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​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​5 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 5 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBR6​25 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​10 Ω+−V1​24 VR2​10 Ω+−V2​12 VR3​15 Ω−+V3​18 VI3​A

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.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩV2 = 12 VR2 = 10 ΩV3 = 18 VR3 = 15 Ω
I3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 25 ΩIR1​R2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​3 ΩAR5​25 ΩBIs​0,5 A−+V2​12 V

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

V1 = 10 VIs = 0,5 AV2 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 ΩR5 = 25 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I2 (по часовой стрелке).

V1 = 30 VV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 12 ΩIR2​R3​ = 12 Ω+−V1​15 VR4​20 ΩAR5​10 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR2 через R2 в направлении стрелки.

V1 = 15 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 ΩR5 = 10 Ω
IR2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

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

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R4​ = 12 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩAIs​5 AB+−V2​10 V

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

V1 = 30 VIs = 5 AV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩARL​2 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAIs​2 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 20 ΩL33 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 2 ms, в mJ.

Vs = 20 VR = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​12 Vразмыкается при t = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 1 kΩC220 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 100 ms.

Vs = 12 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µFt = 100 ms
vC = V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
50 V100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2,2 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
P = W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
24 V500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 26 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 26 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 26 kWpf = 0,65V = 230 V
Q = kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
100 V50 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Источник 100 V (действующее значение), 50 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 50 + j20 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.

Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 50 + j20 Ω
Pmax = W
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M110 kW, η = 92%cos φ = 0,82

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 110 kW. При этой нагрузке его КПД равен 92%, а коэффициент мощности 0,82 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 110 kWη = 92%cos φ = 0,82VL = 400 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 60 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 = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
RL​ = 4 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 10:1 приложено 2400 V. К вторичной обмотке подключён резистор 4 Ω. Найдите первичный ток I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 4 Ω
I1 = A
20.ТрансформаторыСложная
200 kVA

Однофазный трансформатор 200 kVA имеет потери в стали 800 W и потери в меди 1600 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?

S = 200 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 1600 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 10.

R1 = 100 kΩAv = 10
Rf = kΩ
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = 1,8 VR = 22 kΩ

Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 1,8 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 50 ms.

Vin = 1,8 VR = 22 kΩC = 2,2 µFVsat = ±12 Vt = 50 ms
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
+−18 V270 Ω9,1 V2200 ΩIZ​ = ?

Стабилизатор на стабилитроне 9,1 V питается от 18 V через 270 Ω и питает нагрузку 2200 Ω. Найдите ток стабилитрона IZ.

Vin = 18 VVZ = 9,1 VR = 270 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
RC​ = 330 Ωβ = 100IC​ = ?VCC​ = 5 V5 VRB​ = 220 kΩ

NPN-транзистор с β = 100 коммутирует нагрузочный резистор 330 Ω, включённый между VCC = 5 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы RB = 220 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Найдите ток коллектора IC в mA при высоком уровне на входе. Сначала определите, насыщен ли транзистор.

VCC = 5 VRC = 330 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 220 kΩ
IC = mA
25.Системы счисленияСредняя
веса разрядов в дополнительном коде1−12806413201618040211

8-битная комбинация 1010 1001 хранит целое число со знаком в дополнительном коде. Каково его значение N в десятичной системе?

1010 10018 bit
N =
26.Системы счисленияСложная
нажимайте на биты, чтобы установить их012806403201608040201

Установите биты в 8-битный результат операции 0010 1111 OR 0010 0001. Чему равно значение результата R в десятичной системе?

0010 1111OR0010 0001
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
MUX0I0​0I1​CI2​0I3​ABS1​S0​F

У мультиплексора 4 в 1 адресные входы S₁ = A и S₀ = B, а информационные входы подключены так: I₀ = 0, I₁ = 0, I₂ = C, I₃ = 0. Для скольких из 8 комбинаций A, B и C выход F = 1? Найдите N.

