n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.
Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Тренировочные задачи
1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR2 через R2.
V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 16 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 23,5 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = −7 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 16 mA2·V1: I = 23,5 mA−Is: I = −7 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 5 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение vL на катушке в момент t = 1 ms.
Vs = 5 VR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
vL = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 250 ms.
Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 18 Vt = 250 ms
vC = V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Резистор и конденсатор включены параллельно в сеть 120 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 50 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 50 V (rms)f = 60 HzR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩC = 100 µF
I = A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 19 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.
P = 19 kWpf = 0,65V = 230 V
Q = kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 20 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,9. Найдите реактивную мощность QC, которую должен поставлять конденсатор.
P = 20 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 18,5 kW. При этой нагрузке его КПД равен 94%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 690 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 18,5 kWη = 94%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 480 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 = 50 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
Однофазный трансформатор 500 kVA, 4160/480 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток ILV в обмотке низшего напряжения.
S = 500 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
ILV = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 25 kVA имеет потери в стали 100 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,95 (отстающий) его КПД равен 98,2%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.
S = 25 kVAPcore = 100 Wpf = 0,95η = 98,2%
Pcu,fl = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 1,1 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите ток If через резистор обратной связи, текущий к выходу.
V1 = 1 VV2 = 1,6 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
If = mA
23.Диоды и транзисторыСредняя
NPN-транзистор с β = 150 смещён делителем напряжения от VCC = 18 V: R₁ = 22 kΩ от VCC к базе и R₂ = 4,7 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 5,6 kΩ, резистор эмиттера RE = 1,5 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите ток коллектора IC в mA.
NPN-транзистор с β = 150 коммутирует нагрузочный резистор 470 Ω, включённый между VCC = 5 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы RB. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Найдите наибольшее сопротивление резистора базы RB, в kΩ, при котором транзистор ещё входит в насыщение.
Установите биты так, чтобы они хранили −15 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?
N = −158 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
Несжатое изображение имеет размер 1920 × 1080 пикселей и 24 бит на пиксель. Сколько памяти M оно занимает, в KiB (1 KiB = 1024 байта)?
1920 × 1080 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 6, 9, 10, 11, 12). Сколько членов-произведений, N, в ней?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 6, 9, 10, 11, 12)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
4-разрядный двоичный вычитающий счётчик начинает с 12 (в десятичном виде, Q = 1100). Какое значение Q (в десятичном виде) он покажет после 26 тактовых импульсов?
Q0 = 1226n = 4
Q =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 4)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,6).
F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,6 s
f(0.6) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 6y′ + 8y = 8·u(t), где y(0) = 3 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 2. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,25).
У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 2(s + 5)/((s + 3)(s + 4)). На задающее воздействие подаётся ступенька величиной 10. Найдите установившуюся ошибку ess.
G(s) = 2(s + 5)/((s + 3)(s + 4))R = 10
ess =
32.Структурные схемыСложная
Пропорциональный регулятор K = 14 управляет объектом G(s) = 7/(s + 3) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Возмущение D действует на входе объекта (прибавляется к выходу регулятора). При R = 0 подаётся ступенька возмущения величиной 2. Найдите установившийся выход css.
K = 14G(s) = 7/(s + 3)D = 2R = 0
css =
33.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 5,5/(s² + s + 11) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.
G(s) = 5,5/(s² + s + 11)
tp = s
34.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 0,5 kg подвешена на пружине k = 100 N/m с вязким демпфером c = 2 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 100 N. Найдите перерегулирование %OS смещения в процентах.
m = 0,5 kgk = 100 N/mc = 2 N·s/mF = 100 N
%OS = %
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 13(s + 4)/(s(s + 3)) при ω = 1 rad/s в градусах.
G(s) = 13(s + 4)/(s(s + 3))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 148/(s(s + 4)). Найдите запас по фазе PM в градусах.
L(s) = 148/(s(s + 4))
PM = °
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6)). 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 + 6))
ω = rad/s
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Для L(s) = K/((s + 8)(s² + 4s + 5)) найдите угол выхода θd корневого годографа из комплексного полюса в верхней полуплоскости, отсчитываемый от положительного направления вещественной оси.
