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​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​12 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩIR2​AR4​10 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 15 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​1,5 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VA (относительно земли).

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩAR5​4 ΩBIs​6 A−+V2​15 V

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти узловое напряжение VB (относительно земли).

V1 = 30 VIs = 6 AV2 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 25 ΩR5 = 4 Ω
VB = V
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​5 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).

V1 = 6 VV2 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 ΩR5 = 5 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
линейная цепьVs​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 20 V и Is = 10 mA I = 10 mA; при Vs = 2 V и Is = 2 mA I = 1,6 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 15 V и Is = 10 mA.

20 V, 10 mA → 10 mA2 V, 2 mA → 1,6 mAVs = 15 V, Is = 10 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R4​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​25 ΩAIs​4 AB+−V2​9 V

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

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​2 ABRL​15 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 15 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 68 ΩL100 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

Vs = 20 VR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​15 Vt = 0R = 47 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 15 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 12 V, ровно через 20 ms после старта. При R = 47 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 15 VVth = 12 VT = 20 msR = 47 kΩ
C = µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
100 V200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 1 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 100 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 1 µF
φ = °
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
230 V60 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 100 µF

Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите резонансную частоту f0 цепи.

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 100 µF
f0 = Hz
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 40 kWQ = ?Sφ

Однофазный двигатель потребляет 40 kW при коэффициенте мощности 0,9 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.

P = 40 kWpf = 0,9V = 400 V
Q = kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
24 V1000 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Источник 24 V (действующее значение), 1000 Hz имеет внутреннее сопротивление Zs = 25 + j10 Ω. Полное сопротивление нагрузки ZL можно выбирать произвольно. Найдите наибольшую активную мощность Pmax, которую можно передать нагрузке.

Vs = 24 V (rms)f = 1000 HzZs = 25 + j10 Ω
Pmax = W
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M30 kW, η = 88%cos φ = 0,82

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 30 kW. При этой нагрузке его КПД равен 88%, а коэффициент мощности 0,82 (отстающий). Линейное напряжение сети 480 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 30 kWη = 88%cos φ = 0,82VL = 480 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​150 kVA

Однофазный трансформатор 150 kVA, 2400/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.

S = 150 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
20.ТрансформаторыСложная
pf 0,85150 kVA, η = 98,2%

Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 1200 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,85 (отстающий) его КПД равен 98,2%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 150 kVAPcore = 1200 Wpf = 0,85η = 98,2%
Pcu,fl = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 10 kΩVin​

ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.

R1 = 10 kΩRf = 47 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = 0,4 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,9 VR3​ = 47 kΩR4​ = 2 kΩ

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

V1 = 0,4 VV2 = 0,9 VR1 = 1 kΩR2 = 2 kΩR3 = 47 kΩR4 = 2 kΩ
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 1,2 kΩβ = 200VCC​ = 15 VRB​ = 560 kΩ

NPN-транзистор с β = 200 смещён резистором базы RB = 560 kΩ от источника питания VCC = 15 V. Резистор коллектора RC = 1,2 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.

VCC = 15 VRB = 560 kΩRC = 1,2 kΩβ = 200VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Диоды и транзисторыСложная
+−≥ 20 VR = ?12 V≤ 30 mA

Стабилизатор на стабилитроне 12 V должен питать нагрузку током до 30 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 = 12 VIL,max = 30 mAIZ,min = 1 mA
Rmax = Ω
25.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код?−128?64?32?16?8?4?2?1

Запишите −41 как 8-битную комбинацию в дополнительном коде. Прочитайте комбинацию как беззнаковое двоичное число: каково его значение U в десятичной системе?

N = −418 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
24-битный дополнительный код, N = ??знак???????????????????????

Какое наименьшее (самое отрицательное) целое число N можно записать в 24-битном дополнительном коде?