I₀ = 0I₁ = 0I₂ = CI₃ = 0
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

4-разрядный сдвиговый регистр Q₃Q₂Q₁Q₀ содержит 0000. По каждому фронту тактового сигнала биты сдвигаются на одну позицию вправо (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ теряется), а последовательный вход поступает в Q₃. Последовательный вход равен 0, 1, 1, 1 на 4 фронтах. Укажите итоговое состояние Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ в виде десятичного числа.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00000, 1, 1, 1
Q =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

Найдите f(t) для F(s) = 33/(s² + 8s + 17) выделением полного квадрата и вычислите f(0,4).

F(s) = 33/(s² + 8s + 17)t = 0,4 s
f(0.4) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t), где y(0) = 5 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 1. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,8).

y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,8 s
y(0.8) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+6s + 4G(s)C(s)0,2H−

Объект G(s) = 6/(s + 4) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 0,2. На R подаётся ступенька величиной 24. Найдите установившееся значение выхода css.

G(s) = 6/(s + 4)H = 0,2R = 24
css =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+2s + 1G₁+8s + 4G₂C(s)2H₁−0,5H₂−

Упростите структурную схему, где G₁ = 2/(s + 1), G₂ = 8/(s + 4), внутренняя отрицательная обратная связь H₁ = 2 охватывает G₂, а внешняя отрицательная обратная связь H₂ = 0,5. Найдите статический коэффициент передачи T(0) C(s)/R(s).

G₁ = 2/(s + 1)G₂ = 8/(s + 4)H₁ = 2H₂ = 0,5
T(0) =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 39/(s² + 2s + 39) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 39/(s² + 2s + 39)
tp = s
34.Переходная характеристикаСложная
t (s)y(t)15 %

Переходная характеристика системы второго порядка без нулей должна иметь перерегулирование 5 %. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

%OS = 5 %
ζ =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​L = 5 mHC = 1 µFR = 10 Ωvout​

В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 10 Ω при L = 5 mH и C = 1 µF. Найдите полосу пропускания по уровню −3 dB BW в Hz.

R = 10 ΩL = 5 mHC = 1 µF
BW = Hz
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 14/(s(s + 1)(s + 6)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 14/(s(s + 1)(s + 6))
GM = dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K1s(s + 4)(s + 10)C(s)−

Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)). Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

Корневой годограф L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8)) покидает вещественную ось между s = 0 и s = −2. Найдите точку отрыва sb.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8))
sb =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
R(s)+K(s + 2)(s + 5)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет G(s) = K/((s + 2)(s + 5)). Найдите коэффициент усиления K, при котором установившаяся ошибка по ступеньке составляет 10 %.

G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 10 %
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 4C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 2/(s + 4) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 5 rad/s и ζ = 0,7. Найдите интегральный коэффициент Ki.

G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,7
Ki =

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 11,14 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​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​5 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 = 20 + 5 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
Req = R1 + 7,143 = 4 + 7,143 = 11,14 Ω

Ответ

Req = 11,14 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 2,198 A

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBR6​25 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 = 20 + 25 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 11,25 Ω
R3 + 11,25 = 16,25 Ω
R2 ∥ 16,25 = 4,382 Ω
Req = R1 + 4,382 = 12 + 4,382 = 16,38 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 36/16,38 = 2,198 A

Ответ

IR1 = 2,198 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I3 = −1,8 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 − 24)/10 + (VA − 12)/10 + (VA − (−18))/15 = 0

Находим VA

VA = (24/10 + 12/10 + (−18)/15) / (1/10 + 1/10 + 1/15) = 2,4/0,2667 = 9 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I3 = ((−18) − VA)/R3 = ((−18) − 9)/15 = −1,8 A

Ответ

I3 = −1,8 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,3798 A

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

R1​ = 25 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​3 ΩAR5​25 ΩBIs​0,5 A−+V2​12 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 10 V, V2 = −12 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/3 + (VA − 10)/25 + (VA − VB)/25 = 0
0,4133·VA − 0,04·VB = 0,4

