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​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​3 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​3 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 ΩR5 = 15 ΩR6 = 3 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​4 Ω+−V1​6 VR2​12 Ω+−V2​12 VI2​R3​3 ΩA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I2 в ветви 2, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩV2 = 12 VR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
I2 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 6 ΩIR1​−+Vs​ = 15 V+−V1​10 VR2​2 ΩAR3​20 ΩBIs​6 A

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 10 VIs = 6 AVs = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩIR3​A+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).

V1 = 18 VV2 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​8 Ω+−VR2​AR4​10 ΩBIs​5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 6 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​5 VR3​15 ΩIR3​AIs​5 AB+−V2​24 V

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

V1 = 5 VIs = 5 AV2 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
PR3 = W
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩARL​4 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 4 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩRL = 4 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAIs​1,5 ABRL​12 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 12 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩRL = 12 Ω
IL = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 20 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 16 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 20 V
t = ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
24 V60 HzR = 25 ΩL = 20 mHI

Резистор и катушка включены параллельно в сеть 24 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 20 mH
|Z| = Ω
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
10 V100 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF+−VC​

Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
VC = V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
400 V19 kW, 0,6219 kW, 1I

К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 9 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) и нагреватель мощностью 19 kW (коэффициент мощности 1). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 400 VP1 = 9 kW, pf1 = 0,6 отстающийP2 = 19 kW, pf2 = 1
cos φ =
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 95 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 200 kVA питает нагрузку 95 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 95 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 690 VIL​ = 12 Acos φ = 0,8отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 12 A от сети с линейным напряжением 690 V. Коэффициент мощности 0,8 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 690 VIL = 12 Acos φ = 0,8
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 75 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

Однофазный трансформатор 50 kVA, 10000/400 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.

S = 50 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.ТрансформаторыСложная
pf 0,85500 kVA, 50% нагрузка

Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 3000 W и потери в меди 6000 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 50% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,85 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 500 kVAPcore = 3000 WPcu,fl = 6000 Wx = 0,5pf = 0,85
Ploss = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = −2,1 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,4 VR3​ = 22 kΩR4​ = 2 kΩ

Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите напряжение V− на инвертирующем входе.

V1 = −2,1 VV2 = 1,4 VR1 = R3 = 22 kΩR2 = R4 = 2 kΩ
V− = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 0,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,5 VR3​ = 22 kΩR4​ = 1 kΩ

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Отношения резисторов не согласованы. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 0,2 VV2 = 1,5 VR1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩR3 = 22 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 1,5 kΩβ = 100VCC​ = 12 VRB​ = 1000 kΩ

NPN-транзистор с β = 100 смещён резистором базы RB = 1000 kΩ от источника питания VCC = 12 V. Резистор коллектора RC = 1,5 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.

VCC = 12 VRB = 1000 kΩRC = 1,5 kΩβ = 100VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Диоды и транзисторыСложная
+−≤ 21 V270 Ω9,1 V

Стабилизатор на стабилитроне 9,1 V имеет последовательный резистор 270 Ω. Входное напряжение может подниматься до 21 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность PZ,max, которую должен рассеивать стабилитрон.

Vin,max = 21 VVZ = 9,1 VR = 270 Ω
PZ,max = mW
25.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код0−12806403201608040201

Установите биты так, чтобы они хранили −102 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?

N = −1028 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
нажимайте на биты, чтобы установить их012806403201608040201

Установите биты в 8-битный результат операции 1001 1011 AND 0111 1111. Чему равно значение результата R в десятичной системе?

1001 1011AND0111 1111
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD000111100001111010011302040507061121130151141819111010

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 8, 9, 11, 12, 13, 14). Сколько членов-произведений, N, в ней?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 8, 9, 11, 12, 13, 14)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
CLKJK123456

Триггер JK, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы на 6 передних фронтах тактового сигнала. Сколько раз, N, Q меняет состояние?

Q₀ = 0JK
N =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

Найдите f(t) для F(s) = (4s + 4)/(s² + 6s + 10) выделением полного квадрата и вычислите f(0,25).