L(s) = K/((s + 8)(s² + 4s + 5))
θd = °
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Контур с единичной обратной связью имеет G(s) = K/((s + 4)(s + 10)). Найдите коэффициент усиления K, при котором установившаяся ошибка по ступеньке составляет 2 %.
G(s) = K/((s + 4)(s + 10))ess = 2 %
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
ПД-регулятор C(s) = 10 + Kd·s управляет объектом G(s) = 10/(s(s + 2)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите дифференциальный коэффициент Kd, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,8.
G(s) = 10/(s(s + 2))Kp = 10ζ = 0,8
Kd = s
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,6774 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 10·7/(10+7) = 4,118 Ω
Req = R1 + 4,118 = 5 + 4,118 = 9,118 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/9,118 = 1,645 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,645·5 = 6,774 V
IR2 = VA/R2 = 6,774/10 = 0,6774 A
Ответ
IR2 = 0,6774 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,925 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 5 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 3,75 Ω
R3 + 3,75 = 5,75 Ω
R2 ∥ 5,75 = 2,674 Ω
Req = R1 + 2,674 = 2 + 2,674 = 4,674 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/4,674 = 1,925 A
Ответ
IR1 = 1,925 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 5,662 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 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/2 + (VA − 12)/3 + (VA − VB)/3 = 0
1,167·VA − 0,3333·VB = 4
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/3 = 1,5
−0,3333·VA + 0,4333·VB = 1,5
Решите
Δ = (1,167)(0,4333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3944
VA = Δ1/Δ = 2,233/0,3944 = 5,662 V
VB = Δ2/Δ = 3,083/0,3944 = 7,817 V
Ответ
VA = 5,662 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 9,793 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 V, V2 = 18 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/25 + (VA − 24)/25 + (VA − VB)/15 = 0
0,1467·VA − 0,06667·VB = 0,96
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
5·I1 + 3(I1 − I2) = 6
8·I1 − 3·I2 = 6
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 8·I2 = −9
Решите
Δ = (8)(8) − (−3)(−3) = 55
I1 = Δ1/Δ = 21/55 = 0,3818 A
I2 = Δ2/Δ = −54/55 = −0,9818 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,3818 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = −4,524 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
6·I1 + 25(I1 − I2) = 9
31·I1 − 25·I2 = 9
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 + 25(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 39·I2 − 2·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
6·I3 + 2(I3 − I2) = (−36)
−2·I2 + 8·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4548
I1 = Δ1/Δ = 972/4548 = 0,2137 A
I2 = Δ2/Δ = −432/4548 = −0,09499 A
I3 = Δ3/Δ = −20574/4548 = −4,524 A
Ответ
IR3 = I3 = −4,524 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = 1,837 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 10+6 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·16/(2+16) = 1,778 Ω
VA = 15·1,778/(20+1,778) = 1,224 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,224·6/16 = 0,4592 V
VR2′ = VA − 0 = 1,224 − 0 = 1,224 V
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 20·2/(20+2) = 1,818 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 11,82 = 3,98 Ω
VB = Is·Req = 1·3,98 = 3,98 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3,98·1,818/11,82 = 0,6122 V
VR2″ = VA − 0 = 0,6122 − 0 = 0,6122 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 1,224 + 0,6122 = 1,837 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: I = 19 mA
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 16
2·I₁ + I₂ + I₃ = 23,5
I₁ + I₂ − I₃ = −7
Находим вклады
I₁ = 23,5 − 16 = 7,5 mA
I₃ = (16 − (−7))/2 = 11,5 mA
I₂ = 16 − 7,5 − 11,5 = −3 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 7,5 + 11,5 = 19 mA
Ответ
I = 19 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 8 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.
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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 15 = 18,33 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 24·5/(10+5) = 8 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 5,455 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 5 = 6,875 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 3,125 + 5·1,875 = 12,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,5 + 5·5 = 37,5 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = 37,5/6,875 = 5,455 A
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vL = 2,533 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 100 mH / 68 Ω = 1,471 ms
i(∞) = Vs/R = 5/68 = 0,07353 A
Напряжение на катушке
В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−1/1,471 = 2,533 V
Ответ
vL = 2,533 V
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 15,52 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 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 12 + (18 − 12)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(250) = 12 + (6)·e−250/470 = 15,52 V
Ответ
vC = 15,52 V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: |Z| = 56,42 Ω
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|.