24 bit
N =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD000111100001111010011302040517160120130151141819011010

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 6, 7, 8, 9, 14). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 6, 7, 8, 9, 14)
L =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

4-разрядный сдвиговый регистр Q₃Q₂Q₁Q₀ содержит 1000. По каждому фронту тактового сигнала биты сдвигаются на одну позицию вправо (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ теряется), а последовательный вход поступает в Q₃. Последовательный вход равен 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1 на 7 фронтах. Укажите итоговое состояние Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ в виде десятичного числа.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10001, 0, 1, 0, 0, 0, 1
Q =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 4)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,1).

F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,1 s
f(0.1) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 18y = 9·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 5 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,25).

y″ + 9y′ + 18y = 9·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+36s + 5G(s)C(s)0,2H−

Объект G(s) = 36/(s + 5) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 0,2. Найдите постоянную времени τ замкнутой системы.

G(s) = 36/(s + 5)H = 0,2
τ = s
32.Структурные схемыСложная
R(s)+K(s + 3)(s + 5)(s + 7)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 7)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. При наибольшем устойчивом коэффициенте в контуре возникают колебания. Найдите частоту колебаний ω в rad/s.

G(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 7))единичная отрицательная обратная связь
ω = rad/s
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 44,5/(s² + 4s + 89) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 44,5/(s² + 4s + 89)
tp = s
34.Переходная характеристикаСложная
R(s)+210s(s + 10)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 210/(s(s + 10)). Найдите время установления ts переходной характеристики замкнутой системы по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 210/(s(s + 10))
ts = s
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 47 kΩC = 4,7 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 47 kΩ, C = 4,7 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 2,9 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 47 kΩC = 4,7 nFf = 2,9 kHz
|H| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 972/(s(s + 8)(s + 9)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 972/(s(s + 8)(s + 9))
GM = dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K1s(s + 3)(s + 10)C(s)−

Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)). Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

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

Для L(s) = K/((s + 4)(s² + 4s + 8)) найдите угол выхода θd корневого годографа из комплексного полюса в верхней полуплоскости, отсчитываемый от положительного направления вещественной оси.

L(s) = K/((s + 4)(s² + 4s + 8))
θd = °
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
R(s)+K = 551s + 1C(s)−

Процесс G(s) = 5/(1s + 1) управляется пропорциональным коэффициентом усиления K = 5 в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess по ступеньке в процентах от величины ступеньки.

G(s) = 5/(1s + 1)K = 5
ess = %
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 2C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 4/(s + 2) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 8 rad/s и ζ = 0,8. Найдите пропорциональный коэффициент Kp.

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,8
Kp =

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 9,714 Ω

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 6·22/(6+22) = 4,714 Ω
Req = R1 + 4,714 = 5 + 4,714 = 9,714 Ω

Ответ

Req = 9,714 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,3842 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​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​10 ΩBR6​12 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 7,297 Ω
R3 + 7,297 = 15,3 Ω
R2 ∥ 15,3 = 5,253 Ω
Req = R1 + 5,253 = 5 + 5,253 = 10,25 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/10,25 = 0,5852 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,5852·5 = 3,074 V
IR2 = VA/R2 = 3,074/8 = 0,3842 A

Ответ

IR2 = 0,3842 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = 5,226 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.

R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBIs​1,5 A

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/12 + (VA − 12)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0,3833·VA − 0,25·VB = 0,6

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/4 = 1,5
−0,25·VA + 0,5·VB = 1,5

Решите

Δ = (0,3833)(0,5) − (−0,25)(−0,25) = 0,1292
VA = Δ1/Δ = 0,675/0,1292 = 5,226 V
VB = Δ2/Δ = 0,725/0,1292 = 5,613 V

Ответ

VA = 5,226 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: VB = 16,93 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.

