Ответ
I1 = 0,9692 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,1768 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
5·I1 + 4(I1 − I2) = 6
9·I1 − 4·I2 = 6
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 4(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 49·I2 − 20·I3 = 0
ЗНК для контура 3
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
30·I3 + 20(I3 − I2) = (−24)
−20·I2 + 50·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 17650
I1 = Δ1/Δ = 10380/17650 = 0,5881 A
I2 = Δ2/Δ = −3120/17650 = −0,1768 A
I3 = Δ3/Δ = −9720/17650 = −0,5507 A
Ответ
I2 = −0,1768 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR2 = 1,099 A
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 12+2 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·14/(6+14) = 4,2 Ω
VA = 18·4,2/(10+4,2) = 5,324 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,324·2/14 = 0,7606 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (5,324 − 0)/6 = 0,8873 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 15,75 = 1,775 Ω
VB = Is·Req = 3·1,775 = 5,324 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5,324·3,75/15,75 = 1,268 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (1,268 − 0)/6 = 0,2113 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,8873 + 0,2113 = 1,099 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = 15,18 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 4 ∥ 28 = 3,5 Ω
VA = 6·3,5/(30+3,5) = 0,6269 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,6269·20/28 = 0,4478 V
VR3′ = VA − 0 = 0,6269 − 0 = 0,6269 V
Случай 2 · действует только Is
Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 3,529 Ω, поэтому левый путь — R2+3,529 = 11,53 Ω
Req = R4 ∥ 11,53 = 7,313 Ω
VB = Is·Req = 5·7,313 = 36,57 V
VA = VB·3,529/11,53 = 11,19 V
VR3″ = VA − 0 = 11,19 − 0 = 11,19 V
Случай 3 · действует только V2
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·11,53/31,53 = 10,97 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,97·3,529/11,53 = 3,358 V
VR3‴ = VA − 0 = 3,358 − 0 = 3,358 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 0,6269 + 11,19 + 3,358 = 15,18 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,3 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 2 = 5,333 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·10/(5+10) = 4 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 4/(5,333 + 8) = 0,3 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 30,38 W
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 25 = 28,33 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5 + 2·3,333 = 11,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,67 + 2·25 = 61,67 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 61,67/(28,33 + 15) = 1,423 A
PL = IL²·RL = 1,423²·15 = 30,38 W
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 1,108 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 10 mH / 22 Ω = 0,4545 ms
i(∞) = Vs/R = 10/22 = 0,4545 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−1/0,4545 = 1,108 V
Ответ
vL = 1,108 V
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 25,89 ms
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
t = τ·ln((3 − 15)/(6,6 − 15)) = 72,6·ln(1,429) = 25,89 ms
Ответ
t = 25,89 ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: cos φ = 0,7872
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивные сопротивления
XL = 94,25 Ω, XC = 15,92 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(100² + (78,33)²) = 127 Ω
Коэффициент мощности
cos φ = R/|Z| = 100/127 = 0,7872
Цепь индуктивная, поэтому коэффициент мощности отстающий.
Ответ
cos φ = 0,7872
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: B = 238,7 Hz
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Резонансная частота
f0 = 1/(2π·√(0,01·1·10⁻⁶)) = 1592 Hz
Добротность
Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: S = 4431 VA
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Ток
|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 240/13 = 18,46 A
Полная мощность
S = V·I = 240·18,46 = 4431 VA
Ответ
S = 4431 VA
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Pmax = 1653 W
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Сопряжённое согласование
Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.
ZL = Zs* = 8 − j30 Ω
Наибольшая мощность
I = Vs/(2Rs) = 230/16 = 14,38 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·8) = 1653 W
Ответ
Pmax = 1653 W
17.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 23,3 A
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Потребляемая электрическая мощность
Pin = Pout/η = 15/0,88 = 17,05 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 17045/(√3·480·0,88) = 23,3 A
Ответ
IL = 23,3 A
18.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 90,26 µF
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.