F(s) = (4s + 4)/(s² + 6s + 10)t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
ReIm5

Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 4y′ + 29y = 4u′ + 13u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 0,25 s. Найдите g(0,25).

y″ + 4y′ + 29y = 4u′ + 13ut = 0,25 s
g(0.25) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+Ks(s + 9)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/(s(s + 9)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. Найдите коэффициент K, при котором замкнутая система демпфирована критически (два равных вещественных полюса).

G(s) = K/(s(s + 9))единичная отрицательная обратная связь
K =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+78s(s + 6)G(s)C(s)1H−

Объект G(s) = 78/(s(s + 6)) охвачен отрицательной обратной связью с коэффициентом датчика H = 1. Полюсы замкнутой системы комплексные. Найдите их вещественную часть σ.

G(s) = 78/(s(s + 6))H = 1
σ =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5

Система имеет передаточную функцию G(s) = 24/(s² + 8s + 48) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.

G(s) = 24/(s² + 8s + 48)
σ =
34.Переходная характеристикаСложная
k = 800 N/mc = 17 N·s/mm = 1 kgF = 20 Nx(t)

Масса m = 1 kg подвешена на пружине k = 800 N/m с вязким демпфером c = 17 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 20 N. Найдите перерегулирование %OS смещения в процентах.

m = 1 kgk = 800 N/mc = 17 N·s/mF = 20 N
%OS = %
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​L = 20 mHC = 2,2 µFR = 50 Ωvout​

В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 50 Ω при L = 20 mH и C = 2,2 µF. Найдите полосу пропускания по уровню −3 dB BW в Hz.

R = 50 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 660/(s(s + 20)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 660/(s(s + 20))
PM = °
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+Ks + 5s(s + 1)(s + 2)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 2)), K > 0. Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

Корневой годограф L(s) = K(s + 5)/(s(s + 4)) покидает вещественную ось между s = 0 и s = −4, огибает нуль по окружности и снова выходит на вещественную ось левее нуля. Найдите точку отрыва sb.

L(s) = K(s + 5)/(s(s + 4))
sb =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
R(s)+K(s + 1)(s + 5)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет G(s) = K/((s + 1)(s + 5)). Найдите коэффициент усиления K, при котором установившаяся ошибка по ступеньке составляет 20 %.

G(s) = K/((s + 1)(s + 5))ess = 20 %
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 4C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 2/(s + 4) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 3 rad/s и ζ = 0,7. Найдите пропорциональный коэффициент Kp.

G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 3 rad/sζ = 0,7
Kp =

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 10,18 Ω

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​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​3 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 15·18/(15+18) = 8,182 Ω
Req = R1 + 8,182 = 2 + 8,182 = 10,18 Ω

Ответ

Req = 10,18 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,457 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBR6​3 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 + 3 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 8,182 Ω
R3 + 8,182 = 10,18 Ω
R2 ∥ 10,18 = 3,775 Ω
Req = R1 + 3,775 = 4 + 3,775 = 7,775 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 18/7,775 = 2,315 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 2,315·4 = 8,74 V
IR2 = VA/R2 = 8,74/6 = 1,457 A

Ответ

IR2 = 1,457 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I2 = 0,6875 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

Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.

(VA − 6)/4 + (VA − 12)/12 + VA/3 = 0

Находим VA

VA = (6/4 + 12/12 + 0/3) / (1/4 + 1/12 + 1/3) = 2,5/0,6667 = 3,75 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I2 = (12 − VA)/R2 = (12 − 3,75)/12 = 0,6875 A

Ответ

I2 = 0,6875 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,05814 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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA + 15
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 10)/6 + VA/2 + (VA + 15)/20 = 6
VA·(1/6 + 1/2 + 1/20) = 6 + 10/6 − 15/20 = 6,917
VA = 6,917/0,7167 = 9,651 V
VB = 24,65 V

Ток через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 9,651)/6 = 0,05814 A

Ответ

IR1 = 0,05814 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 0,504 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​ = 15 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩA+−V2​6 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
15·I1 + 10(I1 − I2) = 9
25·I1 − 10·I2 = 9

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
4·I2 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 14·I2 = −6

