Подготовка к экзамену FE Electrical and Computer: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (40) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов
Req = R1 + R2 + …
Параллельное соединение резисторов
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два параллельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Мощность
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
  2. Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. После каждого шага перерисовывайте схему.
  4. Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Метод узловых потенциалов

Закон токов Кирхгофа
ΣIin = ΣIout
Ток ветви
I = (Va − Vb)/R
Опорный узел
Vground = 0

Метод

  1. Выберите опорный узел (землю) и обозначьте потенциалы остальных узлов.
  2. Запишите первый закон Кирхгофа для каждого неизвестного узла: сумма токов, вытекающих по ветвям, равна сумме втекающих.
  3. Выразите ток каждой ветви как (Va − Vb)/R.
  4. Решите систему уравнений, затем найдите нужные токи.

Метод контурных токов

Закон напряжений Кирхгофа
ΣV = 0 в каждом контуре
Общий резистор
ток = I1 − I2
Источник тока в контуре
задаёт ток этого контура

Метод

  1. Нарисуйте в каждом контуре (ячейке) схемы контурный ток по часовой стрелке.
  2. Примените второй закон Кирхгофа к каждому контуру: сумма падений напряжения равна нулю.
  3. В резисторе, общем для двух контуров, ток равен разности двух контурных токов.
  4. Решите уравнения; отрицательный результат означает, что ток течёт в обратную сторону.

Метод наложения

Метод наложения
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Отключённый источник напряжения
короткое замыкание (0 V)
Отключённый источник тока
разрыв (0 A)
Делитель напряжения
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Делитель тока
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Метод

  1. Посчитайте независимые источники. Для каждого источника вы решите одну более простую схему.
  2. Оставьте один источник, а остальные отключите: источник напряжения заменяется коротким замыканием (проводом), источник тока — разрывом цепи.
  3. Найдите в упрощённой схеме нужное напряжение или ток, следя за направлением.
  4. Повторите для каждого источника, затем сложите вклады с учётом знаков.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
  2. Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
  3. Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
  4. Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
  5. Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
  2. Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
  3. Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
  4. Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Полные сопротивления
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Угловая частота
ω = 2πf
Модуль и угол
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексной форме
V = I·Z

Метод

  1. Переведите частоту: ω = 2πf.
  2. Найдите каждое реактивное сопротивление: XL = ωL и XC = 1/(ωC).
  3. Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
  4. Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Активная мощность
P = V·I·cos φ
Реактивная мощность
Q = V·I·sin φ
Полная мощность
S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности
pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трёхфазная мощность

Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/η

Трансформаторы

Коэффициент трансформации
a = N1/N2 = V1/V2
Отношение токов
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Номинальный ток
I = S/V
Приведённое сопротивление
Z1′ = a²·ZL
Потери в меди при неполной нагрузке
Pcu = x²·Pcu,fl
КПД
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Максимальный КПД
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неинвертирующий усилитель
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Суммирующий усилитель
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Идеальный ОУ
V+ = V−, Iin = 0

Диоды и транзисторы

Диод (постоянное падение напряжения)
VD = 0,7 V when conducting
Активный режим
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Фиксированное смещение
IB = (VCC − 0,7)/RB
Смещение делителем напряжения
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Контур коллектора
VCE = VCC − ICRC − IERE
Насыщение
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Системы счисления

Веса разрядов
двоичная 2k, восьмеричная 8k, шестнадцатеричная 16k
В десятичную
Σ dk·bk
Из десятичной
делите на основание, остатки читайте снизу вверх
Шестнадцатеричная ↔ двоичная
одна шестнадцатеричная цифра = 4 бита
Дополнительный код
инвертируйте биты и прибавьте 1

Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Основные вентили
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевой алгебры
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Законы де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карте Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Группа из 2ᵏ клеток
теряет k переменных
Мультиплексор 4 в 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Триггеры
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Счётчики
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

  1. Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
  2. Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
  3. 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.
  4. 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
таблица Рауса, элемент s¹ кубического полинома
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Корни в правой полуплоскости
число смен знака в первом столбце
Кубический полином s³ + a₂s² + a₁s + a₀
устойчив, когда все a > 0 и a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Характеристическое уравнение
1 + K·G(s) = 0
Асимптоты
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Точки отрыва и входа
dK/ds = 0
Условие по модулю
K = 1/|G(s)|
Угол выхода
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Метод

  1. Запишите характеристический полином замкнутой системы: знаменатель уравнения 1 + K·G(s) = 0 после раскрытия скобок.
  2. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
  3. 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.
  4. 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

  1. Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
  2. Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
  3. Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
  4. 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
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​10 ΩBR6​5 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 ΩR5 = 8 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBIs​3 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​5 ΩIR4​B0,1·VA​

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.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ωg = 0,1 A/V
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 10 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR4​4 ΩAR5​20 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 6 VV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩR4 = 4 ΩR5 = 20 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩIR2​AR4​2 ΩBIs​3 A

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.

V1 = 18 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​4 Ω+−VR3​AIs​5 AB+−V2​30 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.