R1​ = 15 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩAR5​4 ΩBIs​6 A−+V2​15 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 V, V2 = −15 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/8 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/8 = 0
0,3167·VA − 0,125·VB = 2

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)/8 + (VB − (−15))/25 = 6
−0,125·VA + 0,415·VB = 5,4

Решите

Δ = (0,3167)(0,415) − (−0,125)(−0,125) = 0,1158
VA = Δ1/Δ = 1,505/0,1158 = 13 V
VB = Δ2/Δ = 1,96/0,1158 = 16,93 V

Ответ

VB = 16,93 V
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,5778 A

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

R1​ = 3 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

Задайте контурные токи

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

ЗНК для контура 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
3·I1 + 15(I1 − I2) = 30
18·I1 − 15·I2 = 30

ЗНК для контура 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 15(I2 − I1) = (−12)
−15·I1 + 35·I2 = −12

Решите

Δ = (18)(35) − (−15)(−15) = 405
I1 = Δ1/Δ = 870/405 = 2,148 A
I2 = Δ2/Δ = 234/405 = 0,5778 A

Ответ

I2 = 0,5778 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,2882 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​ = 10 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​5 ΩB+−V2​5 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
10·I1 + 20(I1 − I2) = 6
30·I1 − 20·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
12·I2 + 20(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 37·I2 − 5·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 + 5(I3 − I2) = (−5)
−5·I2 + 25·I3 = −5

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 17000
I1 = Δ1/Δ = 4900/17000 = 0,2882 A
I2 = Δ2/Δ = 2250/17000 = 0,1324 A
I3 = Δ3/Δ = −2950/17000 = −0,1735 A

Ответ

I1 = 0,2882 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: I = 9 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 отклик как сумму вкладов

Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.

I = k₁·Vs + k₂·Is
20·k₁ + 10·k₂ = 10
2·k₁ + 2·k₂ = 1,6

Находим константы

Δ = (20)(2) − (10)(2) = 20
k₁ = Δ1/Δ = 4/20 = 0,2
k₂ = Δ2/Δ = 12/20 = 0,6
k₁ = 0,2 mA/V, k₂ = 0,6

Предсказываем новый ток

I = 0,2·15 + 0,6·10 = 9 mA

Ответ

I = 9 mA
8.Метод наложения

Ответ: IR2 = −0,1295 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​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​18 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 ∥ 8 = 6,061 Ω
VA = 18·6,061/(4+6,061) = 10,84 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 10,84·2/8 = 2,711 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (10,84 − 2,711)/6 = 1,355 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​25 ΩAIs​4 ABКЗ

Случай 2 · действует только Is

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

R1 ∥ R3 = 3,448 Ω, поэтому левый путь — R2+3,448 = 9,448 Ω
Req = R4 ∥ 9,448 = 1,651 Ω
VB = Is·Req = 4·1,651 = 6,602 V
VA = VB·3,448/9,448 = 2,41 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (2,41 − 6,602)/6 = −0,6988 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​25 ΩAОБРЫВB+−V2​9 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 = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·9,448/11,45 = 7,428 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 7,428·3,448/9,448 = 2,711 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (2,711 − 7,428)/6 = −0,7861 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 1,355 + (−0,6988) + (−0,7861) = −0,1295 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 8 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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 6 = 8 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,185 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​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​25 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 = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 12 = 15,45 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,172 + 2·3,448 = 12,07 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,07 + 2·12 = 36,07 V
Rth​ = 15,45 Ω+−Vth​36,07 VRL​15 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 36,07/(15,45 + 15) = 1,185 A
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,1451 A

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

Постоянная времени и конечный ток

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

τ = L/R = 100 mH / 68 Ω = 1,471 ms
i(∞) = Vs/R = 20/68 = 0,2941 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,2941·(1 − e−1/1,471) = 0,1451 A

Ответ

i = 0,1451 A
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 0,2644 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

12 = 15·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(15/(15 − 12))
τ = 20/1,609 = 12,43 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 12,43/47 = 0,2644 µF

Ответ

C = 0,2644 µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = −84,88 °

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

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−670,1)²) = 672,8 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−670,1/60) = −84,88°

Ответ

φ = −84,88°
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: f0 = 50,33 Hz

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|.

