n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.
Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Тренировочные задачи
1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток Ix через источник напряжения от A к B, как показано стрелкой.
Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.
V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
8.Метод наложенияСложная
Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 10 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 4 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 1 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 10 mA2·V1: I = 4 mA−Is: I = 1 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 8 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
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 = 400 ms.
Vs = 10 VR1 = 10 kΩR2 = 6,8 kΩC = 100 µFt = 400 ms
vC = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 15 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 9 V, ровно через 250 ms после старта. При R = 10 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 15 VVth = 9 VT = 250 msR = 10 kΩ
C = µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
cos φ =
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.
V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 200 mHC = 22 µF
VC = V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Индуктивная нагрузка потребляет 15,5 A и 2604 W от однофазной сети 240 V (действующее значение). Представьте её как сопротивление R, соединённое последовательно с реактивным сопротивлением X. Найдите X.
V = 240 VI = 15,5 AP = 2604 W
X = Ω
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 30 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите необходимую ёмкость C.
P = 30 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 8 + j6 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 480 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 480 VZ = 8 + j6 Ω на фазу
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 100 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 100 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
Однофазный трансформатор 25 kVA, 6600/230 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.
S = 25 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
IHV = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 100 kVA имеет потери в стали 300 W и потери в меди 600 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?
S = 100 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 0,7 VV2 = 1,8 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 2 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 = 1,8 VV2 = 2 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRf = 22 kΩ
If = mA
23.Диоды и транзисторыСредняя
Стабилизатор на стабилитроне 6,2 V питается от 20 V через 470 Ω и питает нагрузку 680 Ω. Найдите ток стабилитрона IZ.
Vin = 20 VVZ = 6,2 VR = 470 ΩRL = 680 Ω
IZ = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
Стабилизатор на стабилитроне 12 V имеет последовательный резистор 330 Ω. Входное напряжение может подниматься до 17 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность PZ,max, которую должен рассеивать стабилитрон.
Vin,max = 17 VVZ = 12 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
25.Системы счисленияСредняя
Установите биты так, чтобы они хранили −23 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?
N = −238 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
Система должна присвоить каждому из 923 элементов собственный двоичный код одинаковой длины. Какое наименьшее число битов b нужно?
923
b = bit
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
С помощью карты Карно найдите минимальную форму «произведение сумм» (POS) для F(A, B, C) = Σm(1, 4, 6, 7). Сколько членов-сумм (множителей), N, в ней?
F(A, B, C) = Σm(1, 4, 6, 7)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер JK, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы на 6 передних фронтах тактового сигнала. Сколько раз, N, Q меняет состояние?
Q₀ = 0JK
N =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (s + 37)/(s² + 13s + 42). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−6t + B·e−7t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (s + 37)/(s² + 13s + 42)
A =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 6y′ + 5y = 0 при y(0) = 9 и y′(0) = −15 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,75).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 9y′(0) = −15t = 0,75 s
y(0.75) =
31.Структурные схемыСредняя
Объект G(s) = 38/(s + 2) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 2. На R подаётся ступенька величиной 10. Найдите установившееся значение выхода css.
G(s) = 38/(s + 2)H = 2R = 10
css =
32.Структурные схемыСложная
Пропорциональный регулятор K = 8 управляет объектом G(s) = 4/(s + 4) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Возмущение D действует на входе объекта (прибавляется к выходу регулятора). Одновременно подаются ступенька задания величиной 1 и ступенька возмущения величиной 2. Найдите установившийся выход css.
K = 8G(s) = 4/(s + 4)D = 2R = 1
css =
33.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 213/(s² + 9s + 71) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.
G(s) = 213/(s² + 9s + 71)
tp = s
34.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 10 kg подвешена на пружине k = 100 N/m с вязким демпфером c = 6 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 5 N. Найдите перерегулирование %OS смещения в процентах.
m = 10 kgk = 100 N/mc = 6 N·s/mF = 5 N
%OS = %
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите фазу ∠G(jω) функции G(s) = 34(s + 14)/(s(s + 6)) при ω = 3 rad/s в градусах.
G(s) = 34(s + 14)/(s(s + 6))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 5 dB.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))GM = 5 dB
K =
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Для L(s) = K/((s + 3)(s² + 2s + 17)) найдите угол выхода θd корневого годографа из комплексного полюса в верхней полуплоскости, отсчитываемый от положительного направления вещественной оси.
L(s) = K/((s + 3)(s² + 2s + 17))
θd = °
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
На контур с единичной обратной связью и G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 5)) подан параболический вход r(t) = 2·t²/2. Найдите установившуюся ошибку ess.
G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 5))r(t) = 2·t²/2
ess =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K = 2 управляет объектом G(s) = 5/(s(s + 5)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время пика tp переходной характеристики.