V1 = 6 VIs = 5 AV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩARL​8 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​2 ABRL​15 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 15 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩRL = 15 Ω
PL = W
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 22 ΩL10 mHi(t)

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
+−Vs​15 Vt = 0R = 2,2 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

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
120 V100 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

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
VfR = 15 ΩL = 10 mHC = 1 µF

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
240 VZ5 + j12 ΩI

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
230 V60 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

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
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M15 kW, η = 88%cos φ = 0,88

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
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

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
RL​ = 30 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

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
pf 0,9525 kVA, η = 96%

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
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 0,3 V

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
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = 1,9 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,3 VR2​ = 47 kΩIf​

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
+−20 V330 Ω5,1 V1500 ΩIZ​ = ?

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
RC​ = 470 Ωβ = 80VCC​ = 9 V5 VRB​ = ?

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.

VCC = 9 VRC = 470 Ωβ = 80Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vкоэффициент запаса = 10
RB = kΩ
25.Системы счисленияСредняя
веса разрядов в дополнительном коде1−12806413211618141211

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
12-битный дополнительный код, N = ??знак???????????

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
ABC000111100101324576

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
CLKJK12345678

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
  1. 1фронт тактового сигнала 1
  2. 2фронт тактового сигнала 2
  3. 3фронт тактового сигнала 3
  4. 4фронт тактового сигнала 4
  5. 5фронт тактового сигнала 5
  6. 6фронт тактового сигнала 6
  7. 7фронт тактового сигнала 7
  8. 8фронт тактового сигнала 8
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

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
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

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).

y″ + 8y′ + 15y = 45·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+9(s + 4)(s + 6)(s + 8)G(s)C(s)−

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
R(s)+11регулятор+D(s)+2s + 6объектC(s)−

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
t (s)y(t)2ts​ = ?

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
t (s)y(t)1tp​ = 1,5 s4,3 %

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
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 20

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
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

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
R(s)+K1s(s + 1)(s + 10)C(s)−

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
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2sb​

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
R(s)+K = 241s + 1C(s)−

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
R(s)+4 + Kd​s4s(s + 1)C(s)−

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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​4 ΩB

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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​10 ΩBR6​5 Ω

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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBIs​3 A

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.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/15 = 3
−0,06667·VA + 0,1333·VB = 3

Решите

Δ = (0,4417)(0,1333) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,05444
VA = Δ1/Δ = 0,7/0,05444 = 12,86 V
VB = Δ2/Δ = 1,575/0,05444 = 28,93 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 12,86)/8 = 2,143 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 1,459 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.

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.

R1​ = 10 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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.

R1​ = 5 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR4​4 ΩAR5​20 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBОБРЫВ

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
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​6 ΩAR4​2 ΩBIs​3 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.

R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩAОБРЫВBКЗ

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
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​4 ΩAIs​5 ABКЗ

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
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 20 ΩКЗR3​4 ΩAОБРЫВB+−V2​30 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​10 ΩAabRth​

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
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAab+−Vth​

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
Rth​ = 5,333 Ω+−Vth​4 VRL​8 ΩIL​

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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​20 ΩAОБРЫВBabRth​

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
R1​ = 4 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

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
Rth​ = 28,33 Ω+−Vth​61,67 VRL​15 ΩIL​

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.

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 33 µF = 72,6 ms
vC(t) = 15 + (3 − 15)·e−t/τ

Выразите время

6,6 = 15 + (−12)·e−t/τ → e−t/τ = (6,6 − 15)/(3 − 15) = 0,7
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.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,01/(1·10⁻⁶)) = 6,667

Полоса пропускания

B = f0/Q = 1592/6,667 = 238,7 Hz

Ответ

B = 238,7 Hz
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)
ABC00011110011011030214051706

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.

Q после каждого фронта

JK-триггер: 00 сохраняет, 01 сбрасывает (Q = 0), 10 устанавливает (Q = 1), 11 переключает.

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

Первое изменение с 1 на 0

фронт тактового сигнала 3

Ответ

фронт тактового сигнала 3
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.25) = 0,3966

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).

Коэффициент демпфирования

ζ = −ln(0,043)/√(π² + ln²(0,043)) = 3,147/√(9,87 + 9,901) = 0,7077

Собственная частота

ωd = π/tp = π/1,5 = 2,094 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 2,094/0,7065 = 2,964 rad/s

Ответ

ωn = 2,964 rad/s
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |G(jω)| = 5,192 dB

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.

Перемножьте модули

|G(j20)| = 960/(√(20² + 5²)·√(20² + 16²)) = 960/(20,62·25,61) = 1,818

Результат

20·log₁₀(1,818) = 5,192 dB

Ответ

|G(jω)| = 5,192 dB
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: K = 9,487

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.

Частота перехода фазы

(ω/1)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 25)) = K/(1·5·(1 + 5)) = K/30

Требуемое усиление

30/K = 1010/20 = 3,162
K = 30/3,162 = 9,487

Ответ

K = 9,487
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: ω = 3,162 rad/s

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).

Характеристический полином

s(s + 1) + 4(4 + Kds) = s² + (1 + 4Kd)s + 16

Собственная частота

ωₙ = √16 = 4 rad/s

Коэффициент усиления дифференциальной составляющей

1 + 4Kd = 2·0,707·4 = 5,656
Kd = 1,164 s

Ответ

Kd = 1,164 s

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.

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