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​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​25 ΩBR6​8 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩR5 = 25 ΩR6 = 8 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 5 Ω−+Vs​ = 3 V+−V1​6 VR2​2 ΩAR3​30 ΩBIs​4 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 узловое напряжение VA (относительно земли).

V1 = 6 VIs = 4 AVs = 3 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 Ω
VA = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​2 ΩIR3​A+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
IR3 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−VR3​+−V1​15 VR4​12 ΩAR5​20 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 ΩR5 = 20 Ω
VR3 = V
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩIR3​+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 10 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​3 ΩIR3​AIs​3 AB+−V2​9 V

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

V1 = 24 VIs = 3 AV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩARL​12 ΩIL​B

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

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩRL = 12 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​2 ABRL​8 ΩIL​

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

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​24 Vt = 0R = 20 ΩL150 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 15 ms.

Vs = 24 VR = 20 ΩL = 150 mHt = 15 ms
vL = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 8 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 8,6 V? Найдите t.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 220 µFvC(0) = 8 V
t = ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
12 V50 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 100 µF
P = W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
120 V100 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 10 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 10 µF
f0 = Hz
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 40 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 40 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 40 kWpf = 0,8V = 400 V
Q = kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 40 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 400 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите новый ток линии Inew.

P = 40 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 415 VNZ = 18 + j24 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 18 + j24 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 415 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 415 VZ = 18 + j24 Ω на фазу
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
2 ΩN1​N2​72 Ω

Усилитель с выходным сопротивлением 72 Ω питает громкоговоритель 2 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 72 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.

Rs = 72 ΩRL = 2 Ω
a =
20.ТрансформаторыСложная
pf 0,8100 kVA, 75% нагрузка

Однофазный трансформатор 100 kVA имеет потери в стали 500 W и потери в меди 1250 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 75% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 100 kVAPcore = 500 WPcu,fl = 1250 Wx = 0,75pf = 0,8
Ploss = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 4.

R1 = 1 kΩAv = 4
Rf = kΩ
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 0,1 VR1​ = 10 kΩV2​ = −0,5 VR2​ = 1 kΩ

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 0,1 VV2 = −0,5 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 2,7 kΩβ = 80VCC​ = 15 VRB​ = 1000 kΩ

NPN-транзистор с β = 80 смещён резистором базы RB = 1000 kΩ от источника питания VCC = 15 V. Резистор коллектора RC = 2,7 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.

VCC = 15 VRB = 1000 kΩRC = 2,7 kΩβ = 80VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Диоды и транзисторыСложная
RC​ = 1 kΩβ = 100VCC​ = 5 V5 VRB​ = ?

NPN-транзистор с β = 100 коммутирует нагрузочный резистор 1 kΩ, включённый между VCC = 5 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 = 5 VRC = 1 kΩβ = 100Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vкоэффициент запаса = 5
RB = kΩ
25.Системы счисленияСредняя
веса разрядов в дополнительном коде1−12816413201608040201

8-битная комбинация 1110 0000 хранит целое число со знаком в дополнительном коде. Каково его значение N в десятичной системе?

1110 00008 bit
N =
26.Системы счисленияСложная
нажимайте на биты, чтобы установить их012806403201608040201

Установите биты в 8-битный результат операции 0101 0111 >> 2. Чему равно значение результата R в десятичной системе?

0101 0111>> 2
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABC00011110010001130204151706

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C) = Σm(3, 5, 7). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?

F(A, B, C) = Σm(3, 5, 7)
L =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
ABCD00011110000111101011031204150716012113X150140809111X10

Найдите минимальную форму SOP для F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 5, 6, 11, 13) + d(10, 15), где d обозначает безразличные состояния. Сколько членов-произведений, N, в ней?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 5, 6, 11, 13) + d(10, 15)
N =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−1−2−3−4−512

Найдите f(t) для F(s) = (5s + 23)/(s² + 6s + 13) выделением полного квадрата и вычислите f(0,3).

F(s) = (5s + 23)/(s² + 6s + 13)t = 0,3 s
f(0.3) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Решите y″ + 11y′ + 30y = 0 при y(0) = 8 и y′(0) = 8 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 8y′(0) = 8t = 0,2 s
y(0.2) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+3s + 9G(s)C(s)2H−

Объект G(s) = 3/(s + 9) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 2. Найдите постоянную времени τ замкнутой системы.

G(s) = 3/(s + 9)H = 2
τ = s
32.Структурные схемыСложная
R(s)+7регулятор+D(s)+5s + 9объектC(s)−

Пропорциональный регулятор K = 7 управляет объектом G(s) = 5/(s + 9) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Возмущение D действует на входе объекта (прибавляется к выходу регулятора). При R = 0 подаётся ступенька возмущения величиной 5. Найдите установившийся выход css.