Резонанс

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC). Частота сети не важна.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,1·100·10⁻⁶)) = 50,33 Hz

Ответ

f0 = 50,33 Hz
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Q = 19,37 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(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

Реактивная мощность

Q = P·tan φ = 40·0,4843 = 19,37 kvar

Ответ

Q = 19,37 kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Pmax = 5,76 W

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

Сопряжённое согласование

Реактивное сопротивление нагрузки компенсирует реактивное сопротивление источника, а активное сопротивление нагрузки равно активному сопротивлению источника.

ZL = Zs* = 25 − j10 Ω

Наибольшая мощность

I = Vs/(2Rs) = 24/50 = 0,48 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·25) = 5,76 W

Ответ

Pmax = 5,76 W
17.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 50,01 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 = 30/0,88 = 34,09 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 34091/(√3·480·0,82) = 50,01 A

Ответ

IL = 50,01 A
18.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 80,38 kvar

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

Реактивная мощность до и после

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

Q1 = 150·tan(acos 0,7) = 150·1,02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 80,38 kvar

Ответ

QC = 80,38 kvar
19.Трансформаторы

Ответ: IHV = 62,5 A

Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.

Номинальный ток

Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.

IHV = S/V = 150000/2400 = 62,5 A

Ответ

IHV = 62,5 A
20.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 1137 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 = 150·0,85 = 127,5 kW
Pin = 127500/0,982 = 129837 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 129837 − 127500 = 2337 W
Pcu,fl = 2337 − 1200 = 1137 W

Ответ

Pcu,fl = 1137 W
21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vin,max = 2,281 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/10 = 5,7

Наибольший вход до ограничения

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/5,7 = 2,281 V

Ответ

Vin,max = 2,281 V
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,6898 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) = 0,9·2/(47 + 2) = 0,03673 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 = −(2/1)·0,4 + (1 + 2/1)·0,03673 = −0,8 + 0,1102 = −0,6898 V

Ответ

Vout = −0,6898 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: VCE = 8,871 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.

Ток базы

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0,7)/560 kΩ = 25,54 µA

Ток коллектора

IC = β·IB = 200·25,54 µA = 5,107 mA

Напряжение коллектор–эмиттер

VCE = 15 − 5,107 mA·1,2 kΩ = 8,871 V

Ответ

VCE = 8,871 V
24.Диоды и транзисторы

Ответ: Rmax = 258,1 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 = 30 + 1 = 31 mA

Наибольшее сопротивление

Rmax = 8/0,031 = 258,1 Ω

Ответ

Rmax = 258,1 Ω
25.Системы счисления

Ответ: U = 215

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

41 = 0010 1001
инвертировано: 1101 0110
+1 → 1101 0111

Прочитайте как беззнаковое

1101 0111₂ = 256 − 41 = 215

Ответ

U = 215
26.Системы счисления

Ответ: N = −8,389 × 10⁶

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.

Самое отрицательное значение

−223 = −8388608

Ответ

N = −8388608
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 12

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.

ABCD000111100001111010011302040517160120130151141819011010

Сгруппируйте единицы

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

B′C′D′
BCD′
A′CD
AB′C′

Минимальная форма SOP

F = B′C′D′ + BCD′ + A′CD + AB′C′
L = 12

Ответ

L = 12
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: Q = 8

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

Состояние после каждого фронта

1000 → 1100 → 0110 → 1011 → 0101 → 0010 → 0001 → 1000

Десятичное значение

1000₂ = 8

Ответ

Q = 8
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.1) = 0,1391

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).

