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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 ΩIR3​+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBIs​2 A

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

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩAR5​4 ΩBIs​0,5 A+−V2​30 V

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

V1 = 9 VIs = 0,5 AV2 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 4 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 6 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR4​20 ΩAR5​30 ΩIR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR5 через R5 в направлении стрелки.

V1 = 15 VV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​15 Ω+−VR2​AR4​10 ΩBIs​4 A

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

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​25 ΩIR3​AIs​2 AB−+V2​30 V

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

V1 = 15 VIs = 2 AV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 Ω
IR3 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​4 ABab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 1 kΩC220 µF+−vC​

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 50 ms.

Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µFt = 50 ms
vC = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vt = 0R = 2,2 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 5 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 14,5 V? Найдите t.

Vs = 24 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 5 V
t = ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
100 V60 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 100 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µF
φ = °
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
12 V1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF+−VC​

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.

V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VC = V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 VZ7 + j24 ΩI

Нагрузка с полным сопротивлением Z = 7 + j24 Ω подключена к однофазной сети 240 V (действующее значение). Найдите потребляемую ею реактивную мощность Q.

V = 240 VZ = 7 + j24 Ω
Q = var
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 15 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 400 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,95. Найдите необходимую ёмкость C.

P = 15 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 208 VIL​ = 120 Acos φ = 0,88отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 120 A от сети с линейным напряжением 208 V. Коэффициент мощности 0,88 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 208 VIL = 120 Acos φ = 0,88
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 200 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
RL​ = 20 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 10:1 приложено 2400 V. К вторичной обмотке подключён резистор 20 Ω. Найдите первичный ток I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 20 Ω
I1 = A
20.ТрансформаторыСложная
pf 0,8575 kVA, 75% нагрузка

Однофазный трансформатор 75 kVA имеет потери в стали 300 W и потери в меди 1200 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 75% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,85 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 1200 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩVin​R1​ = 4,7 kΩ

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 = 4,7 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 1,4 VR1​ = 10 kΩV2​ = −0,9 VR3​ = 10 kΩR4​ = 4,7 kΩ

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

V1 = 1,4 VV2 = −0,9 VR1 = 10 kΩR2 = 22 kΩR3 = 10 kΩR4 = 4,7 kΩ
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 3,3 kΩβ = 150RE​ = 1,2 kΩVCC​ = 15 VR1​ = 39 kΩR2​ = 8,2 kΩ

NPN-транзистор с β = 150 смещён делителем напряжения от VCC = 15 V: R₁ = 39 kΩ от VCC к базе и R₂ = 8,2 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 3,3 kΩ, резистор эмиттера RE = 1,2 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.

VCC = 15 VR1 = 39 kΩR2 = 8,2 kΩRC = 3,3 kΩRE = 1,2 kΩβ = 150
VCE = V
24.Диоды и транзисторыСложная
+−≥ 20 VR = ?9,1 V≤ 50 mA

Стабилизатор на стабилитроне 9,1 V должен питать нагрузку током до 50 mA. Входное напряжение может падать до 20 V, а стабилитрону для стабилизации нужно не менее 1 mA. Найдите наибольшее последовательное сопротивление Rmax, при котором стабилизация сохраняется.

Vin,min = 20 VVZ = 9,1 VIL,max = 50 mAIZ,min = 1 mA
Rmax = Ω
25.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код?−128?64?32?16?8?4?2?1

Запишите −53 как 8-битную комбинацию в дополнительном коде. Прочитайте комбинацию как беззнаковое двоичное число: каково его значение U в десятичной системе?

N = −538 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
24 bit1 px1024 px768 pxM = ? KiB

Несжатое изображение имеет размер 1024 × 768 пикселей и 24 бит на пиксель. Сколько памяти M оно занимает, в KiB (1 KiB = 1024 байта)?

1024 × 768 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD000111100001111000011302040517160120130150140819011110

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(3, 6, 7, 9, 10). Сколько членов-произведений, N, в ней?

F(A, B, C, D) = Σm(3, 6, 7, 9, 10)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
CLKD1234567

Триггер D, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы. Нажмите на первый фронт тактового сигнала, на котором Q возвращается из 1 в 0.