K = 7G(s) = 5/(s + 9)D = 5R = 0
css =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1ts​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 91/(s² + 12s + 91) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 91/(s² + 12s + 91)
ts = s
34.Переходная характеристикаСложная
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = K/(s(s + 5)). Найдите коэффициент K, при котором переходная характеристика имеет перерегулирование 5 %.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 5 %
K =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 46(s + 13)/(s(s + 4)) при ω = 5 rad/s в градусах.

G(s) = 46(s + 13)/(s(s + 4))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 42/(s(s + 4)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 42/(s(s + 4))
PM = °
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K1s(s + 1)(s + 8)C(s)−

Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8)). Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−2−4−6j2j4

Для L(s) = K/((s + 5)(s² + 4s + 20)) найдите угол выхода θd корневого годографа из комплексного полюса в верхней полуплоскости, отсчитываемый от положительного направления вещественной оси.

L(s) = K/((s + 5)(s² + 4s + 20))
θd = °
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 4t+10(s + 3)s(s + 1)(s + 10)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 1)(s + 10)) подано линейное воздействие r(t) = 4t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 10(s + 3)/(s(s + 1)(s + 10))r(t) = 4t
ess =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 251s(s + 4)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 25 управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 4)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 1/(s(s + 4))K = 25
ts = s

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1667 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​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​6 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 = 6 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 20 + 6,667 = 26,67 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/26,67 = 0,375 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,375·20 = 2,5 V
IR2 = VA/R2 = 2,5/15 = 0,1667 A

Ответ

IR2 = 0,1667 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 26,9 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​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​25 ΩBR6​8 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 = 25 + 8 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 14,22 Ω
R3 + 14,22 = 39,22 Ω
R2 ∥ 39,22 = 1,903 Ω
Req = R1 + 1,903 = 25 + 1,903 = 26,9 Ω

Ответ

Req = 26,9 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 21,71 W

Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.

ЗТК в узле A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 6)/10 + (VA − VB)/8 = 0
0,2917·VA − 0,125·VB = 0,6

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/8 = 1,5
−0,125·VA + 0,175·VB = 1,5

Решите

Δ = (0,2917)(0,175) − (−0,125)(−0,125) = 0,03542
VA = Δ1/Δ = 0,2925/0,03542 = 8,259 V
VB = Δ2/Δ = 0,5125/0,03542 = 14,47 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 14,47·1,5 = 21,71 W

Ответ

PIs = 21,71 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 6,955 V

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 + 3
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 6)/5 + VA/2 + (VA + 3)/30 = 4
VA·(1/5 + 1/2 + 1/30) = 4 + 6/5 − 3/30 = 5,1
VA = 5,1/0,7333 = 6,955 V
VB = 9,955 V

Ответ

VA = 6,955 V
5.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = 4,091 A

Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.

R1​ = 10 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​2 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 2(I1 − I2) = 15
12·I1 − 2·I2 = 15

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
2·I2 + 2(I2 − I1) = (−15)
−2·I1 + 4·I2 = −15

Решите

Δ = (12)(4) − (−2)(−2) = 44
I1 = Δ1/Δ = 30/44 = 0,6818 A
I2 = Δ2/Δ = −150/44 = −3,409 A

Ответ

IR3 = I1 − I2 = 4,091 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: VR3 = −8,687 V

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​ = 20 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR4​12 ΩAR5​20 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
20·I1 + 12(I1 − I2) = 15
32·I1 − 12·I2 = 15

ЗНК для контура 2

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 12(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 57·I2 − 20·I3 = 0

ЗНК для контура 3

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
15·I3 + 20(I3 − I2) = (−18)
−20·I2 + 35·I3 = −18

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 46000
I1 = Δ1/Δ = 19605/46000 = 0,4262 A
I2 = Δ2/Δ = −5220/46000 = −0,1135 A
I3 = Δ3/Δ = −26640/46000 = −0,5791 A