ЗТК в узле B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/25 + (VB − VA)/25 + (VB − (−12))/8 = 0,5
−0,04·VA + 0,205·VB = −1

Решите

Δ = (0,4133)(0,205) − (−0,04)(−0,04) = 0,08313
VA = Δ1/Δ = 0,042/0,08313 = 0,5052 V
VB = Δ2/Δ = −0,3973/0,08313 = −4,779 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 0,5052)/25 = 0,3798 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 3,053 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​ = 3 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Задайте контурные токи

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

ЗНК для контура 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
3·I1 + 8(I1 − I2) = 30
11·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 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 11·I2 = −6

Решите

Δ = (11)(11) − (−8)(−8) = 57
I1 = Δ1/Δ = 282/57 = 4,947 A
I2 = Δ2/Δ = 174/57 = 3,053 A

Ответ

I2 = 3,053 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = 0,1682 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR4​20 ΩAR5​10 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 20(I1 − I2) = 15
28·I1 − 20·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
12·I2 + 20(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 42·I2 − 10·I3 = 0

ЗНК для контура 3

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

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
12·I3 + 10(I3 − I2) = (−15)
−10·I2 + 22·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 14272
I1 = Δ1/Δ = 9360/14272 = 0,6558 A
I2 = Δ2/Δ = 2400/14272 = 0,1682 A
I3 = Δ3/Δ = −8640/14272 = −0,6054 A

Ответ

IR2 = I2 = 0,1682 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR3 = 0,4839 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​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​3 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 = 2+3 = 5 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
VA = 15·1,429/(3+1,429) = 4,839 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,839·3/5 = 2,903 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (2,903 − 4,839)/2 = −0,9677 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​3 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) = 3 ∥ 3,2 = 1,548 Ω
VB = Is·Req = 3·1,548 = 4,645 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,645·1,2/3,2 = 1,742 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (4,645 − 1,742)/2 = 1,452 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,9677) + 1,452 = 0,4839 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR2 = 2,5 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​ = 10 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​30 VR3​4 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) = 4 ∥ 22 = 3,385 Ω
VA = 30·3,385/(12+3,385) = 6,6 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,6·12/22 = 3,6 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (3,6 − 6,6)/10 = −0,3 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​4 ΩAIs​5 ABКЗ

Случай 2 · действует только Is

Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 3 Ω, поэтому левый путь — R2+3 = 13 Ω
Req = R4 ∥ 13 = 6,24 Ω
VB = Is·Req = 5·6,24 = 31,2 V
VA = VB·3/13 = 7,2 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (31,2 − 7,2)/10 = 2,4 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​4 ΩAОБРЫВB+−V2​10 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·13/25 = 5,2 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,2·3/13 = 1,2 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (5,2 − 1,2)/10 = 0,4 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0,3) + 2,4 + 0,4 = 2,5 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,2935 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​ = 20 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​12 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 2 = 9,5 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​12 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) = 9·12/(20+12) = 3,375 V
Rth​ = 9,5 Ω+−Vth​3,375 VRL​2 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) = 3,375/(9,5 + 2) = 0,2935 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 20,75 V

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​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​3 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 4 = 5,875 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​3 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) = 9 + 2·1,875 = 12,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,75 + 2·4 = 20,75 V
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 8,141 mJ

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

Постоянная времени и конечный ток

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

τ = L/R = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A

Ток в заданный момент

i(t) = 1·(1 − e−2/1,65) = 0,7024 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·33·0,7024² = 8,141 mJ

Ответ

W = 8,141 mJ
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 1,771 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) = 12·1/(3,3 + 1) = 2,791 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 1·220 = 220 ms

Разряд

vC(t) = 2,791·e−100/220 = 1,771 V

Ответ

vC = 1,771 V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: P = 0,6806 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 = 723,4 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(100² + (−597,8)²) = 606,1 Ω

