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​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩIR2​AR4​15 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​5 ΩBR6​2 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​4 A

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

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R4​ = 4 Ω+−V1​15 VR3​25 ΩAR5​12 ΩBIs​2 A+−V2​15 V

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

V1 = 15 VIs = 2 AV2 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩR4 = 4 ΩR5 = 12 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 4 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩIR3​A+−V2​24 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 10 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBIs​2 A

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

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​25 ΩIR3​AIs​3 AB−+V2​6 V

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR3, потребляемую R3.

V1 = 10 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 Ω
PR3 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAIs​0,5 ABRL​3 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 30 VIs = 0,5 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩRL = 3 Ω
PL = W
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.

Vs = 5 VR = 10 ΩL = 33 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 2 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.

Vs = 15 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 2 Vt = 150 ms
vC = V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V50 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
φ = °
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
12 V500 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF
I = A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 6 kWQSφ

Однофазный двигатель потребляет 6 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите ток линии I.

P = 6 kWpf = 0,85V = 230 V
I = A
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 5 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 400 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,9. Найдите реактивную мощность QC, которую должен поставлять конденсатор.

P = 5 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VIL​ = 50 Acos φ = 0,85отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 50 A от сети с линейным напряжением 415 V. Коэффициент мощности 0,85 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 415 VIL = 50 Acos φ = 0,85
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
8 ΩN1​N2​32 Ω

Усилитель с выходным сопротивлением 32 Ω питает громкоговоритель 8 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 32 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.

Rs = 32 ΩRL = 8 Ω
a =
20.ТрансформаторыСложная
pf 0,95150 kVA, η = 98,5%

Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 1200 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,95 (отстающий) его КПД равен 98,5%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 150 kVAPcore = 1200 Wpf = 0,95η = 98,5%
Pcu,fl = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 15.

R1 = 4,7 kΩAv = 15
Rf = kΩ
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 2 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,8 VR2​ = 22 kΩIf​

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.

V1 = 2 VV2 = 0,8 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
23.Диоды и транзисторыСредняя
+−18 V150 Ω6,2 V3300 ΩIZ​ = ?

Стабилизатор на стабилитроне 6,2 V питается от 18 V через 150 Ω и питает нагрузку 3300 Ω. Найдите ток стабилитрона IZ.

Vin = 18 VVZ = 6,2 VR = 150 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
RC​ = 470 Ωβ = 200VCC​ = 12 V5 VRB​ = ?

NPN-транзистор с β = 200 коммутирует нагрузочный резистор 470 Ω, включённый между VCC = 12 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 5 раз больше минимального, нужного для насыщения. Найдите RB в kΩ.

VCC = 12 VRC = 470 Ωβ = 200Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vкоэффициент запаса = 5
RB = kΩ
25.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код?−128?64?32?16?8?4?2?1

Запишите −15 как 8-битную комбинацию в дополнительном коде. Прочитайте комбинацию как беззнаковое двоичное число: каково его значение U в десятичной системе?

N = −158 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
4446 кодов, b = ? бит?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Система должна присвоить каждому из 4446 элементов собственный двоичный код одинаковой длины. Какое наименьшее число битов b нужно?

4446
b = bit
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABC00011110010001131204051706

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «произведение сумм» (POS) для F(A, B, C) = Σm(2, 3, 7). Сколько членов-сумм (множителей), N, в ней?

F(A, B, C) = Σm(2, 3, 7)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-12

Синхронный счётчик по модулю 12 считает 0, 1, …, 11, а затем возвращается к 0. Он начинает с 10. Какое значение Q (в десятичном виде) он покажет после 35 тактовых импульсов?

Q0 = 1035N = 12
Q =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,8f(0,8) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 6)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,8).

F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 6))t = 0,8 s
f(0.8) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Решите y″ + 6y′ + 8y = 0 при y(0) = 10 и y′(0) = 11 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,4).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 10y′(0) = 11t = 0,4 s
y(0.4) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+4s + 4G(s)C(s)2H−

Объект G(s) = 4/(s + 4) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 2. На R подаётся ступенька величиной 5. Найдите установившееся значение выхода css.

G(s) = 4/(s + 4)H = 2R = 5
css =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+Kрегулятор+D(s)+7s + 3объектC(s)−

Пропорциональный регулятор K управляет объектом G(s) = 7/(s + 3) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Ступенька возмущения величиной 5 действует на входе объекта при R = 0. Найдите наименьший коэффициент K, при котором установившийся выход не превышает 0,2333.