Ответ

IR3 = I3 = −0,5791 A
VR3 = IR3·R3 = −0,5791·15 = −8,687 V

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR3 = −1,358 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​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​12 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 = 3+12 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
VA = 10·1,765/(3+1,765) = 3,704 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,704·12/15 = 2,963 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (2,963 − 3,704)/3 = −0,2469 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​1,5 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 4,2 = 3,111 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·3,111 = −4,667 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −4,667·1,2/4,2 = −1,333 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (−4,667 − −1,333)/3 = −1,111 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,2469) + (−1,111) = −1,358 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 3,5 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​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​3 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) = 3 ∥ 12 = 2,4 Ω
VA = 24·2,4/(12+2,4) = 4 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4·10/12 = 3,333 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4 − 0)/3 = 1,333 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​3 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 = 2,4 Ω, поэтому левый путь — R2+2,4 = 4,4 Ω
Req = R4 ∥ 4,4 = 3,056 Ω
VB = Is·Req = 3·3,056 = 9,167 V
VA = VB·2,4/4,4 = 5 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (5 − 0)/3 = 1,667 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 ΩКЗR3​3 ΩAОБРЫВB+−V2​9 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 = 12·3/(12+3) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·4,4/14,4 = 2,75 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,75·2,4/4,4 = 1,5 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,5 − 0)/3 = 0,5 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 1,333 + 1,667 + 0,5 = 3,5 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,1974 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​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​4 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 4 = 7 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​4 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) = 15·4/(12+4) = 3,75 V
Rth​ = 7 Ω+−Vth​3,75 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) = 3,75/(7 + 12) = 0,1974 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = −0,8611 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​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 4 = 10 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,5 + (−2)·6 = −7,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −7,5 + (−2)·4 = −15,5 V
Rth​ = 10 Ω−+Vth​15,5 VRL​8 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = −15,5/(10 + 8) = −0,8611 A
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vL = 3,248 V

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Постоянная времени и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 24/20 = 1,2 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−15/7,5 = 3,248 V

Ответ

vL = 3,248 V
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 368,8 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 220 µF = 1034 ms
vC(t) = 10 + (8 − 10)·e−t/τ

Выразите время

8,6 = 10 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (8,6 − 10)/(8 − 10) = 0,7
t = τ·ln((8 − 10)/(8,6 − 10)) = 1034·ln(1,429) = 368,8 ms

Ответ

t = 368,8 ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: P = 2,284 W

Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.

Реактивные сопротивления

XL = 6,283 Ω, XC = 31,83 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(50² + (−25,55)²) = 56,15 Ω

Активная мощность

Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.

I = 12/56,15 = 0,2137 A
P = I²·R = 0,2137²·50 = 2,284 W

Ответ

P = 2,284 W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 159,2 Hz

Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.

Резонанс

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,1·10·10⁻⁶)) = 159,2 Hz

Ответ

f0 = 159,2 Hz
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 30 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.

Угол

φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 40·0,75 = 30 kvar

Ответ

Q = 30 kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Inew = 108,7 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.

Реактивная мощность до и после

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

Q1 = P·tan φ1 = 40·tan(49,46°) = 46,77 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(23,07°) = 17,04 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29,73 kvar

Новый ток линии

Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(400·0,92) = 108,7 A

Ответ

Inew = 108,7 A
17.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 3,445 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.

Фазное напряжение

Vph = 415/√3 = 239,6 V

Фазный ток

|Z| = √(18² + 24²) = 30 Ω
Iph = 239,6/30 = 7,987 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·7,987²·18 = 3,445 kW

Ответ

P = 3,445 kW

Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,6, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.

18.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 610,1 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 118,8 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 39614/(377·415²) = 610,1 µF

Ответ

Cph = 610,1 µF
19.Трансформаторы

Ответ: a = 6

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

a²·2 = 72
a = √(72/2) = √36 = 6

Ответ

a = 6
20.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 1203 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 = 0,5625·1250 = 703,1 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 500 + 703,1 = 1203 W

Ответ

Ploss = 1203 W

КПД при этой нагрузке η = 98,03%.

21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 3 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 = (4 − 1)·1 = 3 kΩ

Ответ

Rf = 3 kΩ
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,49 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.

Входные токи

V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.

I1 = V1/R1 = 0,1/10 = 0,01 mA
I2 = V2/R2 = −0,5/1 = −0,5 mA
If = I1 + I2 = −0,49 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −1·(−0,49) = 0,49 V

Ответ

Vout = 0,49 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: VCE = 11,91 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 = (15 − 0,7)/1000 kΩ = 14,3 µA

Ток коллектора

IC = β·IB = 80·14,3 µA = 1,144 mA

Напряжение коллектор–эмиттер

VCE = 15 − 1,144 mA·2,7 kΩ = 11,91 V

Ответ

VCE = 11,91 V
24.Диоды и транзисторы

Ответ: RB = 17,92 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) = (5 − 0,2)/1000 = 4,8 mA

Минимальный ток базы

IB(min) = IC(sat)/β = 4,8/100 = 48 µA

Расчётный ток базы

IB = 5·48 µA = 240 µA

Резистор базы

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,24 mA = 17,92 kΩ

Ответ

RB = 17,92 kΩ
25.Системы счисления

Ответ: N = −32

Позиционные системы счисления: каждая цифра стоит своего значения, умноженного на степень основания. В двоичной системе разряды стоят 1, 2, 4, 8, 16, …, в шестнадцатеричной 1, 16, 256, …, а A–F обозначают 10–15. В 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128 вместо +128; так хранятся отрицательные числа.

Сложите веса

Остальные биты сохраняют свои обычные положительные веса.