Q1 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,92) = 150·0,426 = 63,9 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 48,6 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16200/(377·690²) = 90,26 µF
Ответ
Cph = 90,26 µF
19.Трансформаторы
Ответ: I1 = 0,3833 A
Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.
Вторичные напряжение и ток
V2 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/30 = 7,667 A
Первичный ток
Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 0,3833 A
Ответ
I1 = 0,3833 A
Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 12000 Ω, и 4600/12000 даёт тот же ток.
20.Трансформаторы
Ответ: Pcu,fl = 914,6 W
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.
Выходная и потребляемая мощность
Pout = 25·0,95 = 23,75 kW
Pin = 23750/0,96 = 24740 W
Суммарные потери и потери в меди
Ploss = 24740 − 23750 = 989,6 W
Pcu,fl = 989,6 − 75 = 914,6 W
Ответ
Pcu,fl = 914,6 W
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 1,664 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 0,3 V
I = V₋/R1 = 0,3/22 = 0,01364 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,3 + 0,01364·100 = 1,664 V
Ответ
Vout = 1,664 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = 1,906 mA
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 1,9/1 = 1,9 mA
I2 = V2/R2 = 0,3/47 = 0,006383 mA
If = I1 + I2 = 1,906 mA
Ответ
If = 1,906 mA
23.Диоды и транзисторы
Ответ: IZ = 41,75 mA
Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.
Ток резистора
IR = 14,9/330 = 45,15 mA
Ток нагрузки
IL = 5,1/1500 = 3,4 mA
Ток стабилитрона
IZ = 45,15 − 3,4 = 41,75 mA
Ответ
IZ = 41,75 mA
24.Диоды и транзисторы
Ответ: RB = 1,837 kΩ
Биполярный транзистор как ключ: чтобы полностью включить нагрузку, транзистор вводят в насыщение, где VCE = VCE(sat), а ток коллектора определяется нагрузкой: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насыщения нужен ток базы не менее IB = IC(sat)/β. Если ток базы меньше, транзистор остаётся в активном режиме, и IC = β·IB.
Ток коллектора в насыщении
IC(sat) = (9 − 0,2)/470 = 18,72 mA
Минимальный ток базы
IB(min) = IC(sat)/β = 18,72/80 = 234 µA
Расчётный ток базы
IB = 10·234 µA = 2340 µA
Резистор базы
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/2,34 mA = 1,837 kΩ
Ответ
RB = 1,837 kΩ
25.Системы счисления
Ответ: N = −65
Позиционные системы счисления: каждая цифра стоит своего значения, умноженного на степень основания. В двоичной системе разряды стоят 1, 2, 4, 8, 16, …, в шестнадцатеричной 1, 16, 256, …, а A–F обозначают 10–15. В 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128 вместо +128; так хранятся отрицательные числа.
Сложите веса
Остальные биты сохраняют свои обычные положительные веса.
−128 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = −65
Ответ
N = −65
26.Системы счисления
Ответ: N = −2048
Позиционные системы счисления: каждая цифра стоит своего значения, умноженного на степень основания. В двоичной системе разряды стоят 1, 2, 4, 8, 16, …, в шестнадцатеричной 1, 16, 256, …, а A–F обозначают 10–15. В 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128 вместо +128; так хранятся отрицательные числа.
Самое отрицательное значение
−211 = −2048
Ответ
N = −2048
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: L = 7
Булева алгебра: правила, упрощающие выражения: X + X′ = 1 и X·X′ = 0, X + X = X, поглощение X + X·Y = X, правило склеивания X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y и теорема о консенсусе XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Законы де Моргана превращают (X·Y)′ в X′ + Y′ и (X + Y)′ в X′·Y′. Карта Карно применяет эти правила графически: каждая группа из двух соседних клеток — это одно применение XY + XY′ = X.
