n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.
Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Тренировочные задачи
1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I3 в ветви 3, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
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).
Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 16,5 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 24,5 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = −3,5 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 16,5 mA2·V1: I = 24,5 mA−Is: I = −3,5 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 10 VIs = 0,5 AR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 1 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 10 ms.
i(0) = 1 AR = 10 ΩL = 68 mHt = 10 ms
vR = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 400 ms.
Vs = 24 VR1 = 2,2 kΩR2 = 4,7 kΩC = 220 µFt = 400 ms
vC = V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.
V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µF
P = W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Нагрузка с полным сопротивлением Z = 4 + j3 Ω подключена к однофазной сети 120 V (действующее значение). Найдите потребляемую ею реактивную мощность Q.
V = 120 VZ = 4 + j3 Ω
Q = var
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 11 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 400 V, 60 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 33 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
P = 11 kWpf1 = 0,65V = 400 Vf = 60 HzC = 33 µF
cos φ =
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 18,5 kW. При этой нагрузке его КПД равен 91%, а коэффициент мощности 0,88 (отстающий). Линейное напряжение сети 415 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 18,5 kWη = 91%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 120 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 120 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 2:1 приложено 460 V. К вторичной обмотке подключён резистор 10 Ω. Найдите первичный ток I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 460 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 3000 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,85 (отстающий) его КПД равен 96,5%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.
S = 500 kVAPcore = 3000 Wpf = 0,85η = 96,5%
Pcu,fl = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,4 VR1 = 2 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Отношения резисторов не согласованы. Найдите выходное напряжение Vout.
NPN-транзистор с β = 80 смещён резистором базы RB = 220 kΩ от источника питания VCC = 10 V. Резистор коллектора RC = 2,2 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.
VCC = 10 VRB = 220 kΩRC = 2,2 kΩβ = 80VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Диоды и транзисторыСложная
Стабилизатор на стабилитроне 9,1 V имеет последовательный резистор 330 Ω. Входное напряжение может подниматься до 30 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность PZ,max, которую должен рассеивать стабилитрон.
Vin,max = 30 VVZ = 9,1 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
25.Системы счисленияСредняя
Установите биты так, чтобы они хранили −24 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?
N = −248 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
Установите биты в 8-битный результат операции 0011 0101 XOR 0111 1111. Чему равно значение результата R в десятичной системе?
0011 0101XOR0111 1111
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C) = Σm(2, 5, 6, 7). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?
F(A, B, C) = Σm(2, 5, 6, 7)
L =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Найдите минимальную форму SOP для F(A, B, C, D) = Σm(5, 7, 8, 13) + d(0, 6, 15), где d обозначает безразличные состояния. Сколько литералов, L, она содержит?
F(A, B, C, D) = Σm(5, 7, 8, 13) + d(0, 6, 15)
L =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 15/(s² + 2s + 37) выделением полного квадрата и вычислите f(1,5).
F(s) = 15/(s² + 2s + 37)t = 1,5 s
f(1.5) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 10y′ + 24y = 0 при y(0) = −2 и y′(0) = −8 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,1).
y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = −2y′(0) = −8t = 0,1 s
y(0.1) =
31.Структурные схемыСредняя
У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 5(s + 1)/((s + 3)(s + 4)). На задающее воздействие подаётся ступенька величиной 1. Найдите установившуюся ошибку ess.
G(s) = 5(s + 1)/((s + 3)(s + 4))R = 1
ess =
32.Структурные схемыСложная
Объект G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 7)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. При наибольшем устойчивом коэффициенте в контуре возникают колебания. Найдите частоту колебаний ω в rad/s.
Система имеет передаточную функцию G(s) = 152/(s² + 8s + 76) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 152/(s² + 8s + 76)
%OS = %
34.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 2 kg подвешена на пружине k = 100 N/m с вязким демпфером c = 8 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 10 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
m = 2 kgk = 100 N/mc = 8 N·s/mF = 10 N
ζ =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RC-фильтр верхних частот имеет R = 47 kΩ, C = 1 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 17 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.