Реактивное сопротивление
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω
Токи ветвей
Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.
IR = V/R = 120/80 = 1,5 A
IX = V/XC = 120/79,58 = 1,508 A
Общий ток
Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.
I = √(IR² + IX²) = √(1,5² + 1,508²) = 2,127 A
Полное сопротивление
|Z| = V/I = 120/2,127 = 56,42 Ω
Ответ
|Z| = 56,42 Ω
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 1,095 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|.
Реактивное сопротивление
XC = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω
Параллельное соединение
Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Zp на действительную и мнимую части.
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Q = 22,21 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 = 19·1,169 = 22,21 kvar
Ответ
Q = 22,21 kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: QC = 16,98 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.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.
Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(53,13°) = 26,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(25,84°) = 9,686 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16,98 kvar
Ответ
QC = 16,98 kvar
17.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 18,3 A
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Потребляемая электрическая мощность
Pin = Pout/η = 18,5/0,94 = 19,68 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 19681/(√3·690·0,9) = 18,3 A
Ответ
IL = 18,3 A
18.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 110,4 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 = 50·tan(acos 0,72) = 50·0,9639 = 48,19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 23,98 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.
Номинальный ток
Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.
ILV = S/V = 500000/480 = 1042 A
Ответ
ILV = 1042 A
20.Трансформаторы
Ответ: Pcu,fl = 335,3 W
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.
Выходная и потребляемая мощность
Pout = 25·0,95 = 23,75 kW
Pin = 23750/0,982 = 24185 W
Суммарные потери и потери в меди
Ploss = 24185 − 23750 = 435,3 W
Pcu,fl = 435,3 − 100 = 335,3 W
Ответ
Pcu,fl = 335,3 W
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 6,1 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 1,1 V
I = V₋/R1 = 1,1/22 = 0,05 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,1 + 0,05·100 = 6,1 V
Ответ
Vout = 6,1 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: If = 0,4404 mA
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 1/10 = 0,1 mA
I2 = V2/R2 = 1,6/4,7 = 0,3404 mA
If = I1 + I2 = 0,4404 mA
Ответ
If = 0,4404 mA
23.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 1,607 mA
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 = 18·4,7/(22 + 4,7) = 3,169 V
RTH = 22·4,7/(22 + 4,7) = 3,873 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (3,169 − 0,7)/(3,873 + 151·1,5) = 10,72 µA
Ток коллектора
IC = 150·10,72 µA = 1,607 mA
IE = 151·10,72 µA = 1,618 mA
Ответ
IC = 1,607 mA
24.Диоды и транзисторы
Ответ: RB = 63,16 kΩ
Биполярный транзистор как ключ: чтобы полностью включить нагрузку, транзистор вводят в насыщение, где VCE = VCE(sat), а ток коллектора определяется нагрузкой: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насыщения нужен ток базы не менее IB = IC(sat)/β. Если ток базы меньше, транзистор остаётся в активном режиме, и IC = β·IB.
Ток коллектора в насыщении
IC(sat) = (5 − 0,2)/470 = 10,21 mA
Минимальный ток базы
IB(min) = IC(sat)/β = 10,21/150 = 68,09 µA
Резистор базы
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,06809 mA = 63,16 kΩ
Ответ
RB = 63,16 kΩ
Любой меньший резистор базы тоже насыщает транзистор; на практике выбирают в несколько раз меньший.
25.Системы счисления
Ответ: U = 241
Установка битов: каждый бит стоит степень двойки (128, 64, …, 1). Одна шестнадцатеричная цифра — это ровно четыре бита, а в 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128. Побитовые операции работают с каждой позицией бита отдельно.
Инвертируйте и прибавьте единицу
15 = 0000 1111
инвертировано: 1111 0000
+1 → 1111 0001
Прочитайте как беззнаковое
1111 0001₂ = 256 − 15 = 241
Ответ
U = 241
26.Системы счисления
Ответ: M = 6075 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
1920·1080·24 = 49766400 bit = 6220800 B
Переведите в KiB
6220800/1024 = 6075 KiB
Ответ
M = 6075 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.
Сгруппируйте единицы
Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.