Q₀ = 0D
  1. 1фронт тактового сигнала 1
  2. 2фронт тактового сигнала 2
  3. 3фронт тактового сигнала 3
  4. 4фронт тактового сигнала 4
  5. 5фронт тактового сигнала 5
  6. 6фронт тактового сигнала 6
  7. 7фронт тактового сигнала 7
29.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−2−4−624

Найдите f(t) для F(s) = (2s + 13)/(s² + 2s + 17) выделением полного квадрата и вычислите f(0,5).

F(s) = (2s + 13)/(s² + 2s + 17)t = 0,5 s
f(0.5) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

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

y″ + 6y′ + 8y = 8·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,1 s
y(0.1) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+2(s + 2)(s + 3)(s + 6)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 2(s + 2)/((s + 3)(s + 6)). На задающее воздействие подаётся ступенька величиной 10. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 2(s + 2)/((s + 3)(s + 6))R = 10
ess =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+K(s + 1)(s + 6)(s + 8)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/((s + 1)(s + 6)(s + 8)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. С помощью критерия Рауса–Гурвица найдите наибольший коэффициент Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

G(s) = K/((s + 1)(s + 6)(s + 8))единичная отрицательная обратная связь
Kmax =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1

Система имеет передаточную функцию G(s) = 99/(s² + 14s + 99) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.

G(s) = 99/(s² + 14s + 99)
σ =
34.Переходная характеристикаСложная
+−12 VR = 71 ΩL = 10 mHC = 2 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 71 Ω, L = 10 mH и C = 2 µF подключается к ступеньке 12 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите перерегулирование %OS напряжения на конденсаторе в процентах.

R = 71 ΩL = 10 mHC = 2 µFV = 12 V
%OS = %
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 30

Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 8(s + 10)/(s(s + 2)) при ω = 30 rad/s в градусах.

G(s) = 8(s + 10)/(s(s + 2))ω = 30 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 18/(s(s + 1)(s + 7)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 18/(s(s + 1)(s + 7))
GM = dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K1s(s + 4)(s + 5)C(s)−

Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5)). Коэффициент усиления повышают до тех пор, пока замкнутая система не окажется на границе устойчивости. Найдите частоту ω незатухающих колебаний.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReImζ = 0,6−2−4−6−8−10j2j4j6

Показан корневой годограф L(s) = K/(s(s + 8)). Найдите коэффициент усиления K, при котором полюса замкнутой системы имеют коэффициент демпфирования ζ = 0,6.

L(s) = K/(s(s + 8))ζ = 0,6
K =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 2t+Ks(s + 5)C(s)−

Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 5)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 2t с установившейся ошибкой 0,02. Найдите коэффициент усиления K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 2tess = 0,02
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 205s(s + 6)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 20 управляет объектом G(s) = 5/(s(s + 6)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 5/(s(s + 6))K = 20
ts = s

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,667 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​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​4 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Req = R1 + 1,714 = 6 + 1,714 = 7,714 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 15/7,714 = 1,944 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,944·6 = 3,333 V
IR2 = VA/R2 = 3,333/2 = 1,667 A

Ответ

IR2 = 1,667 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,998 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBR6​30 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 = 2 + 30 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 3,556 Ω
R3 + 3,556 = 23,56 Ω
R2 ∥ 23,56 = 7,02 Ω
Req = R1 + 7,02 = 3 + 7,02 = 10,02 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/10,02 = 0,998 A

Ответ

IR1 = 0,998 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR3 = −0,6296 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​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBIs​2 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 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/5 + (VA − 15)/5 + (VA − VB)/3 = 0
0,7333·VA − 0,3333·VB = 3

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/3 = 2
−0,3333·VA + 0,4583·VB = 2

Решите

Δ = (0,7333)(0,4583) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,225
VA = Δ1/Δ = 2,042/0,225 = 9,074 V
VB = Δ2/Δ = 2,467/0,225 = 10,96 V

Ответ

IR3 = (VA − VB)/R3 = (9,074 − 10,96)/3 = −0,6296 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = −0,06567 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​ = 15 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​10 ΩAR5​4 ΩBIs​0,5 A+−V2​30 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 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/10 + (VA − 9)/15 + (VA − VB)/25 = 0
0,2067·VA − 0,04·VB = 0,6