R = 47 kΩC = 1 nFf = 17 kHz
φ = °
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 2 dB.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))GM = 2 dB
K =
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Показан корневой годограф L(s) = K/((s + 3)(s + 7)). Найдите коэффициент усиления K в точке отрыва sb, где два полюса замкнутой системы встречаются на вещественной оси.
L(s) = K/((s + 3)(s + 7))
K =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Процесс G(s) = 2,5/(1s + 1) управляется пропорциональным коэффициентом усиления K = 20 в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess по ступеньке в процентах от величины ступеньки.
G(s) = 2,5/(1s + 1)K = 20
ess = %
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 1/(s + 2) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 4 rad/s и ζ = 0,6. Найдите интегральный коэффициент Ki.
G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 4 rad/sζ = 0,6
Ki =
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 12,17 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.
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 = 12 + 15 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 8·27/(8+27) = 6,171 Ω
Req = R1 + 6,171 = 6 + 6,171 = 12,17 Ω
Ответ
Req = 12,17 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,4057 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 25 + 6 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 6,359 Ω
R3 + 6,359 = 8,359 Ω
R2 ∥ 8,359 = 6,264 Ω
Req = R1 + 6,264 = 3 + 6,264 = 9,264 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/9,264 = 1,619 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,619·3 = 10,14 V
IR2 = VA/R2 = 10,14/25 = 0,4057 A
Ответ
IR2 = 0,4057 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I3 = −1,855 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 − 9)/5 + (VA − 15)/15 + (VA − (−15))/10 = 0
Находим VA
VA = (9/5 + 15/15 + (−15)/10) / (1/5 + 1/15 + 1/10) = 1,3/0,3667 = 3,545 V
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 21,18 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 + 12
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 30)/30 + VA/6 + (VA + 12)/12 = 6
VA·(1/30 + 1/6 + 1/12) = 6 + 30/30 − 12/12 = 6
VA = 6/0,2833 = 21,18 V
VB = 33,18 V
Ответ
VA = 21,18 V
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 0,9804 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
6·I1 + 3(I1 − I2) = 6
9·I1 − 3·I2 = 6
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 3(I2 − I1) = (−10)
−3·I1 + 18·I2 = −10
Решите
Δ = (9)(18) − (−3)(−3) = 153
I1 = Δ1/Δ = 78/153 = 0,5098 A
I2 = Δ2/Δ = −72/153 = −0,4706 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 0,9804 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −1,455 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
25·I1 + 6(I1 − I2) = 24
31·I1 − 6·I2 = 24
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 6(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 19·I2 − 5·I3 = 0
ЗНК для контура 3
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
12·I3 + 5(I3 − I2) = (−24)
−5·I2 + 17·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8626
I1 = Δ1/Δ = 6432/8626 = 0,7457 A
I2 = Δ2/Δ = −1272/8626 = −0,1475 A
I3 = Δ3/Δ = −12552/8626 = −1,455 A
Ответ
I3 = −1,455 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR1 = 44,15 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.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 2+8 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
VA = 24·3,333/(20+3,333) = 3,429 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,429·8/10 = 2,743 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 3,429)/20 = 1,029 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R2 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 6 = 3,429 Ω
VB = −Is·Req = −4·3,429 = −13,71 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −13,71·4/6 = −9,143 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −9,143)/20 = 0,4571 A
Складываем вклады токов
IR1 = IR1′ + IR1″ = 1,029 + 0,4571 = 1,486 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR1 = IR1²·R1 = 1,486²·20 = 44,15 W
Ответ
PR1 = 44,15 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 25,34 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: I = 18 mA
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.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 16,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 24,5
I₁ + I₂ − I₃ = −3,5
Находим вклады
I₁ = 24,5 − 16,5 = 8 mA
I₃ = (16,5 − (−3,5))/2 = 10 mA
I₂ = 16,5 − 8 − 10 = −1,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 8 + 10 = 18 mA
Ответ
I = 18 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 7,5 Ω
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 5 = 7,5 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,702 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 15 = 19,8 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4 + 0,5·4,8 = 6,4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,4 + 0,5·15 = 13,9 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = 13,9/19,8 = 0,702 A
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 2,298 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
τ = L/R = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
Убывание тока
i(t) = 1·e−10/6,8 = 0,2298 A
vR = R·i = 10·0,2298 = 2,298 V
Ответ
vR = 2,298 V
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 11,1 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.