Активная мощность

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

I = 50/606,1 = 0,0825 A
P = I²·R = 0,0825²·100 = 0,6806 W

Ответ

P = 0,6806 W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,3595 A

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

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (59,65)²) = 66,77 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 24/66,77 = 0,3595 A

Ответ

I = 0,3595 A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 30,4 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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 26·1,169 = 30,4 kvar

Ответ

Q = 30,4 kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Pmax = 50 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* = 50 − j20 Ω

Наибольшая мощность

I = Vs/(2Rs) = 100/100 = 1 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·50) = 50 W

Ответ

Pmax = 50 W
17.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 210,5 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 = 110/0,92 = 119,6 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 119565/(√3·400·0,82) = 210,5 A

Ответ

IL = 210,5 A
18.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 349,2 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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 63,2 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21066/(377·400²) = 349,2 µF

Ответ

Cph = 349,2 µF
19.Трансформаторы

Ответ: I1 = 6 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.

Вторичные напряжение и ток

V2 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/4 = 60 A

Первичный ток

Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/10 = 6 A

Ответ

I1 = 6 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 400 Ω, и 2400/400 даёт тот же ток.

20.Трансформаторы

Ответ: Sη,max = 141,4 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

x²·1600 = 800 → x = √(800/1600) = 0,7071

Нагрузка при максимальном КПД

Sη,max = x·S = 0,7071·200 = 141,4 kVA

Ответ

Sη,max = 141,4 kVA
21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 900 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 = (10 − 1)·100 = 900 kΩ

Ответ

Rf = 900 kΩ
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −1,86 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.

Входной ток и скорость нарастания

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

RC = 22 kΩ · 2,2 µF = 48,4 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −1,8/48,4 = −0,03719 V/ms

Выходное напряжение в заданный момент

Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.

Vout = −Vin·t/(RC) = −1,8·50/48,4 = −1,86 V

Ответ

Vout = −1,86 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: IZ = 28,83 mA

Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.

Ток резистора

IR = 8,9/270 = 32,96 mA

Ток нагрузки

IL = 9,1/2200 = 4,136 mA

Ток стабилитрона

IZ = 32,96 − 4,136 = 28,83 mA

Ответ

IZ = 28,83 mA
24.Диоды и транзисторы

Ответ: IC = 1,955 mA

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 базы

IB = (5 − 0,7)/220 kΩ = 19,55 µA

Насыщение или активный режим?

β·IB меньше IC(sat), поэтому транзистор остаётся в активном режиме.

β·IB = 1,955 mA
IC(sat) = (5 − 0,2)/330 = 14,55 mA

Ток коллектора

IC = β·IB = 1,955 mA

Ответ

IC = 1,955 mA

Транзистор в активном режиме, поэтому нагрузка включена не полностью.

25.Системы счисления

Ответ: N = −87

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 + 32 + 8 + 1 = −87

Ответ

N = −87
26.Системы счисления

Ответ: R = 47

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

OR даёт 1 там, где хотя бы один бит равен 1.

0010 1111
OR 0010 0001
= 0010 1111

Значение результата

0010 1111₂ = 47

Ответ

R = 47
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 1

Мультиплексор: мультиплексор 2ⁿ в 1 передаёт на выход один из своих информационных входов; адресные входы, читаемые как двоичное число, выбирают, какой именно. Для мультиплексора 4 в 1 с адресами S₁S₀ = AB: F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Если подключить информационные входы к 0, 1, C или C′, мультиплексор реализует любую функцию от A, B и C, что — распространённый способ построить логику на одной микросхеме.

Выражение выхода

F = AB′C

Строки с F = 1

ABC = 101
N = 1

Ответ

N = 1
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: Q = 14

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.