G(s) = 7/(s + 3)D = 5css ≤ 0,2333
K =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 45/(s² + 13s + 90) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 45/(s² + 13s + 90)
tp = s
34.Переходная характеристикаСложная
k = 5000 N/mc = 126 N·s/mm = 5 kgF = 25 Nx(t)

Масса m = 5 kg подвешена на пружине k = 5000 N/m с вязким демпфером c = 126 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 25 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

m = 5 kgk = 5000 N/mc = 126 N·s/mF = 25 N
ζ =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 22 kΩC = 10 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 22 kΩ, C = 10 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 3,6 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 22 kΩC = 10 nFf = 3,6 kHz
|H| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 9,6/(s(s + 4)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.

L(s) = 9,6/(s(s + 4))
ωc = rad/s
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K1(s + 1)(s + 2)(s + 3)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 3)), K > 0. Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 3))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−2−4−6j2j4

Эскиз корневого годографа для L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 5)). Найдите частоту ω, на которой годограф пересекает мнимую ось.

L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 10t+Ks(s + 10)C(s)−

Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 10)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 10t с установившейся ошибкой 0,01. Найдите коэффициент усиления K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 10tess = 0,01
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 252s(s + 8)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 25 управляет объектом G(s) = 2/(s(s + 8)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 2/(s(s + 8))K = 25
ts = s

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,2754 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​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​15 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 = 4 + 15 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 6·19/(6+19) = 4,56 Ω
Req = R1 + 4,56 = 12 + 4,56 = 16,56 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 6/16,56 = 0,3623 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,3623·12 = 1,652 V
IR2 = VA/R2 = 1,652/6 = 0,2754 A

Ответ

IR2 = 0,2754 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,894 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​ = 6 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​5 ΩBR6​2 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 3,864 Ω
R3 + 3,864 = 9,864 Ω
R2 ∥ 9,864 = 7,423 Ω
Req = R1 + 7,423 = 6 + 7,423 = 13,42 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 12/13,42 = 0,894 A

Ответ

IR1 = 0,894 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,3561 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​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​4 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 18 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/10 + (VA − 18)/20 + (VA − VB)/3 = 0
0,4833·VA − 0,3333·VB = 0,9

ЗТК в узле B

Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/3 = 4
−0,3333·VA + 0,5833·VB = 4

Решите

Δ = (0,4833)(0,5833) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1708
VA = Δ1/Δ = 1,858/0,1708 = 10,88 V
VB = Δ2/Δ = 2,233/0,1708 = 13,07 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 10,88)/20 = 0,3561 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = 0,1047 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​ = 25 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​15 VR3​25 ΩAR5​12 ΩBIs​2 A+−V2​15 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 V, V2 = 15 V). Неизвестные: VA, VB.

ЗТК в узле A

Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/25 + (VA − 15)/25 + (VA − VB)/6 = 0
0,2467·VA − 0,1667·VB = 0,6

ЗТК в узле B

Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/12 + (VB − VA)/6 + (VB − 15)/4 = (−2)
−0,1667·VA + 0,5·VB = 1,75

Решите

Δ = (0,2467)(0,5) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,09556
VA = Δ1/Δ = 0,5917/0,09556 = 6,192 V
VB = Δ2/Δ = 0,5317/0,09556 = 5,564 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (6,192 − 5,564)/6 = 0,1047 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 1,344 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​ = 4 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩA+−V2​24 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
4·I1 + 15(I1 − I2) = 24
19·I1 − 15·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
10·I2 + 15(I2 − I1) = (−24)
−15·I1 + 25·I2 = −24

Решите

Δ = (19)(25) − (−15)(−15) = 250
I1 = Δ1/Δ = 240/250 = 0,96 A
I2 = Δ2/Δ = −96/250 = −0,384 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 1,344 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,622 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​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​10 ΩB+−V2​36 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
25·I1 + 10(I1 − I2) = 24
35·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 10(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 50·I2 − 10·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
12·I3 + 10(I3 − I2) = (−36)
−10·I2 + 22·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 32800
I1 = Δ1/Δ = 20400/32800 = 0,622 A
I2 = Δ2/Δ = −7320/32800 = −0,2232 A
I3 = Δ3/Δ = −57000/32800 = −1,738 A

Ответ

I1 = 0,622 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR1 = 0,3125 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​20 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 = 8+2 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
VA = 6·6,667/(4+6,667) = 3,75 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,75·2/10 = 0,75 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 3,75)/4 = 0,5625 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​20 ΩAR4​2 ΩBIs​2 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 11,33 = 1,7 Ω
VB = Is·Req = 2·1,7 = 3,4 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3,4·3,333/11,33 = 1 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1)/4 = −0,25 A

Сложите составляющие

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,5625 + (−0,25) = 0,3125 A

Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.