vC(0) = 24·4,7/(2,2 + 4,7) = 16,35 V
Постоянная времени после размыкания ключа
τ = R2·C = 4,7·220 = 1034 ms
Разряд
vC(t) = 16,35·e−400/1034 = 11,1 V
Ответ
vC = 11,1 V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: P = 4,144 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 = 25,13 Ω, XC = 7,958 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(20² + (17,17)²) = 26,36 Ω
Активная мощность
Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.
I = 12/26,36 = 0,4552 A
P = I²·R = 0,4552²·20 = 4,144 W
Ответ
P = 4,144 W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: f0 = 758,7 Hz
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Резонанс
При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Q = 1728 var
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Ток
|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 120/5 = 24 A
Реактивная мощность
Q = I²·X = 24²·3 = 1728 var
Ответ
Q = 1728 var
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,7113
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 = 11·tan(arccos 0,65) = 12,86 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·33·10⁻⁶ = 1991 var = 1,991 kvar
Q2 = 12,86 − 1,991 = 10,87 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(11² + 10,87²) = 15,46 kVA
Новый коэффициент мощности
cos φ = P/S2 = 11/15,46 = 0,7113
Ответ
cos φ = 0,7113
17.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 32,14 A
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Потребляемая электрическая мощность
Pin = Pout/η = 18,5/0,91 = 20,33 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20330/(√3·415·0,88) = 32,14 A
Ответ
IL = 32,14 A
18.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 429,9 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 = 120·tan(acos 0,7) = 120·1,02 = 122,4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 64,31 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой звездой, каждый конденсатор включён между линейным проводом и нейтральной точкой.
Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.
Вторичные напряжение и ток
V2 = 460/2 = 230 V
I2 = 230/10 = 23 A
Первичный ток
Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 11,5 A
Ответ
I1 = 11,5 A
Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 40 Ω, и 460/40 даёт тот же ток.
20.Трансформаторы
Ответ: Pcu,fl = 12415 W
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.
Выходная и потребляемая мощность
Pout = 500·0,85 = 425 kW
Pin = 425000/0,965 = 440415 W
Суммарные потери и потери в меди
Ploss = 440415 − 425000 = 15415 W
Pcu,fl = 15415 − 3000 = 12415 W
Ответ
Pcu,fl = 12415 W
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 4,8 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 0,4 V
I = V₋/R1 = 0,4/2 = 0,2 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,4 + 0,2·22 = 4,8 V
Ответ
Vout = 4,8 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −3,87 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) = −2·10/(22 + 10) = −0,625 V
Наложение двух входов
При V₂ = 0 для V₁ схема — инвертирующий усилитель. При V₁ = 0 V₊ усиливается с коэффициентом неинвертирующего усилителя 1 + R₂/R₁.
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.
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 = 20,9/330 = 63,33 mA
Мощность стабилитрона
PZ = 9,1·63,33 = 576,3 mW
Ответ
PZ,max = 576,3 mW
25.Системы счисления
Ответ: U = 232
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
24 = 0001 1000
инвертировано: 1110 0111
+1 → 1110 1000
Прочитайте как беззнаковое
1110 1000₂ = 256 − 24 = 232
Ответ
U = 232
26.Системы счисления
Ответ: R = 74
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
XOR даёт 1 там, где два бита различаются.
0011 0101
XOR 0111 1111
= 0100 1010
Значение результата
0100 1010₂ = 74
Ответ
R = 74
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.
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: L = 5
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.