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/4 + (VB − VA)/25 + (VB − 30)/25 = 0,5
−0,04·VA + 0,33·VB = 1,7

Решите

Δ = (0,2067)(0,33) − (−0,04)(−0,04) = 0,0666
VA = Δ1/Δ = 0,266/0,0666 = 3,994 V
VB = Δ2/Δ = 0,3753/0,0666 = 5,636 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (3,994 − 5,636)/25 = −0,06567 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,6136 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​ = 6 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩA+−V2​9 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
6·I1 + 15(I1 − I2) = 18
21·I1 − 15·I2 = 18

ЗНК для контура 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
2·I2 + 15(I2 − I1) = (−9)
−15·I1 + 17·I2 = −9

Решите

Δ = (21)(17) − (−15)(−15) = 132
I1 = Δ1/Δ = 171/132 = 1,295 A
I2 = Δ2/Δ = 81/132 = 0,6136 A

Ответ

I2 = 0,6136 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR5 = 0,4997 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​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR4​20 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 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
25·I1 + 20(I1 − I2) = 15
45·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
4·I2 + 20(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 54·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
20·I3 + 30(I3 − I2) = (−36)
−30·I2 + 50·I3 = −36

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 61000
I1 = Δ1/Δ = 5400/61000 = 0,08852 A
I2 = Δ2/Δ = −33600/61000 = −0,5508 A
I3 = Δ3/Δ = −64080/61000 = −1,05 A

Ответ

IR5 = I2 − I3 = 0,4997 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR2 = 22,81 V

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​10 ΩBОБРЫВ

Случай 1 · действует только V1

Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.

R3+R4 = 3+10 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
VA = 24·6,964/(6+6,964) = 12,89 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12,89·10/13 = 9,917 V
VR2′ = VA − 0 = 12,89 − 0 = 12,89 V
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​15 ΩAR4​10 ΩBIs​4 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 = 6·15/(6+15) = 4,286 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 7,286 = 4,215 Ω
VB = Is·Req = 4·4,215 = 16,86 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 16,86·4,286/7,286 = 9,917 V
VR2″ = VA − 0 = 9,917 − 0 = 9,917 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 12,89 + 9,917 = 22,81 V

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

8.Метод наложения

Ответ: IR3 = 0,4257 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​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​25 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) = 25 ∥ 45 = 16,07 Ω
VA = 15·16,07/(20+16,07) = 6,683 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,683·25/45 = 3,713 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (6,683 − 0)/25 = 0,2673 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​25 ΩAIs​2 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 = 11,11 Ω, поэтому левый путь — R2+11,11 = 31,11 Ω
Req = R4 ∥ 31,11 = 13,86 Ω
VB = Is·Req = 2·13,86 = 27,72 V
VA = VB·11,11/31,11 = 9,901 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (9,901 − 0)/25 = 0,396 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​25 ΩAОБРЫВB−+V2​30 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 = 20·25/(20+25) = 11,11 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−30)·31,11/56,11 = −16,63 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −16,63·11,11/31,11 = −5,941 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−5,941 − 0)/25 = −0,2376 A

Сложите составляющие

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,2673 + 0,396 + (−0,2376) = 0,4257 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,2727 A

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​20 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 10 = 15,71 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 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) = 6·20/(8+20) = 4,286 V
IN​0,2727 ARth​15,71 Ωab

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 = 4,286/15,71 = 0,2727 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 49,33 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​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​8 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 8 = 10,67 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​4 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) = 6,667 + 4·2,667 = 17,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17,33 + 4·8 = 49,33 V
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 0,4226 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.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·1/(4,7 + 1) = 0,8246 kΩ
vC(∞) = 10·1/(4,7 + 1) = 1,754 V

Постоянная времени

τ = Rth·C = 0,8246·220 = 181,4 ms

Кривая заряда

vC(t) = 1,754·(1 − e−50/181,4) = 0,4226 V

Ответ

vC = 0,4226 V
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 335,5 ms

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

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 220 µF = 484 ms
vC(t) = 24 + (5 − 24)·e−t/τ