Решите

Δ = (25)(14) − (−10)(−10) = 250
I1 = Δ1/Δ = 66/250 = 0,264 A
I2 = Δ2/Δ = −60/250 = −0,24 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 0,504 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −0,4943 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​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​18 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​18 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
8·I1 + 2(I1 − I2) = 18
10·I1 − 2·I2 = 18

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
6·I2 + 2(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 33·I2 − 25·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
25·I3 + 25(I3 − I2) = (−18)
−25·I2 + 50·I3 = −18

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10050
I1 = Δ1/Δ = 17550/10050 = 1,746 A
I2 = Δ2/Δ = −2700/10050 = −0,2687 A
I3 = Δ3/Δ = −4968/10050 = −0,4943 A

Ответ

I3 = −0,4943 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR2 = 6,126 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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​10 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 = 4+10 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·14/(8+14) = 5,091 Ω
VA = 30·5,091/(5+5,091) = 15,14 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 15,14·10/14 = 10,81 V
VR2′ = VA − 0 = 15,14 − 0 = 15,14 V
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​8 ΩAR4​10 ΩBIs​5 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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 7,077 = 4,144 Ω
VB = Is·Req = (−5)·4,144 = −20,72 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −20,72·3,077/7,077 = −9,009 V
VR2″ = VA − 0 = −9,009 − 0 = −9,009 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 15,14 + (−9,009) = 6,126 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

8.Метод наложения

Ответ: PR3 = 8,094 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​ = 30 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​5 VR3​15 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) = 15 ∥ 42 = 11,05 Ω
VA = 5·11,05/(6+11,05) = 3,241 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,241·12/42 = 0,9259 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,241 − 0)/15 = 0,216 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​15 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 = 4,286 Ω, поэтому левый путь — R2+4,286 = 34,29 Ω
Req = R4 ∥ 34,29 = 8,889 Ω
VB = Is·Req = 5·8,889 = 44,44 V
VA = VB·4,286/34,29 = 5,556 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (5,556 − 0)/15 = 0,3704 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​15 ΩAОБРЫВB+−V2​24 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·34,29/46,29 = 17,78 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 17,78·4,286/34,29 = 2,222 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (2,222 − 0)/15 = 0,1481 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,216 + 0,3704 + 0,1481 = 0,7346 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 = 0,7346²·15 = 8,094 W

Ответ

PR3 = 8,094 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 3,087 W, что неверно.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,8333 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​ = 2 ΩКЗR2​6 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 2 = 4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​6 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) = 10·6/(3+6) = 6,667 V
Rth​ = 4 Ω+−Vth​6,667 VRL​4 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) = 6,667/(4 + 4) = 0,8333 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,8933 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​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 6 = 11,22 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAIs​1,5 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) = 3,913 + 1,5·5,217 = 11,74 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,74 + 1,5·6 = 20,74 V
Rth​ = 11,22 Ω+−Vth​20,74 VRL​12 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) = 20,74/(11,22 + 12) = 0,8933 A
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,09371 A

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 = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,18·(1 − e−1/1,36) = 0,09371 A

Ответ

i = 0,09371 A
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 240,1 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 10 + (20 − 10)·e−t/τ

Выразите время

16 = 10 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (16 − 10)/(20 − 10) = 0,6
t = τ·ln((20 − 10)/(16 − 10)) = 470·ln(1,667) = 240,1 ms

Ответ

t = 240,1 ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 7,219 Ω

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|.

Реактивное сопротивление

XL = ωL = 2π·60·0,02 = 7,54 Ω

Токи ветвей

Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.

IR = V/R = 24/25 = 0,96 A
IX = V/XL = 24/7,54 = 3,183 A

Общий ток

Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.

I = √(IR² + IX²) = √(0,96² + 3,183²) = 3,325 A

Полное сопротивление

|Z| = V/I = 24/3,325 = 7,219 Ω

Ответ

|Z| = 7,219 Ω
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VC = 10,93 V

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·2,2·10⁻⁶) = 723,4 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−660,6)²) = 661,8 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 10/661,8 = 0,01511 A

Напряжение на конденсаторе

VC = I·XC = 0,01511·723,4 = 10,93 V

Ответ

VC = 10,93 V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,9191

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 каждой нагрузки

Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).