B′C′D
BC′D′
A′CD′
AB′C
Минимальная форма SOP
F = B′C′D + BC′D′ + A′CD′ + AB′C
N = 4
Ответ
N = 4
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: Q = 2
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.
Полные циклы
Каждые 16 импульсов возвращают счётчик в то же состояние.
26 = 1·16 + 10
Значение после оставшихся импульсов
Q = (12 − 10) mod 16 = 2
Q = 0010₂
Ответ
Q = 2
29.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.6) = 0,6104
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование уравнения
(s² + 6s + 8)·Y(s) = 3s + 18 + 16/s
Y(s) = (3s² + 18s + 16)/(s(s + 2)(s + 4))
Простые дроби
A = 16/(2·4) = 2
B = −8/((−2)·2) = 2
C = −8/((−4)·(−2)) = −1
Результат
y(t) = 2 + 2·e−2t − e−4t
y(0,25) = 2,845
Ответ
y(0,25) = 2,845
Проверка: y(0) = A + B + C = 3.
31.Структурные схемы
Ответ: ess = 5,455
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) = 2·5/(3·4) = 0,8333
Установившаяся ошибка
ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,8333) = 5,455
Ответ
ess = 5,455
32.Структурные схемы
Ответ: css = 0,1386
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Передаточные функции
C/D = G/(1 + K·G) = 7/(s + 3 + 98)
Установившийся режим
css = 2·7/101 = 0,1386
Ответ
css = 0,1386
Больший K ослабляет влияние возмущения, но с пропорциональным регулятором никогда не обращает его в нуль.
33.Переходная характеристика
Ответ: tp = 0,9582 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).
Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).
Собственная частота и коэффициент демпфирования
ωₙ = √(k/m) = √(100/0,5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 2/(2·√(100·0,5)) = 0,1414
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 63,84 %
Ответ
%OS = 63,84 %
35.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ∠G(jω) = −94,4 °
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.
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Частота среза усиления
ω⁴ + 16ω² − 21904 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·21904))/2 = 140,2
ωc = 11,84 rad/s
Запас по фазе
∠L(jωc) = −90° − atan(11,84/4) = −161,3°
PM = 180° + ∠L = 18,67°
Ответ
PM = 18,67°
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: ω = 4,899 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 + 10s² + 24s + K = 0
s³: 1, 24
s²: 10, K
s¹: (10·24 − K)/10
s⁰: K
Критический коэффициент усиления
K = 10·24 = 240
Вспомогательное уравнение
При критическом коэффициенте усиления строка s¹ равна нулю; строка s² даёт полюса на мнимой оси.
10s² + 240 = 0 → s = ±j√24
ω = 4,899 rad/s
Ответ
ω = 4,899 rad/s
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: θd = 80,54 °
Корневой годограф: при изменении коэффициента усиления K от 0 до ∞ полюса замкнутой системы, то есть корни уравнения 1 + K·G(s) = 0, перемещаются от полюсов разомкнутой системы к её нулям или в бесконечность. Точка на вещественной оси принадлежит годографу, если число вещественных полюсов и нулей правее неё нечётно. Ветви, уходящие в бесконечность (их n − m), идут вдоль асимптот под углами (2q + 1)·180°/(n − m), выходящих из центра асимптот σₐ = (Σ полюсов − Σ нулей)/(n − m). Ветви покидают вещественную ось или возвращаются на неё там, где dK/ds = 0. Условие по углу ∠G(s) = 180° определяет форму годографа, а условие по модулю K = 1/|G(s)| даёт коэффициент усиления в любой точке годографа.
Положения полюсов
s² + 4s + 5 = 0 → s = −2 ± j1
s = −8
Углы от остальных полюсов
∠(−2 + j1 + 8) = atan2(1, 6) = 9,462°
∠(−2 + j1 − (−2 − j1)) = ∠(j2) = 90°
Угол выхода
θd = 180° − 9,462° − 90° = 80,54°
Ответ
θd = 80,54°
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 1960
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) = 0,02 → Kp = 49
Коэффициент усиления
K/40 = 49 → K = 1960
Ответ
K = 1960
Проверьте и устойчивость замкнутой системы: для этого контура второго порядка устойчив любой K > 0.
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: Kd = 1,4 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).
Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование, не меняя ωₙ.
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.