Выразите время

14,5 = 24 + (−19)·e−t/τ → e−t/τ = (14,5 − 24)/(5 − 24) = 0,5
t = τ·ln((5 − 24)/(14,5 − 24)) = 484·ln(2) = 335,5 ms

Ответ

t = 335,5 ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = −85,36 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−246,4)²) = 247,2 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−246,4/20) = −85,36°

Ответ

φ = −85,36°
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VC = 1,427 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (280,3)²) = 284,7 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 12/284,7 = 0,04215 A

Напряжение на конденсаторе

VC = I·XC = 0,04215·33,86 = 1,427 V

Ответ

VC = 1,427 V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 2212 var

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Ток

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A

Реактивная мощность

Q = I²·X = 9,6²·24 = 2212 var

Ответ

Q = 2212 var
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 165,1 µF

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Реактивная мощность до и после

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

Q1 = P·tan φ1 = 15·tan(41,41°) = 13,23 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18,19°) = 4,93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,298 kvar

Ёмкость

Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 8298/(2π·50·400²) = 165,1 µF

Ответ

C = 165,1 µF
17.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 38,04 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 = √3·208·120 = 43,23 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 43,23·0,88 = 38,04 kW

Ответ

P = 38,04 kW
18.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 118,4 µF

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.

Реактивная мощность до и после

Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.

Q1 = 200·tan(acos 0,8) = 200·0,75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 53,14 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 17712/(314,2·690²) = 118,4 µF

Ответ

Cph = 118,4 µF
19.Трансформаторы

Ответ: I1 = 1,2 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 = 240/20 = 12 A

Первичный ток

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

I1 = I2/10 = 1,2 A

Ответ

I1 = 1,2 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 2000 Ω, и 2400/2000 даёт тот же ток.

20.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 975 W

Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.

Потери в меди при этой нагрузке

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·1200 = 675 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 300 + 675 = 975 W

Ответ

Ploss = 975 W

КПД при этой нагрузке η = 98%.

21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 1,3 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 = 47/4,7 = 10

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/10 = 1,3 V

Ответ

Vin,max = 1,3 V
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −4,001 V

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Напряжение на входе +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −0,9·4,7/(10 + 4,7) = −0,2878 V

Наложение двух входов

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

Vout = −(22/10)·1,4 + (1 + 22/10)·(−0,2878) = −3,08 + (−0,9208) = −4,001 V

Ответ

Vout = −4,001 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: VCE = 8,144 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 = 15·8,2/(39 + 8,2) = 2,606 V
RTH = 39·8,2/(39 + 8,2) = 6,775 kΩ

Ток базы

Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.

IB = (2,606 − 0,7)/(6,775 + 151·1,2) = 10,14 µA

Ток коллектора

IC = 150·10,14 µA = 1,521 mA
IE = 151·10,14 µA = 1,531 mA

Напряжение коллектор–эмиттер

VCE = 15 − 1,521·3,3 − 1,531·1,2 = 8,144 V

Ответ

VCE = 8,144 V
24.Диоды и транзисторы

Ответ: Rmax = 213,7 Ω

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 в худшем случае

IR = 50 + 1 = 51 mA

Наибольшее сопротивление

Rmax = 10,9/0,051 = 213,7 Ω

Ответ

Rmax = 213,7 Ω
25.Системы счисления

Ответ: U = 203

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.

Инвертируйте и прибавьте единицу

53 = 0011 0101
инвертировано: 1100 1010
+1 → 1100 1011

Прочитайте как беззнаковое

1100 1011₂ = 256 − 53 = 203

Ответ

U = 203
26.Системы счисления

Ответ: M = 2304 KiB

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.

Биты и байты

1024·768·24 = 18874368 bit = 2359296 B

Переведите в KiB

2359296/1024 = 2304 KiB

Ответ

M = 2304 KiB
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 4

Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.

ABCD000111100001111000011302040517160120130150140819011110

Сгруппируйте единицы

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

A′CD
A′BC
AB′C′D
AB′CD′

Минимальная форма SOP

F = A′CD + A′BC + AB′C′D + AB′CD′
N = 4

Ответ

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

Ответ: фронт тактового сигнала 3

Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.