Состояние после каждого фронта

0000 → 0000 → 1000 → 1100 → 1110

Десятичное значение

1110₂ = 14

Ответ

Q = 14
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.4) = 2,595

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 + 8s + 17 = (s + 4)² + 1 = (s + 4)² + 1²

Подбор числителя

F(s) = (33/1)·1/((s + 4)² + 1²)

Обратное преобразование

f(t) = e−4t·(33·sin 1t)
f(0,4) = e−4·0,4·(33·sin(1·0,4)) = 2,595

Ответ

f(0,4) = 2,595
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.8) = 4,557

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

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 5s + 30 + 20/s
Y(s) = (5s² + 30s + 20)/(s(s + 1)(s + 5))

Простые дроби

A = 20/(1·5) = 4
B = −5/((−1)·4) = 1,25
C = −5/((−5)·(−4)) = −0,25

Результат

y(t) = 4 + 1,25·e−t − 0,25·e−5t
y(0,8) = 4,557

Ответ

y(0,8) = 4,557

Проверка: y(0) = A + B + C = 5.

31.Структурные схемы

Ответ: css = 27,69

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) = 6/(s + 4 + 1,2) = 6/(s + 5,2)

Результат

css = R·T(0) = 24·6/5,2 = 27,69

Ответ

css = 27,69
32.Структурные схемы

Ответ: T(0) = 0,5714

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).

Внутренний контур

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 8/(s + 20)

Внешний контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 16/((s + 1)(s + 20) + 8)

Статический коэффициент передачи

T(0) = 16/(1·20 + 8) = 16/28 = 0,5714

Ответ

T(0) = 0,5714
33.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,5096 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 = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6,245) = 0,1601

Результат

ωd = 6,245·√(1 − 0,1601²) = 6,164 rad/s → tp = π/ωd = 0,5096 s

Ответ

tp = 0,5096 s
34.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,6901

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).

Коэффициент демпфирования

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 2,996/√(9,87 + 8,974) = 0,6901

Ответ

ζ = 0,6901
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: BW = 318,3 Hz

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Резонансная частота

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·1 × 10⁻⁶) = 14142 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2251 Hz

Полоса пропускания

BW = R/L = 10/0,005 = 2000 rad/s = 318,3 Hz

Ответ

BW = 318,3 Hz
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 9,542 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 перехода фазы

(ω/1)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(1·6) = 2,449 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 36)) = K/(1·6·(1 + 6)) = K/42

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(42/14) = 9,542 dB

Ответ

GM = 9,542 dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 560

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 + 14s² + 40s + K = 0

Таблица Рауса

s³: 1, 40
s²: 14, K
s¹: (14·40 − K)/14
s⁰: K

Условия

Каждый элемент первого столбца должен быть положительным.

K > 0
14·40 − K > 0 → K < 560

Ответ

Kmax = 560

При K = 560 замкнутая система колеблется с частотой ω = √40 = 6,325 rad/s.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: sb = −0,9296

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) = −s(s + 2)(s + 8) = −(s³ + 10s² + 16s)

Стационарные точки

dK/ds = −(3s² + 20s + 16) = 0
s = (−20 ± √(400 − 192))/6 = −0,9296, −5,737

Выберите точку на годографе

Годограф лежит на вещественной оси между 0 и −2; другой корень годографу не принадлежит.

sb = −0,9296

Ответ

sb = −0,9296
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 90

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

Требуемый коэффициент ошибки

1/(1 + Kp) = 0,1 → Kp = 9

Коэффициент усиления

K/10 = 9 → K = 90

Ответ

K = 90

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

40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Ki = 12,5

П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристический полином

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

s² + (4 + 2Kp)s + 2Ki

Целевой полином

s² + 2·0,7·5s + 5² = s² + 7s + 25

Приравняйте коэффициенты

2Ki = 25 → Ki = 12,5

Ответ

Ki = 12,5

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

Это независимый учебный материал. ExamProblems не связан с организацией, проводящей этот экзамен, и не одобрен ею; название экзамена используется только для описания содержания. Экзамен FE exam проводит NCEES; эта организация не связана с ExamProblems и не поддерживает его.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical