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 ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.
V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 32,5 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 43,5 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 13,5 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 32,5 mA2·V1: I = 43,5 mA−Is: I = 13,5 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 30 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 5 VR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 9,6 V, ровно через 25 ms после старта. При C = 100 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 12 VVth = 9,6 VT = 25 msC = 100 µF
R = kΩ
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.
V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 47 µF
P = W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 22 µF
VC = V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
К однофазной сети 240 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 4 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) и нагреватель мощностью 22 kW (коэффициент мощности 1). Найдите общий ток I, потребляемый от сети.
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Источник 12 V (действующее значение), 1000 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 2 + j6 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.
Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 2 + j6 Ω
Pmax = W
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 150 A от сети с линейным напряжением 400 V. Коэффициент мощности 0,95 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 400 VIL = 150 Acos φ = 0,95
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
Однофазный трансформатор 100 kVA, 4160/480 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.
S = 100 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
IHV = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 250 kVA имеет потери в стали 1500 W и потери в меди 6000 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?
S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 6000 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. На инвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
NPN-транзистор с β = 80 смещён делителем напряжения от VCC = 12 V: R₁ = 22 kΩ от VCC к базе и R₂ = 4,7 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 1 kΩ, резистор эмиттера RE = 470 Ω. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.
Стабилизатор на стабилитроне 5,6 V имеет последовательный резистор 270 Ω. Входное напряжение может подниматься до 12 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность PZ,max, которую должен рассеивать стабилитрон.
Vin,max = 12 VVZ = 5,6 VR = 270 Ω
PZ,max = mW
25.Системы счисленияСредняя
8-битная комбинация 1111 1101 хранит целое число со знаком в дополнительном коде. Каково его значение N в десятичной системе?
1111 11018 bit
N =
26.Системы счисленияСложная
Установите биты в 8-битный результат операции 0001 1000 XOR 1011 0011. Чему равно значение результата R в десятичной системе?
0001 1000XOR1011 0011
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(0, 1, 6, 7). Сколько членов-произведений, N, в ней?
F(A, B, C) = Σm(0, 1, 6, 7)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Счётчик по модулю 12 построен на минимальном числе триггеров. Сколько из возможных состояний, U, никогда не используется?
N = 12
U =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (s + 21)/(s² + 6s + 18) выделением полного квадрата и вычислите f(0,25).
F(s) = (s + 21)/(s² + 6s + 18)t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 20y = 30·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 10 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,1).
Объект G(s) = K/((s + 1)(s + 2)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. Найдите коэффициент K, при котором замкнутая система демпфирована критически (два равных вещественных полюса).
G(s) = K/((s + 1)(s + 2))единичная отрицательная обратная связь
K =
32.Структурные схемыСложная
Упростите структурную схему, где G₁ = 19/(s + 3), G₂ = 3/(s + 4), внутренняя отрицательная обратная связь H₁ = 1 охватывает G₂, а внешняя отрицательная обратная связь H₂ = 0,2. Найдите статический коэффициент передачи T(0) C(s)/R(s).
G₁ = 19/(s + 3)G₂ = 3/(s + 4)H₁ = 1H₂ = 0,2
T(0) =
33.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 10,5/(s² + 4s + 21) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 10,5/(s² + 4s + 21)
ts = s
34.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 8 kg подвешена на пружине k = 5000 N/m с вязким демпфером c = 200 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 25 N. Найдите перерегулирование %OS смещения в процентах.
m = 8 kgk = 5000 N/mc = 200 N·s/mF = 25 N
%OS = %
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 2,2 kΩ, C = 4,7 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 31 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.
R = 2,2 kΩC = 4,7 nFf = 31 kHz
|H| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 680/(s(s + 8)). Найдите запас по фазе PM в градусах.
L(s) = 680/(s(s + 8))
PM = °
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4)), K > 0. Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.
L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Корневой годограф L(s) = K(s + 6)/(s(s + 2)) покидает вещественную ось между s = 0 и s = −2, огибает нуль по окружности и снова выходит на вещественную ось левее нуля. Найдите точку отрыва sb.
L(s) = K(s + 6)/(s(s + 2))
sb =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
На контур с единичной обратной связью и G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 4)(s + 10)) подано линейное воздействие r(t) = 3t. Найдите установившуюся ошибку ess.
G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 4)(s + 10))r(t) = 3t
ess =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K = 25 управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 8)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 1/(s(s + 8))K = 25
%OS = %
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,6081 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.
R3 + R4 = 2 + 6 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 12 + 4,444 = 16,44 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/16,44 = 0,6081 A
Ответ
IR1 = 0,6081 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,09091 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 = 5 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 1,667 Ω
R3 + 1,667 = 26,67 Ω
R2 ∥ 26,67 = 11,43 Ω
Req = R1 + 11,43 = 20 + 11,43 = 31,43 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/31,43 = 0,1591 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,1591·20 = 1,818 V
IR2 = VA/R2 = 1,818/20 = 0,09091 A
Ответ
IR2 = 0,09091 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = −0,1275 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.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/10 + (VA − 6)/12 + (VA − VB)/2 = 0
0,6833·VA − 0,5·VB = 0,5
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/2 = 1,5
−0,5·VA + 0,5667·VB = 1,5
Решите
Δ = (0,6833)(0,5667) − (−0,5)(−0,5) = 0,1372
VA = Δ1/Δ = 1,033/0,1372 = 7,53 V
VB = Δ2/Δ = 1,275/0,1372 = 9,291 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 7,53)/12 = −0,1275 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,5088 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.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 5 V, V2 = 30 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/5 + (VA − 5)/12 + (VA − VB)/30 = 0
0,3167·VA − 0,03333·VB = 0,4167
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
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
10·I1 + 2(I1 − I2) = 6
12·I1 − 2·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 + 2(I2 − I1) = (−6)
−2·I1 + 17·I2 = −6
Решите
Δ = (12)(17) − (−2)(−2) = 200
I1 = Δ1/Δ = 90/200 = 0,45 A
I2 = Δ2/Δ = −60/200 = −0,3 A
Ответ
IR2 = I2 = −0,3 A
VR2 = IR2·R2 = −0,3·15 = −4,5 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,7983 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
30·I1 + 8(I1 − I2) = 30
38·I1 − 8·I2 = 30
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 + 8(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 63·I2 − 30·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
8·I3 + 30(I3 − I2) = (−6)
−30·I2 + 38·I3 = −6
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 54340
I1 = Δ1/Δ = 43380/54340 = 0,7983 A
I2 = Δ2/Δ = 2280/54340 = 0,04196 A
I3 = Δ3/Δ = −6780/54340 = −0,1248 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,7983 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = 7,752 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 5+6 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·11/(6+11) = 3,882 Ω
VA = 15·3,882/(8+3,882) = 4,901 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,901·6/11 = 2,673 V
VR2′ = VA − 0 = 4,901 − 0 = 4,901 V
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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 8,429 = 3,505 Ω
VB = Is·Req = 2·3,505 = 7,01 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,01·3,429/8,429 = 2,851 V
VR2″ = VA − 0 = 2,851 − 0 = 2,851 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 4,901 + 2,851 = 7,752 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: I = 20,5 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 = 32,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 43,5
I₁ + I₂ − I₃ = 13,5
Находим вклады
I₁ = 43,5 − 32,5 = 11 mA
I₃ = (32,5 − 13,5)/2 = 9,5 mA
I₂ = 32,5 − 11 − 9,5 = 12 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 11 + 9,5 = 20,5 mA
Ответ
I = 20,5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 0,4615 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 10 = 18,57 Ω
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) = 15·20/(15+20) = 8,571 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 = 8,571/18,57 = 0,4615 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 66,83 W
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 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) = 6,667 + (−5)·6,667 = −26,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −26,67 + (−5)·8 = −66,67 V
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) = −66,67/(14,67 + 30) = −1,493 A
PL = IL²·RL = −1,493²·30 = 66,83 W
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,09578 A
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
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.
Требуемая постоянная времени
9,6 = 12·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(12/(12 − 9,6))
τ = 25/1,609 = 15,53 ms
Сопротивление
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
R = τ/C = 15,53/100 = 0,1553 kΩ
Ответ
R = 0,1553 kΩ
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: P = 0,7171 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 = 125,7 Ω, XC = 16,93 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(15² + (108,7)²) = 109,8 Ω
Активная мощность
Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.
I = 24/109,8 = 0,2187 A
P = I²·R = 0,2187²·15 = 0,7171 W
Ответ
P = 0,7171 W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VC = 200,5 V
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивные сопротивления
ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,02 = 25,13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 230/41,5 = 5,543 A
Напряжение на конденсаторе
VC = I·XC = 5,543·36,17 = 200,5 V
Ответ
VC = 200,5 V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 110,6 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 каждой нагрузки
Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).
Q1 = 4·tan(arccos 0,6) = 5,333 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Суммы
P = 4 + 22 = 26 kW
Q = 5,333 + 0 = 5,333 kvar
S = √(26² + 5,333²) = 26,54 kVA
Общий ток
I = S/V = 26541/240 = 110,6 A
Ответ
I = 110,6 A
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Pmax = 18 W
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Сопряжённое согласование
Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.
ZL = Zs* = 2 − j6 Ω
Наибольшая мощность
I = Vs/(2Rs) = 12/4 = 3 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·2) = 18 W
Ответ
Pmax = 18 W
17.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 98,73 kW
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Полная мощность
S = √3·VL·IL = √3·400·150 = 103,9 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 103,9·0,95 = 98,73 kW
Ответ
P = 98,73 kW
18.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 213 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 34,58 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 11525/(314,2·415²) = 213 µF
Ответ
Cph = 213 µF
19.Трансформаторы
Ответ: IHV = 24,04 A
Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.
Номинальный ток
Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.
IHV = S/V = 100000/4160 = 24,04 A
Ответ
IHV = 24,04 A
20.Трансформаторы
Ответ: Sη,max = 125 kVA
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 равны потерям в стали
x²·6000 = 1500 → x = √(1500/6000) = 0,5
Нагрузка при максимальном КПД
Sη,max = x·S = 0,5·250 = 125 kVA
Ответ
Sη,max = 125 kVA
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 2,766 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.
Коэффициент усиления
|Av| = Rf/R1 = 4,7/1 = 4,7
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 13/4,7 = 2,766 V
Ответ
Vin,max = 2,766 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −5,287 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 = −0,1/4,7 = −0,02128 mA
I2 = V2/R2 = 1,1/2 = 0,55 mA
If = I1 + I2 = 0,5287 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −10·0,5287 = −5,287 V
Ответ
Vout = −5,287 V
23.Диоды и транзисторы
Ответ: VCE = 8,024 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.
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = 12·4,7/(22 + 4,7) = 2,112 V
RTH = 22·4,7/(22 + 4,7) = 3,873 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (2,112 − 0,7)/(3,873 + 81·0,47) = 33,67 µA
Ток коллектора
IC = 80·33,67 µA = 2,694 mA
IE = 81·33,67 µA = 2,728 mA
Напряжение коллектор–эмиттер
VCE = 12 − 2,694·1 − 2,728·0,47 = 8,024 V
Ответ
VCE = 8,024 V
24.Диоды и транзисторы
Ответ: PZ,max = 132,7 mW
Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.
Ток стабилитрона в худшем случае
IZ = 6,4/270 = 23,7 mA
Мощность стабилитрона
PZ = 5,6·23,7 = 132,7 mW
Ответ
PZ,max = 132,7 mW
25.Системы счисления
Ответ: N = −3
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 + 16 + 8 + 4 + 1 = −3
Ответ
N = −3
26.Системы счисления
Ответ: R = 171
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.
0001 1000
XOR 1011 0011
= 1010 1011
Значение результата
1010 1011₂ = 171
Ответ
R = 171
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 2
Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.
Сгруппируйте единицы
Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.
A′B′
AB
Минимальная форма SOP
F = A′B′ + AB
N = 2
Ответ
N = 2
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: U = 4
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.