Q1 = 9·tan(arccos 0,6) = 12 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Суммы

P = 9 + 19 = 28 kW
Q = 12 + 0 = 12 kvar
S = √(28² + 12²) = 30,46 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 28/30,46 = 0,9191 отстающий

Ответ

cos φ = 0,9191
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 79,95 kW

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 существующей нагрузки

Q1 = 95·tan(arccos 0,7) = 96,92 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 96,92²) = 174,9 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 174,9 − 95 = 79,95 kW

Ответ

ΔP = 79,95 kW
17.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 11,47 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 = √3·690·12 = 14,34 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 14,34·0,8 = 11,47 kW

Ответ

P = 11,47 kW
18.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 219 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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 57,06 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 19020/(377·480²) = 219 µF

Ответ

Cph = 219 µF
19.Трансформаторы

Ответ: IHV = 5 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.

Номинальный ток

Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.

IHV = S/V = 50000/10000 = 5 A

Ответ

IHV = 5 A
20.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 4500 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.

Потери в меди при этой нагрузке

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·6000 = 1500 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 3000 + 1500 = 4500 W

Ответ

Ploss = 4500 W

КПД при этой нагрузке η = 97,93%.

21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V− = 0,1167 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.

Напряжение на входах

Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,4·2/(22 + 2) = 0,1167 V
V₋ = V₊

Ответ

V− = 0,1167 V
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −2,802 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.

Напряжение на входе +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,5·1/(22 + 1) = 0,06522 V

Наложение двух входов

При V₂ = 0 для V₁ схема — инвертирующий усилитель. При V₁ = 0 V₊ усиливается с коэффициентом неинвертирующего усилителя 1 + R₂/R₁.

Vout = −(100/4,7)·0,2 + (1 + 100/4,7)·0,06522 = −4,255 + 1,453 = −2,802 V

Ответ

Vout = −2,802 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: VCE = 10,3 V

Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме VBE = 0,7 V, IC = β·IB и IE = (β + 1)·IB. Найдите IB из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем IC, затем VCE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.

Ток базы

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0,7)/1000 kΩ = 11,3 µA

Ток коллектора

IC = β·IB = 100·11,3 µA = 1,13 mA

Напряжение коллектор–эмиттер

VCE = 12 − 1,13 mA·1,5 kΩ = 10,3 V

Ответ

VCE = 10,3 V
24.Диоды и транзисторы

Ответ: PZ,max = 401,1 mW

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 стабилитрона в худшем случае

IZ = 11,9/270 = 44,07 mA

Мощность стабилитрона

PZ = 9,1·44,07 = 401,1 mW

Ответ

PZ,max = 401,1 mW
25.Системы счисления

Ответ: U = 154

Установка битов: каждый бит стоит степень двойки (128, 64, …, 1). Одна шестнадцатеричная цифра — это ровно четыре бита, а в 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128. Побитовые операции работают с каждой позицией бита отдельно.

Инвертируйте и прибавьте единицу

102 = 0110 0110
инвертировано: 1001 1001
+1 → 1001 1010

Прочитайте как беззнаковое

1001 1010₂ = 256 − 102 = 154

Ответ

U = 154
26.Системы счисления

Ответ: R = 27

Установка битов: каждый бит стоит степень двойки (128, 64, …, 1). Одна шестнадцатеричная цифра — это ровно четыре бита, а в 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128. Побитовые операции работают с каждой позицией бита отдельно.

Бит за битом

AND даёт 1 только там, где оба бита равны 1.

1001 1011
AND 0111 1111
= 0001 1011

Значение результата

0001 1011₂ = 27

Ответ

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

Ответ: N = 4

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.

ABCD000111100001111010011302040507061121130151141819111010

Сгруппируйте единицы

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

B′C′D′
B′CD
AC′
ABD′

Минимальная форма SOP

F = B′C′D′ + B′CD + AC′ + ABD′
N = 4

Ответ

N = 4
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 2

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

Посчитайте изменения

0 → 0 → 0 → 1 → 1 → 1 → 0
N = 2

Ответ

N = 2
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.25) = 0,8958

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).