BD, B′C′D′, A′BC
Минимальное покрытие
F = BD + B′C′D′
L = 5
Ответ
L = 5
29.Преобразования Лапласа
Ответ: f(1.5) = 0,2299
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 + 2s + 37 = (s + 1)² + 36 = (s + 1)² + 6²
Подбор числителя
F(s) = (15/6)·6/((s + 1)² + 6²)
Обратное преобразование
f(t) = e−t·(2,5·sin 6t)
f(1,5) = e−1,5·(2,5·sin(6·1,5)) = 0,2299
Ответ
f(1,5) = 0,2299
30.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.1) = −2,313
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 − (−2)s − (−8) + 10(sY − (−2)) + 24Y = 0
Y(s) = (−2s − 28)/((s + 4)(s + 6))
Простые дроби
A = −20/2 = −10
B = −16/(−2) = 8
Результат
y(t) = −10·e−4t + 8·e−6t
y(0,1) = −2,313
Ответ
y(0,1) = −2,313
Проверка: y(0) = A + B = −2.
31.Структурные схемы
Ответ: ess = 0,7059
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Коэффициент ошибки по положению
Kₚ = G(0) = 5·1/(3·4) = 0,4167
Установившаяся ошибка
ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 0,4167) = 0,7059
Ответ
ess = 0,7059
32.Структурные схемы
Ответ: ω = 7,071 rad/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).
Характеристическое уравнение
s³ + 13s² + 50s + 56 + K = 0
Таблица Рауса
s³ | 1 50
s² | 13 56 + K
s¹ | (13·50 − 56 − K)/13
s⁰ | 56 + K
Граница устойчивости
Все элементы первого столбца должны быть положительными.
Kmax = 13·50 − 56 = 594
Частота колебаний
13·(jω)² + 56 + 594 = 0 → ω² = 650/13 = 50
ω = 7,071 rad/s
Ответ
ω = 7,071 rad/s
33.Переходная характеристика
Ответ: %OS = 19,74 %
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 = 76 → ωₙ = 8,718 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,718) = 0,4588
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,622 = 19,74 %
Ответ
%OS = 19,74 %
34.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,2828
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) = √(100/2) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 8/(2·√(100·2)) = 0,2828
Результат
ζ = 0,2828
Ответ
ζ = 0,2828
35.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: φ = 11,27 °
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Частота среза
ωc = 1/(RC) = 1/(47000·1 × 10⁻⁹) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 17000/3386 = 5,02
Фаза
φ = 90° − atan(5,02) = 11,27°
Ответ
φ = 11,27°
36.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: K = 309,8
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.
Характеристическое уравнение
s³ + 7s² + 10s + K = 0
Таблица Рауса
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K
Условия
Каждый элемент первого столбца должен быть положительным.
K > 0
7·10 − K > 0 → K < 70
Ответ
Kmax = 70
При K = 70 замкнутая система колеблется с частотой ω = √10 = 3,162 rad/s.
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: K = 4
Корневой годограф: при изменении коэффициента усиления K от 0 до ∞ полюса замкнутой системы, то есть корни уравнения 1 + K·G(s) = 0, перемещаются от полюсов разомкнутой системы к её нулям или в бесконечность. Точка на вещественной оси принадлежит годографу, если число вещественных полюсов и нулей правее неё нечётно. Ветви, уходящие в бесконечность (их n − m), идут вдоль асимптот под углами (2q + 1)·180°/(n − m), выходящих из центра асимптот σₐ = (Σ полюсов − Σ нулей)/(n − m). Ветви покидают вещественную ось или возвращаются на неё там, где dK/ds = 0. Условие по углу ∠G(s) = 180° определяет форму годографа, а условие по модулю K = 1/|G(s)| даёт коэффициент усиления в любой точке годографа.
Точка отрыва
Для K = −(s + 3)(s + 7) равенство dK/ds = 0 даёт 2s + 10 = 0.
sb = −5
Условие по модулю
K = |−5 + 3|·|−5 + 7| = 2·2 = 4
Ответ
K = 4
При этом коэффициенте усиления замкнутая система критически демпфирована (ζ = 1).
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 1,961 %
Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.
Коэффициент позиционной ошибки
Kp = 20·2,5 = 50
Ошибка по ступеньке
ess = 100/(1 + 50) = 1,961 %
Ответ
ess = 1,961 %
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: Ki = 16
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 + 2).
s² + (2 + 1Kp)s + 1Ki
Целевой полином
s² + 2·0,6·4s + 4² = s² + 4,8s + 16
Приравняйте коэффициенты
1Ki = 16 → Ki = 16
Ответ
Ki = 16
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.