Минтермы выражения
A′B′C → m(1)
B′C′ → m(0, 4)
ABC → m(7)
Сгруппируйте и прочитайте
F = B′C′ + A′B′ + ABC
Посчитайте литералы
L = 7
Ответ
L = 7
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: фронт тактового сигнала 3
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Простые дроби
F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 30/(5·6) = 1
B = 30/((−5)·1) = −6
C = 30/((−6)·(−1)) = 5
Обратное преобразование
f(t) = 1 − 6·e−5t + 5·e−6t
Вычислите
f(0,25) = 1 − 6·e−5·0,25 + 5·e−6·0,25 = 0,3966
Ответ
f(0,25) = 0,3966
30.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.3) = 9,548
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование уравнения
Y(s) = 450/(s(s + 3)(s + 5))
Простые дроби
A = 450/(3·5) = 30
B = 450/((−3)·2) = −75
C = 450/((−5)·(−2)) = 45
Выделение
y(t) = 30 − 75·e−3t + 45·e−5t
y(0,3) = 9,548
Ответ
y(0,3) = 9,548
31.Структурные схемы
Ответ: ess = 2,857
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Коэффициент ошибки по положению
Kₚ = G(0) = 9·4/(6·8) = 0,75
Установившаяся ошибка
ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 0,75) = 2,857
Ответ
ess = 2,857
32.Структурные схемы
Ответ: css = 1,143
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Передаточные функции
C/D = G/(1 + K·G) = 2/(s + 6 + 22)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 22/(s + 6 + 22)
Установившийся режим
css = 1·22/28 + 5·2/28 = 1,143
Ответ
css = 1,143
Больший K ослабляет влияние возмущения, но с пропорциональным регулятором никогда не обращает его в нуль.
33.Переходная характеристика
Ответ: ts = 2 s
Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).
Сравните со стандартной формой
Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,123) = 0,4851
Результат
ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s
Ответ
ts = 2 s
34.Переходная характеристика
Ответ: ωn = 2,964 rad/s
Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.
Таблица Рауса
s³ + 11s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 11, K
s¹: (11·10 − K)/11
s⁰: K
Критический коэффициент усиления
K = 11·10 = 110
Вспомогательное уравнение
При критическом коэффициенте усиления строка s¹ равна нулю; строка s² даёт полюса на мнимой оси.
11s² + 110 = 0 → s = ±j√10
ω = 3,162 rad/s
Ответ
ω = 3,162 rad/s
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: K = 1
Корневой годограф: при изменении коэффициента усиления K от 0 до ∞ полюса замкнутой системы, то есть корни уравнения 1 + K·G(s) = 0, перемещаются от полюсов разомкнутой системы к её нулям или в бесконечность. Точка на вещественной оси принадлежит годографу, если число вещественных полюсов и нулей правее неё нечётно. Ветви, уходящие в бесконечность (их n − m), идут вдоль асимптот под углами (2q + 1)·180°/(n − m), выходящих из центра асимптот σₐ = (Σ полюсов − Σ нулей)/(n − m). Ветви покидают вещественную ось или возвращаются на неё там, где dK/ds = 0. Условие по углу ∠G(s) = 180° определяет форму годографа, а условие по модулю K = 1/|G(s)| даёт коэффициент усиления в любой точке годографа.
Точка отрыва
Для K = −(s + 5)(s + 7) равенство dK/ds = 0 даёт 2s + 12 = 0.
sb = −6
Условие по модулю
K = |−6 + 5|·|−6 + 7| = 1·1 = 1
Ответ
K = 1
При этом коэффициенте усиления замкнутая система критически демпфирована (ζ = 1).
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 11,11 %
Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.
Коэффициент позиционной ошибки
Kp = 2·4 = 8
Ошибка по ступеньке
ess = 100/(1 + 8) = 11,11 %
Ответ
ess = 11,11 %
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: Kd = 1,164 s
П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).
Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование, не меняя ωₙ.
Это независимый учебный материал. ExamProblems не связан с организацией, проводящей этот экзамен, и не одобрен ею; название экзамена используется только для описания содержания. Экзамен FE exam проводит NCEES; эта организация не связана с ExamProblems и не поддерживает его.