Выделение полного квадрата

s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

Подбор числителя

F(s) = 4·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (−8/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Обратное преобразование

f(t) = e−3t·(4·cos 1t − 8·sin 1t)
f(0,25) = e−3·0,25·(4·cos(1·0,25) − 8·sin(1·0,25)) = 0,8958

Ответ

f(0,25) = 0,8958
30.Преобразования Лапласа

Ответ: g(0.25) = 1,341

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).

Передаточная функция

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 13)/(s² + 4s + 29)

Простые дроби

s² + 4s + 29 = (s + 2)² + 5²
G(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (5/5)·5/((s + 2)² + 5²)

Импульсная характеристика

g(t) = e−2t·(4·cos 5t + sin 5t)
g(0,25) = 1,341

Ответ

g(0,25) = 1,341
31.Структурные схемы

Ответ: K = 20,25

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).

Характеристическое уравнение

1 + K/(s(s + 9)) = 0 → s² + 9s + K = 0

Кратный корень

Квадратный трёхчлен s² + βs + γ имеет двойной корень, когда β² = 4γ.

9² = 4K → K = 81/4 = 20,25

Ответ

K = 20,25
Тогда оба полюса замкнутой системы находятся в s = −4,5.
32.Структурные схемы

Ответ: σ = −3

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).

Характеристическое уравнение

s(s + 6) + 78·1 = 0 → s² + 6s + 78 = 0

Корни

s = −3 ± j·√(78 − 9) = −3 ± j8,307
σ = −3

Ответ

σ = −3
33.Переходная характеристика

Ответ: σ = −4

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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·6,928) = 0,5774

Результат

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

Ответ

σ = −4
34.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 37,16 %

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) = √(800/1) = 28,28 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 17/(2·√(800·1)) = 0,3005

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 37,16 %

Ответ

%OS = 37,16 %
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: BW = 397,9 Hz

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.

Резонансная частота

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·2,2 × 10⁻⁶) = 4767 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 758,7 Hz

Полоса пропускания

BW = R/L = 50/0,02 = 2500 rad/s = 397,9 Hz

Ответ

BW = 397,9 Hz
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 42,11 °

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 + 400ω² − 435600 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·435600))/2 = 489,6
ωc = 22,13 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(22,13/20) = −137,9°
PM = 180° + ∠L = 42,11°

Ответ

PM = 42,11°
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 3

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

s(s + 1)(s + 2) + K(s + 5) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 5K

Таблица Рауса

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 5K
s¹: (3·(2 + K) − 5K)/3
s⁰: 5K

Условие

6 − 2K > 0
K < 6/2 = 3

Ответ

Kmax = 3

Если бы нуль лежал правее s = −3, контур оставался бы устойчивым при любом K > 0.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: sb = −2,764

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.

Коэффициент усиления вдоль вещественной оси

K(s) = −(s² + 4s)/(s + 5)

Стационарные точки

Продифференцируйте по правилу для частного и приравняйте числитель к нулю.

(2s + 4)(s + 5) − (s² + 4s) = s² + 10s + 20 = 0
s = −5 ± √5 = −2,764, −7,236

Точка отрыва

sb = −2,764

Ответ

sb = −2,764

Между двумя точками годограф представляет собой окружность с центром в нуле и радиусом √5 = 2,236.

39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 20

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 ошибки

1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4

Коэффициент усиления

K/5 = 4 → K = 20

Ответ

K = 20

Проверьте и устойчивость замкнутой системы: для этого контура второго порядка устойчив любой K > 0.

40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Kp = 0,1

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

1 + C(s)G(s) = 0, умноженное на s(s + 4).

s² + (4 + 2Kp)s + 2Ki

Целевой полином

s² + 2·0,7·3s + 3² = s² + 4,2s + 9

Приравняйте коэффициенты

4 + 2Kp = 4,2 → Kp = 0,1

Ответ

Kp = 0,1

Интегральная составляющая делает контур типа 1, поэтому ступенька отслеживается без установившейся ошибки.

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