−128 + 64 + 32 = −32

Ответ

N = −32
26.Системы счисления

Ответ: R = 21

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

Сдвиг вправо на 2 перемещает каждый бит на 2 позиций вправо; биты, выходящие за правый край, теряются, а слева входят нули.

0101 0111 >> 2
= 0001 0101

Значение результата

0001 0101₂ = 21

Ответ

R = 21
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 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.

ABC00011110010001130204151706

Сгруппируйте единицы

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

BC
AC

Минимальная форма SOP

F = BC + AC
L = 4

Ответ

L = 4
28.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.

Простые импликанты

Самые большие группы, которые можно образовать из единиц и X.

B′CD′, BC′D, A′C′D, A′CD′, ACD, A′B′D′, ABD, A′B′C′, AB′C
ABCD00011110000111101011031204150716012113X150140809111X10

Минимальное покрытие

F = BC′D + A′CD′ + ACD + A′B′C′
N = 4

Ответ

N = 4

Существует другая группировка того же размера; в ней то же число членов и литералов.

29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.3) = 2,596

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 + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

Подбор числителя

F(s) = 5·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (8/2)·2/((s + 3)² + 2²)

Обратное преобразование

f(t) = e−3t·(5·cos 2t + 4·sin 2t)
f(0,3) = e−3·0,3·(5·cos(2·0,3) + 4·sin(2·0,3)) = 2,596

Ответ

f(0,3) = 2,596
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.2) = 6,144

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 − 8s − 8 + 11(sY − 8) + 30Y = 0
Y(s) = (8s + 96)/((s + 5)(s + 6))

Простые дроби

A = 56/1 = 56
B = 48/(−1) = −48

Результат

y(t) = 56·e−5t − 48·e−6t
y(0,2) = 6,144

Ответ

y(0,2) = 6,144

Проверка: y(0) = A + B = 8.

31.Структурные схемы

Ответ: τ = 0,06667 s

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) = 3/(s + 9 + 6) = 3/(s + 15)

Результат

τ = 1/15 = 0,06667 s

Ответ

τ = 0,06667 s
32.Структурные схемы

Ответ: css = 0,5682

Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).

Передаточные функции

C/D = G/(1 + K·G) = 5/(s + 9 + 35)

Установившийся режим

css = 5·5/44 = 0,5682

Ответ

css = 0,5682

Больший K ослабляет влияние возмущения, но с пропорциональным регулятором никогда не обращает его в нуль.

33.Переходная характеристика

Ответ: ts = 0,6667 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 = 91 → ωₙ = 9,539 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9,539) = 0,629

Результат

ζωₙ = 6 → ts ≈ 4/6 = 0,6667 s

Ответ

ts = 0,6667 s
34.Переходная характеристика

Ответ: K = 13,12

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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = K/(s² + 5s + K)

Коэффициент демпфирования по перерегулированию

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Коэффициент усиления

ωₙ = 5/(2ζ) = 3,623 rad/s
K = ωₙ² = 13,12

Ответ

K = 13,12
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ∠G(jω) = −120,3 °

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.

Сложите углы

∠G = atan(5/13) − 90° − atan(5/4) = 21,04° − 90° − 51,34°

Результат

∠G(j5) = −120,3°

Ответ

∠G(jω) = −120,3°
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 34,16 °

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 − 1764 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·1764))/2 = 34,76
ωc = 5,895 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(5,895/4) = −145,8°
PM = 180° + ∠L = 34,16°

Ответ

PM = 34,16°
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 72

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.

Характеристическое уравнение

s³ + 9s² + 8s + K = 0

Таблица Рауса

s³: 1, 8
s²: 9, K
s¹: (9·8 − K)/9
s⁰: K

Условия

Каждый элемент первого столбца должен быть положительным.

K > 0
9·8 − K > 0 → K < 72

Ответ

Kmax = 72

При K = 72 замкнутая система колеблется с частотой ω = √8 = 2,828 rad/s.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: θd = 36,87 °

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.

Положения полюсов

s² + 4s + 20 = 0 → s = −2 ± j4
s = −5

Углы от остальных полюсов

∠(−2 + j4 + 5) = atan2(4, 3) = 53,13°
∠(−2 + j4 − (−2 − j4)) = ∠(j8) = 90°

Угол выхода

θd = 180° − 53,13° − 90° = 36,87°

Ответ

θd = 36,87°
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 1,333

Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.

Коэффициент скоростной ошибки

Kv = lim s·G(s) = 3

Ошибка по линейному воздействию

ess = 4/3 = 1,333

Ответ

ess = 1,333
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ts = 2 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 + 4) + 25·1 = s² + 4s + 25

ωₙ и ζ

ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 4/(2·5) = 0,4

Время установления

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s

Ответ

ts = 2 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