G(s) = 5/(s(s + 5))K = 2
tp = s
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 19,84 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 5 + 20 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω
Req = R1 + 4,839 = 15 + 4,839 = 19,84 Ω
Ответ
Req = 19,84 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 7,717 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 15 + 10 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 7,143 Ω
R3 + 7,143 = 12,14 Ω
R2 ∥ 12,14 = 1,717 Ω
Req = R1 + 1,717 = 6 + 1,717 = 7,717 Ω
Ответ
Req = 7,717 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,1303 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 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/20 + (VA − 12)/10 + (VA − VB)/3 = 0
0,4833·VA − 0,3333·VB = 1,2
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Образуем супер-узел
Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.
VB = VA + 3
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 12)/2 + VA/20 + (VA + 3)/8 = 1,5
VA·(1/2 + 1/20 + 1/8) = 1,5 + 12/2 − 3/8 = 7,125
VA = 7,125/0,675 = 10,56 V
VB = 13,56 V
Ток через источник напряжения
ЗТК только для узла A: ток, приходящий через R₁, уходит через R₂ и через источник напряжения.
IR1 = (12 − 10,56)/2 = 0,7222 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 0,7222 − 10,56/20 = 0,1944 A
Ответ
Ix = 0,1944 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,12 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
3·I1 + 15(I1 − I2) = 9
18·I1 − 15·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 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 15(I2 − I1) = (−9)
−15·I1 + 25·I2 = −9
Решите
Δ = (18)(25) − (−15)(−15) = 225
I1 = Δ1/Δ = 90/225 = 0,4 A
I2 = Δ2/Δ = −27/225 = −0,12 A
Ответ
I2 = −0,12 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,3505 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
30·I1 + 6(I1 − I2) = 12
36·I1 − 6·I2 = 12
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
3·I2 + 6(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 13·I2 − 4·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 + 4(I3 − I2) = (−5)
−4·I2 + 24·I3 = −5
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9792
I1 = Δ1/Δ = 3432/9792 = 0,3505 A
I2 = Δ2/Δ = 1008/9792 = 0,1029 A
I3 = Δ3/Δ = −1872/9792 = −0,1912 A
Ответ
I1 = 0,3505 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 1,244 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.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 4+4 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
VA = 6·5,714/(6+5,714) = 2,927 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,927·4/8 = 1,463 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 2,927)/6 = 0,5122 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 8,615 = 2,732 Ω
VB = Is·Req = (−3)·2,732 = −8,195 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −8,195·4,615/8,615 = −4,39 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −4,39)/6 = 0,7317 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 0,5122 + 0,7317 = 1,244 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: I = −1,5 mA
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 10
2·I₁ + I₂ + I₃ = 4
I₁ + I₂ − I₃ = 1
Находим вклады
I₁ = 4 − 10 = −6 mA
I₃ = (10 − 1)/2 = 4,5 mA
I₂ = 10 − (−6) − 4,5 = 11,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = (−6) + 4,5 = −1,5 mA
Ответ
I = −1,5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 23,16 Ω
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 20 = 23,16 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,413 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 = 30·6/(30+6) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 10 = 15 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) = 2 + 0,5·5 = 4,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,5 + 0,5·10 = 9,5 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 9,5/(15 + 8) = 0,413 A
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 2,541 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 = 10·6,8/(10 + 6,8) = 4,048 kΩ
vC(∞) = 10·6,8/(10 + 6,8) = 4,048 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 4,048·100 = 404,8 ms
Кривая заряда
vC(t) = 4,048·(1 − e−400/404,8) = 2,541 V
Ответ
vC = 2,541 V
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 27,28 µF
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Требуемая постоянная времени
9 = 15·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(15/(15 − 9))
τ = 250/0,9163 = 272,8 ms
Ёмкость
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
C = τ/R = 272,8/10 = 27,28 µF
Ответ
C = 27,28 µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: cos φ = 0,8596
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивные сопротивления
XL = 314,2 Ω, XC = 361,7 Ω
Полное сопротивление
|Z| = √(80² + (−47,56)²) = 93,07 Ω
Коэффициент мощности
cos φ = R/|Z| = 80/93,07 = 0,8596
Цепь ёмкостная, поэтому коэффициент мощности опережающий.
Ответ
cos φ = 0,8596
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VC = 199,2 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,2 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 120/87,18 = 1,376 A
Напряжение на конденсаторе
VC = I·XC = 1,376·144,7 = 199,2 V
Ответ
VC = 199,2 V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: X = 11,06 Ω
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.
Сопротивление по активной мощности
R = P/I² = 2604/15,5² = 10,84 Ω
Реактивное сопротивление по полному
|Z| = V/I = 240/15,5 = 15,48 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(15,48² − 10,84²) = 11,06 Ω
Ответ
X = 11,06 Ω
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: C = 1118 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 = 30·tan(49,46°) = 35,07 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(23,07°) = 12,78 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,29 kvar
Ёмкость
Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 22294/(2π·60·230²) = 1118 µF
Ответ
C = 1118 µF
17.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 18,43 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.
Фазное напряжение
Vph = 480/√3 = 277,1 V
Фазный ток
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 277,1/10 = 27,71 A
Полная активная мощность
Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.