Простые дроби

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 4)
A = 35/(3·4) = 2,917
B = 35/((−3)·1) = −11,67
C = 35/((−4)·(−1)) = 8,75

Обратное преобразование

f(t) = 2,917 − 11,67·e−3t + 8,75·e−4t

Вычислите

f(0,1) = 2,917 − 11,67·e−3·0,1 + 8,75·e−4·0,1 = 0,1391

Ответ

f(0,1) = 0,1391
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.25) = 0,696

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

Преобразование уравнения

Y(s) = 45/(s(s + 3)(s + 6))

Простые дроби

A = 45/(3·6) = 2,5
B = 45/((−3)·3) = −5
C = 45/((−6)·(−3)) = 2,5

Выделение

y(t) = 2,5 − 5·e−3t + 2,5·e−6t
y(0,25) = 0,696

Ответ

y(0,25) = 0,696
31.Структурные схемы

Ответ: τ = 0,08197 s

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

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = G/(1 + G·H) = 36/(s + 5 + 7,2) = 36/(s + 12,2)

Результат

τ = 1/12,2 = 0,08197 s

Ответ

τ = 0,08197 s
32.Структурные схемы

Ответ: ω = 8,426 rad/s

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 + 71s + 105 + K = 0

Таблица Рауса

s³ | 1 71
s² | 15 105 + K
s¹ | (15·71 − 105 − K)/15
s⁰ | 105 + K

Граница устойчивости

Все элементы первого столбца должны быть положительными.

Kmax = 15·71 − 105 = 960

Частота колебаний

15·(jω)² + 105 + 960 = 0 → ω² = 1065/15 = 71
ω = 8,426 rad/s

Ответ

ω = 8,426 rad/s
33.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,3408 s

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Сравните со стандартной формой

Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 89 → ωₙ = 9,434 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9,434) = 0,212

Результат

ωd = 9,434·√(1 − 0,212²) = 9,22 rad/s → tp = π/ωd = 0,3408 s

Ответ

tp = 0,3408 s
34.Переходная характеристика

Ответ: ts = 0,8 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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = 210/(s² + 10s + 210): ωₙ = 14,49 rad/s, ζ = 0,345

Время установления

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,8 s

Ответ

ts = 0,8 s

Для этого контура ζωₙ = a/2 при любом K: увеличение K усиливает перерегулирование, но не сокращает время установления.

35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −12,36 dB

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

Частота среза

ωc = 1/(RC) = 1/(47000·4,7 × 10⁻⁹) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 2900/720,5 = 4,025

Коэффициент усиления

|H| = 1/√(1 + 4,025²) = 0,2411
20·log₁₀(0,2411) = −12,36 dB

Ответ

|H| = −12,36 dB
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 2,002 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/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 81)) = K/(8·9·(8 + 9)) = K/1224

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(1224/972) = 2,002 dB

Ответ

GM = 2,002 dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 390

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 + 13s² + 30s + K = 0

Таблица Рауса

s³: 1, 30
s²: 13, K
s¹: (13·30 − K)/13
s⁰: K

Условия

Каждый элемент первого столбца должен быть положительным.

K > 0
13·30 − K > 0 → K < 390

Ответ

Kmax = 390

При K = 390 замкнутая система колеблется с частотой ω = √30 = 5,477 rad/s.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: θd = 45 °

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 + 8 = 0 → s = −2 ± j2
s = −4

Углы от остальных полюсов

∠(−2 + j2 + 4) = atan2(2, 2) = 45°
∠(−2 + j2 − (−2 − j2)) = ∠(j4) = 90°

Угол выхода

θd = 180° − 45° − 90° = 45°

Ответ

θd = 45°
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 3,846 %

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 позиционной ошибки

Kp = 5·5 = 25

Ошибка по ступеньке

ess = 100/(1 + 25) = 3,846 %

Ответ

ess = 3,846 %
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Kp = 2,7

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

Характеристический полином

1 + C(s)G(s) = 0, умноженное на s(s + 2).

s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki

Целевой полином

s² + 2·0,8·8s + 8² = s² + 12,8s + 64

Приравняйте коэффициенты

2 + 4Kp = 12,8 → Kp = 2,7

Ответ

Kp = 2,7

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

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

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