Число триггеров
2ⁿ ≥ 12 → n = 4 (2⁴ = 16)
Неиспользуемые состояния
U = 16 − 12 = 4
Ответ
U = 4
29.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.25) = 2,278
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 Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование уравнения
Y(s) = 300/(s(s + 4)(s + 5))
Простые дроби
A = 300/(4·5) = 15
B = 300/((−4)·1) = −75
C = 300/((−5)·(−1)) = 60
Выделение
y(t) = 15 − 75·e−4t + 60·e−5t
y(0,1) = 1,118
Ответ
y(0,1) = 1,118
31.Структурные схемы
Ответ: K = 0,25
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Характеристическое уравнение
1 + K/((s + 1)(s + 2)) = 0 → s² + 3s + 2 + K = 0
Кратный корень
Квадратный трёхчлен s² + βs + γ имеет двойной корень, когда β² = 4γ.
3² = 4(2 + K) → K = 9/4 − 2 = 0,25
Ответ
K = 0,25
Тогда оба полюса замкнутой системы находятся в s = −1,5.
32.Структурные схемы
Ответ: T(0) = 1,759
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).
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 = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,583) = 0,4364
Результат
ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s
Ответ
ts = 2 s
34.Переходная характеристика
Ответ: %OS = 16,3 %
Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).
Собственная частота и коэффициент демпфирования
ωₙ = √(k/m) = √(5000/8) = 25 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 200/(2·√(5000·8)) = 0,5
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,3 %
Ответ
%OS = 16,3 %
35.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |H| = −7,038 dB
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Частота среза
ωc = 1/(RC) = 1/(2200·4,7 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 31000/15392 = 2,014
Коэффициент усиления
|H| = 1/√(1 + 2,014²) = 0,4447
20·log₁₀(0,4447) = −7,038 dB
Ответ
|H| = −7,038 dB
36.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: PM = 17,44 °
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 + 64ω² − 462400 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·462400))/2 = 648,8
ωc = 25,47 rad/s
Запас по фазе
∠L(jωc) = −90° − atan(25,47/8) = −162,6°
PM = 180° + ∠L = 17,44°
Ответ
PM = 17,44°
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: Kmax = 210
Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.
Характеристический полином
s³ + 9s² + 26s + 24 + K = 0
Таблица Рауса
s³: 1, 26
s²: 9, 24 + K
s¹: (9·26 − 24 − K)/9
s⁰: 24 + K
Условие
Элемент строки s¹ должен оставаться положительным.
K < 9·26 − 24 = 210
Ответ
Kmax = 210
На границе устойчивости контур колеблется с частотой ω = √26 = 5,099 rad/s.
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: sb = −1,101
Корневой годограф: при изменении коэффициента усиления K от 0 до ∞ полюса замкнутой системы, то есть корни уравнения 1 + K·G(s) = 0, перемещаются от полюсов разомкнутой системы к её нулям или в бесконечность. Точка на вещественной оси принадлежит годографу, если число вещественных полюсов и нулей правее неё нечётно. Ветви, уходящие в бесконечность (их n − m), идут вдоль асимптот под углами (2q + 1)·180°/(n − m), выходящих из центра асимптот σₐ = (Σ полюсов − Σ нулей)/(n − m). Ветви покидают вещественную ось или возвращаются на неё там, где dK/ds = 0. Условие по углу ∠G(s) = 180° определяет форму годографа, а условие по модулю K = 1/|G(s)| даёт коэффициент усиления в любой точке годографа.
Коэффициент усиления вдоль вещественной оси
K(s) = −(s² + 2s)/(s + 6)
Стационарные точки
Продифференцируйте по правилу для частного и приравняйте числитель к нулю.
(2s + 2)(s + 6) − (s² + 2s) = s² + 12s + 12 = 0
s = −6 ± √24 = −1,101, −10,9
Точка отрыва
sb = −1,101
Ответ
sb = −1,101
Между двумя точками годограф представляет собой окружность с центром в нуле и радиусом √24 = 4,899.
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 6
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) = 0,5
Ошибка по линейному воздействию
ess = 3/0,5 = 6
Ответ
ess = 6
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: %OS = 1,516 %
П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).
Характеристический полином
s(s + 8) + 25·1 = s² + 8s + 25
ωₙ и ζ
ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 8/(2·5) = 0,8
Перерегулирование
%OS = 100·e−0,8π/√(1 − 0,8²) = 1,516 %
Ответ
%OS = 1,516 %
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.