P = 3·Iph²·R = 3·27,71²·8 = 18,43 kW
Ответ
P = 18,43 kW
Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,8, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.
18.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 342,2 µF
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.
Q1 = 100·tan(acos 0,65) = 100·1,169 = 116,9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 74,31 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.
IHV = S/V = 25000/6600 = 3,788 A
Ответ
IHV = 3,788 A
20.Трансформаторы
Ответ: Sη,max = 70,71 kVA
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.
Потери в меди равны потерям в стали
x²·600 = 300 → x = √(300/600) = 0,7071
Нагрузка при максимальном КПД
Sη,max = x·S = 0,7071·100 = 70,71 kVA
Ответ
Sη,max = 70,71 kVA
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 0,22 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 входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 1,8/100 = 0,018 mA
I2 = V2/R2 = 2/22 = 0,09091 mA
If = I1 + I2 = 0,1089 mA
Ответ
If = 0,1089 mA
23.Диоды и транзисторы
Ответ: IZ = 20,24 mA
Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.
Ток резистора
IR = 13,8/470 = 29,36 mA
Ток нагрузки
IL = 6,2/680 = 9,118 mA
Ток стабилитрона
IZ = 29,36 − 9,118 = 20,24 mA
Ответ
IZ = 20,24 mA
24.Диоды и транзисторы
Ответ: PZ,max = 181,8 mW
Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.
Ток стабилитрона в худшем случае
IZ = 5/330 = 15,15 mA
Мощность стабилитрона
PZ = 12·15,15 = 181,8 mW
Ответ
PZ,max = 181,8 mW
25.Системы счисления
Ответ: U = 233
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
23 = 0001 0111
инвертировано: 1110 1000
+1 → 1110 1001
Прочитайте как беззнаковое
1110 1001₂ = 256 − 23 = 233
Ответ
U = 233
26.Системы счисления
Ответ: b = 10 bit
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.
Степени двойки
29 = 512 < 923
210 = 1024 ≥ 923
Ответ
b = 10
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 3
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 нули
Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.
(A + C)
(A + B′)
(A′ + B + C′)
Минимальная форма POS
F = (A + C)(A + B′)(A′ + B + C′)
N = 3
Ответ
N = 3
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 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.
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).
Разложение знаменателя на множители
s² + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 6) и положите s = −6: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (s + 37)/(s + 7) |s = −6 = 31/1 = 31
Ответ
A = 31
(B = −30, поэтому f(t) = 31·e−6t − 30·e−7t)
30.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.75) = 3,578
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование уравнения
s²Y − 9s − (−15) + 6(sY − 9) + 5Y = 0
Y(s) = (9s + 39)/((s + 1)(s + 5))
Простые дроби
A = 30/4 = 7,5
B = −6/(−4) = 1,5
Результат
y(t) = 7,5·e−t + 1,5·e−5t
y(0,75) = 3,578
Ответ
y(0,75) = 3,578
Проверка: y(0) = A + B = 9.
31.Структурные схемы
Ответ: css = 4,872
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).
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) = 4/(s + 4 + 32)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 32/(s + 4 + 32)
Установившийся режим
css = 1·32/36 + 2·4/36 = 1,111
Ответ
css = 1,111
Больший K ослабляет влияние возмущения, но с пропорциональным регулятором никогда не обращает его в нуль.
33.Переходная характеристика
Ответ: tp = 0,441 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) = √(100/10) = 3,162 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 6/(2·√(100·10)) = 0,09487
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 74,13 %
Ответ
%OS = 74,13 %
35.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ∠G(jω) = −104,5 °
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.
Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.
Характеристическое уравнение
s³ + 7s² + 10s + K = 0
Таблица Рауса
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K
Условия
Каждый элемент первого столбца должен быть положительным.
K > 0
7·10 − K > 0 → K < 70
Ответ
Kmax = 70
При K = 70 замкнутая система колеблется с частотой ω = √10 = 3,162 rad/s.
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: θd = 26,57 °
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 + 2s + 17 = 0 → s = −1 ± j4
s = −3
Углы от остальных полюсов
∠(−1 + j4 + 3) = atan2(4, 2) = 63,43°
∠(−1 + j4 − (−1 − j4)) = ∠(j8) = 90°
Угол выхода
θd = 180° − 63,43° − 90° = 26,57°
Ответ
θd = 26,57°
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 1
Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.
Коэффициент ошибки по ускорению
Ka = 5·2/5 = 2
Ошибка по параболическому воздействию
ess = 2/2 = 1
Ответ
ess = 1
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: tp = 1,622 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 + 5) + 2·5 = s² + 5s + 10
ωₙ и ζ
ωₙ = √10 = 3,162 rad/s
ζ = 5/(2·3,162) = 0,7906
Время пика
ωd = 3,162·√(1 − 0,7906²) = 1,936 rad/s
tp = π/1,936 = 1,622 s
Ответ
tp = 1,622 s
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.