Q после каждого фронта

D-триггер копирует D по каждому переднему фронту: Q⁺ = D.

1: D = 1 → Q = 1
2: D = 1 → Q = 1
3: D = 0 → Q = 0
4: D = 1 → Q = 1
5: D = 0 → Q = 0
6: D = 1 → Q = 1
7: D = 1 → Q = 1

Первое изменение с 1 на 0

фронт тактового сигнала 3

Ответ

фронт тактового сигнала 3
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.5) = 1,012

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Выделение полного квадрата

s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 16 = (s + 1)² + 4²

Подбор числителя

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (11/4)·4/((s + 1)² + 4²)

Обратное преобразование

f(t) = e−t·(2·cos 4t + 2,75·sin 4t)
f(0,5) = e−0,5·(2·cos(4·0,5) + 2,75·sin(4·0,5)) = 1,012

Ответ

f(0,5) = 1,012
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.1) = 5,836

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 + 8)·Y(s) = 6s + 36 + 8/s
Y(s) = (6s² + 36s + 8)/(s(s + 2)(s + 4))

Простые дроби

A = 8/(2·4) = 1
B = −40/((−2)·2) = 10
C = −40/((−4)·(−2)) = −5

Результат

y(t) = 1 + 10·e−2t − 5·e−4t
y(0,1) = 5,836

Ответ

y(0,1) = 5,836

Проверка: y(0) = A + B + C = 6.

31.Структурные схемы

Ответ: ess = 8,182

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

Коэффициент ошибки по положению

Kₚ = G(0) = 2·2/(3·6) = 0,2222

Установившаяся ошибка

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,2222) = 8,182

Ответ

ess = 8,182
32.Структурные схемы

Ответ: Kmax = 882

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

Характеристическое уравнение

s³ + 15s² + 62s + 48 + K = 0

Таблица Рауса

s³ | 1 62
s² | 15 48 + K
s¹ | (15·62 − 48 − K)/15
s⁰ | 48 + K

Граница устойчивости

Все элементы первого столбца должны быть положительными.

Kmax = 15·62 − 48 = 882

Ответ

Kmax = 882
33.Переходная характеристика

Ответ: σ = −7

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 = 99 → ωₙ = 9,95 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·9,95) = 0,7035

Результат

σ = −ζωₙ = −14/2 = −7

Ответ

σ = −7
34.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 16,14 %

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (71/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,01) = 0,502

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,14 %

Ответ

%OS = 16,14 %
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ∠G(jω) = −104,6 °

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

Сложите углы

∠G = atan(30/10) − 90° − atan(30/2) = 71,57° − 90° − 86,19°

Результат

∠G(j30) = −104,6°

Ответ

∠G(jω) = −104,6°
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 9,858 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/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 49)) = K/(1·7·(1 + 7)) = K/56

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(56/18) = 9,858 dB

Ответ

GM = 9,858 dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: ω = 4,472 rad/s

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.

Таблица Рауса

s³ + 9s² + 20s + K = 0
s³: 1, 20
s²: 9, K
s¹: (9·20 − K)/9
s⁰: K

Критический коэффициент усиления

K = 9·20 = 180

Вспомогательное уравнение

При критическом коэффициенте усиления строка s¹ равна нулю; строка s² даёт полюса на мнимой оси.

9s² + 180 = 0 → s = ±j√20
ω = 4,472 rad/s

Ответ

ω = 4,472 rad/s
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: K = 44,44

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.

Сравните со стандартной формой

s² + 8s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6,667 rad/s

Коэффициент усиления

K = ωₙ² = 6,667² = 44,44

Ответ

K = 44,44

Полюса замкнутой системы находятся там, где линия ζ пересекает вертикальную ветвь при s = −4.

39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 500

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 скоростной ошибки

Kv = A/ess = 2/0,02 = 100

Коэффициент усиления

K = 5·Kv = 500

Ответ

K = 500

Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,1118. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.

40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ts = 1,333 s

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

Характеристический полином

s(s + 6) + 20·5 = s² + 6s + 100

ωₙ и ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 6/(2·10) = 0,3

Время установления

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Ответ

ts = 1,333 s

Время установления здесь не зависит от K: увеличение K лишь делает отклик более колебательным.

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

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