8.Метод наложения

Ответ: PR3 = 6,925 W

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​ = 6 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​10 VR3​25 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) = 25 ∥ 16 = 9,756 Ω
VA = 10·9,756/(6+9,756) = 6,192 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,192·12/16 = 4,644 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (6,192 − 0)/25 = 0,2477 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​25 ΩAIs​3 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 = 4,839 Ω, поэтому левый путь — R2+4,839 = 8,839 Ω
Req = R4 ∥ 8,839 = 5,09 Ω
VB = Is·Req = 3·5,09 = 15,27 V
VA = VB·4,839/8,839 = 8,359 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (8,359 − 0)/25 = 0,3344 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​25 ΩAОБРЫВB−+V2​6 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 = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·8,839/20,84 = −2,545 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,545·4,839/8,839 = −1,393 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−1,393 − 0)/25 = −0,05573 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,2477 + 0,3344 + (−0,05573) = 0,5263 A

Мощность в резисторе

Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.

PR3 = IR3²·R3 = 0,5263²·25 = 6,925 W

Ответ

PR3 = 6,925 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 4,406 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,4938 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​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​20 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 15 = 17,61 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​20 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) = 10·20/(3+20) = 8,696 V
IN​0,4938 ARth​17,61 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 8,696/17,61 = 0,4938 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 2,001 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​ = 15 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​8 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 20 = 25,22 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAIs​0,5 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) = 10,43 + 0,5·5,217 = 13,04 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,04 + 0,5·20 = 23,04 V
Rth​ = 25,22 Ω+−Vth​23,04 VRL​3 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) = 23,04/(25,22 + 3) = 0,8166 A
PL = IL²·RL = 0,8166²·3 = 2,001 W
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 2,511 mJ

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 = 33 mH / 10 Ω = 3,3 ms
i(∞) = Vs/R = 5/10 = 0,5 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,5·(1 − e−5/3,3) = 0,3901 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·33·0,3901² = 2,511 mJ

Ответ

W = 2,511 mJ
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 11,95 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.

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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 15 + (2 − 15)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(150) = 15 + (−13)·e−150/103,4 = 11,95 V

Ответ

vC = 11,95 V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = −82,94 °

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

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,1 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·4,7·10⁻⁶) = 677,3 Ω

Полное сопротивление

При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−645,8)²) = 650,8 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−645,8/80) = −82,94°

Ответ

φ = −82,94°
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,02554 A

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

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

Полное сопротивление

При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (468,1)²) = 469,8 Ω

Ток

Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.

I = V/|Z| = 12/469,8 = 0,02554 A

Ответ

I = 0,02554 A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 30,69 A

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 линии

Работу совершает только активная часть мощности, поэтому разделите на коэффициент мощности.

I = P/(V·cos φ) = 6000/(230·0,85) = 30,69 A

Ответ

I = 30,69 A
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: QC = 4,245 kvar

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.

Реактивная мощность до и после

Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.

Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(53,13°) = 6,667 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(25,84°) = 2,422 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,245 kvar

Ответ

QC = 4,245 kvar
17.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 30,55 kW

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.

Полная мощность

S = √3·VL·IL = √3·415·50 = 35,94 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 35,94·0,85 = 30,55 kW

Ответ

P = 30,55 kW
18.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 64,8 kvar

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 = 200·tan(acos 0,8) = 200·0,75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 64,8 kvar

Ответ

QC = 64,8 kvar
19.Трансформаторы

Ответ: a = 2

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.

Согласуйте приведённую нагрузку

a²·8 = 32
a = √(32/8) = √4 = 2

Ответ

a = 2
20.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 970,1 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 = 150·0,95 = 142,5 kW
Pin = 142500/0,985 = 144670 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 144670 − 142500 = 2170 W
Pcu,fl = 2170 − 1200 = 970,1 W

Ответ

Pcu,fl = 970,1 W
21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 65,8 kΩ

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.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (15 − 1)·4,7 = 65,8 kΩ

Ответ

Rf = 65,8 kΩ
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: If = 2,036 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 = 2/1 = 2 mA
I2 = V2/R2 = 0,8/22 = 0,03636 mA
If = I1 + I2 = 2,036 mA

Ответ

If = 2,036 mA
23.Диоды и транзисторы

Ответ: IZ = 76,79 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 = 11,8/150 = 78,67 mA

Ток нагрузки

IL = 6,2/3300 = 1,879 mA

Ток стабилитрона

IZ = 78,67 − 1,879 = 76,79 mA

Ответ

IZ = 76,79 mA
24.Диоды и транзисторы

Ответ: RB = 6,851 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) = (12 − 0,2)/470 = 25,11 mA

Минимальный ток базы

IB(min) = IC(sat)/β = 25,11/200 = 125,5 µA

Расчётный ток базы

IB = 5·125,5 µA = 627,7 µA

Резистор базы

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,6277 mA = 6,851 kΩ

Ответ

RB = 6,851 kΩ
25.Системы счисления

Ответ: U = 241

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.

Инвертируйте и прибавьте единицу

15 = 0000 1111
инвертировано: 1111 0000
+1 → 1111 0001

Прочитайте как беззнаковое

1111 0001₂ = 256 − 15 = 241

Ответ

U = 241
26.Системы счисления

Ответ: b = 13 bit

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.

Степени двойки

212 = 4096 < 4446
213 = 8192 ≥ 4446

Ответ

b = 13
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 2

Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.

ABC00011110010001131204051706

Сгруппируйте нули

Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.

B
(A′ + C)

Минимальная форма POS

F = B(A′ + C)
N = 2

Ответ

N = 2
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: Q = 9

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.

Полные циклы

Каждые 12 импульсов возвращают счётчик в то же состояние.

35 = 2·12 + 11

Значение после оставшихся импульсов

Q = (10 + 11) mod 12 = 9
Q = 1001₂

Ответ

Q = 9
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.8) = 1,542

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 + 1) + C/(s + 6)
A = 20/(1·6) = 3,333
B = 20/((−1)·5) = −4
C = 20/((−6)·(−5)) = 0,6667

Обратное преобразование

f(t) = 3,333 − 4·e−t + 0,6667·e−6t

Вычислите

f(0,8) = 3,333 − 4·e−0,8 + 0,6667·e−6·0,8 = 1,542

Ответ

f(0,8) = 1,542
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.4) = 8,328

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

s²Y − 10s − 11 + 6(sY − 10) + 8Y = 0
Y(s) = (10s + 71)/((s + 2)(s + 4))

Простые дроби

A = 51/2 = 25,5
B = 31/(−2) = −15,5

Результат

y(t) = 25,5·e−2t − 15,5·e−4t
y(0,4) = 8,328

Ответ

y(0,4) = 8,328

Проверка: y(0) = A + B = 10.

31.Структурные схемы

Ответ: css = 1,667

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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = G/(1 + G·H) = 4/(s + 4 + 8) = 4/(s + 12)

Результат

css = R·T(0) = 5·4/12 = 1,667

Ответ

css = 1,667
32.Структурные схемы

Ответ: K = 21

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).

Реакция на возмущение

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·7/(3 + 7K)

Решите относительно K

3 + 7K = 5·7/0,2333 = 150
K = (150 − 3)/7 = 21

Ответ

K = 21
33.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,4546 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 = 90 → ωₙ = 9,487 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,487) = 0,6852

Результат

ωd = 9,487·√(1 − 0,6852²) = 6,91 rad/s → tp = π/ωd = 0,4546 s

Ответ

tp = 0,4546 s
34.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,3984

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).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = √(k/m) = √(5000/5) = 31,62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 126/(2·√(5000·5)) = 0,3984

Результат

ζ = 0,3984

Ответ

ζ = 0,3984
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −14,11 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.

Частота среза

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·1 × 10⁻⁸) = 4545 rad/s
fc = 723,4 Hz → f/fc = 3600/723,4 = 4,976

Коэффициент усиления

|H| = 1/√(1 + 4,976²) = 0,197
20·log₁₀(0,197) = −14,11 dB

Ответ

|H| = −14,11 dB
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ωc = 2,12 rad/s

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 среза усиления

ω⁴ + 16ω² − 92,16 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·92,16))/2 = 4,496
ωc = 2,12 rad/s

Ответ

ωc = 2,12 rad/s
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 60

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.

Характеристический полином

s³ + 6s² + 11s + 6 + K = 0

Таблица Рауса

s³: 1, 11
s²: 6, 6 + K
s¹: (6·11 − 6 − K)/6
s⁰: 6 + K

Условие

Элемент строки s¹ должен оставаться положительным.

K < 6·11 − 6 = 60

Ответ

Kmax = 60

На границе устойчивости контур колеблется с частотой ω = √11 = 3,317 rad/s.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: ω = 5,385 rad/s

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.

Критический коэффициент усиления

s³ + 10s² + 29s + 20 + K = 0
s¹: (10·29 − 20 − K)/10 = 0 → K = 270

Частота пересечения

10s² + 20 + 270 = 10s² + 290 = 0 → s² = −29
ω = √29 = 5,385 rad/s

Ответ

ω = 5,385 rad/s
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 10000

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.

Требуемый коэффициент скоростной ошибки

Kv = A/ess = 10/0,01 = 1000

Коэффициент усиления

K = 10·Kv = 10000

Ответ

K = 10000

Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,05. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.

40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ts = 1 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 + 8) + 25·2 = s² + 8s + 50

ωₙ и ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 8/(2·7,071) = 0,5657

Время установления

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/4 = 1 s

Ответ

ts = 1 s

Время установления здесь не зависит от K: увеличение K лишь делает отклик более колебательным.

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