n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.
Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Тренировочные задачи
1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR2 через R2.
V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 13 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 24 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 31,5 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 = 24 mA2·V1: I = 31,5 mA−Is: I = 1 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 1 ms, в mJ.
Vs = 9 VR = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4,5 V, ровно через 1000 ms после старта. При R = 100 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 5 VVth = 4,5 VT = 1000 msR = 100 kΩ
C = µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Резистор и конденсатор включены параллельно в сеть 12 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩC = 22 µF
I = A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур питается от источника 5 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.
V = 5 V (rms)R = 5 ΩL = 20 mHC = 10 µF
VL = V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
К однофазной сети 230 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 15 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном) и нагрузка 30 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазный трансформатор 200 kVA питает нагрузку 74 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?
Smax = 200 kVAP1 = 74 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 20 A от сети с линейным напряжением 690 V. Коэффициент мощности 0,7 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 690 VIL = 20 Acos φ = 0,7
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 80 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.
P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
Однофазный трансформатор 15 kVA, 4800/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток ILV в обмотке низшего напряжения.
S = 15 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 750 W и потери в меди 2250 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?
S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = −0,2 VR1 = 2 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
NPN-транзистор с β = 200 смещён резистором базы RB = 560 kΩ от источника питания VCC = 10 V. Резистор коллектора RC = 2,7 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите ток коллектора IC в mA.
Стабилизатор на стабилитроне 5,1 V имеет последовательный резистор 330 Ω. Входное напряжение может подниматься до 15 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность PZ,max, которую должен рассеивать стабилитрон.
Vin,max = 15 VVZ = 5,1 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
25.Системы счисленияСредняя
Установите биты так, чтобы они хранили −98 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?
N = −988 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
Система должна присвоить каждому из 3873 элементов собственный двоичный код одинаковой длины. Какое наименьшее число битов b нужно?
3873
b = bit
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 11). Сколько членов-произведений, N, в ней?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 11)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Синхронный десятичный счётчик (по модулю 10) считает 0, 1, …, 9, а затем возвращается к 0. Он начинает с 8. Какое значение Q (в десятичном виде) он покажет после 18 тактовых импульсов?
Q0 = 818N = 10
Q =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 3)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,5).
F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 3))t = 0,5 s
f(0.5) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t), где y(0) = 4 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 10. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,2).
Объект G(s) = K/((s + 7)(s + 8)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. Найдите коэффициент K, при котором замкнутая система демпфирована критически (два равных вещественных полюса).
G(s) = K/((s + 7)(s + 8))единичная отрицательная обратная связь
K =
32.Структурные схемыСложная
Объект G(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 7)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. С помощью критерия Рауса–Гурвица найдите наибольший коэффициент Kmax, при котором замкнутая система устойчива.
Система имеет передаточную функцию G(s) = 15/(s² + s + 5) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 15/(s² + s + 5)
ts = s
34.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 5 kg подвешена на пружине k = 800 N/m с вязким демпфером c = 38 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 100 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
m = 5 kgk = 800 N/mc = 38 N·s/mF = 100 N
ζ =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 715/((s + 11)(s + 13)) при ω = 20 rad/s в dB.
G(s) = 715/((s + 11)(s + 13))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 8)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 8))
ω180 = rad/s
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6)), K > 0. Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.
L(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Для L(s) = K/((s + 3)(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 + 3)(s² + 4s + 8))
θd = °
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Контур с единичной обратной связью имеет G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Найдите коэффициент усиления K, при котором установившаяся ошибка по ступеньке составляет 20 %.
G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 20 %
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K = 40 управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 8)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 1/(s(s + 8))K = 40
%OS = %
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,6034 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
Req = R1 + 1,75 = 20 + 1,75 = 21,75 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/21,75 = 0,6897 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,6897·20 = 1,207 V
IR2 = VA/R2 = 1,207/2 = 0,6034 A
Ответ
IR2 = 0,6034 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,6062 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 15 + 4 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 7,355 Ω
R3 + 7,355 = 10,35 Ω
R2 ∥ 10,35 = 3,372 Ω
Req = R1 + 3,372 = 30 + 3,372 = 33,37 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/33,37 = 0,899 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 0,899·30 = 3,031 V
IR2 = VA/R2 = 3,031/5 = 0,6062 A
Ответ
IR2 = 0,6062 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: PIs = 14,17 W
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 30)/2 + (VA − VB)/20 = 0
0,8833·VA − 0,05·VB = 15
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/20 = 1
−0,05·VA + 0,1333·VB = 1
Решите
Δ = (0,8833)(0,1333) − (−0,05)(−0,05) = 0,1153
VA = Δ1/Δ = 2,05/0,1153 = 17,78 V
VB = Δ2/Δ = 1,633/0,1153 = 14,17 V
Мощность, отдаваемая источником тока
Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.
PIs = VB·Is = 14,17·1 = 14,17 W
Ответ
PIs = 14,17 W
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 11,9 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
ЗТК в узле A
VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(13 − 12)/20 + 13/5 = (VB − 13)/30
2,65 = (VB − 13)/30 → VB = 92,5 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (92,5 − 13)/30 + 92,5/10 = 11,9 A
Ответ
Is = 11,9 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,8824 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 + 6(I1 − I2) = 15
9·I1 − 6·I2 = 15
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 21·I2 = −30
Решите
Δ = (9)(21) − (−6)(−6) = 153
I1 = Δ1/Δ = 135/153 = 0,8824 A
I2 = Δ2/Δ = −180/153 = −1,176 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,8824 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = −2,641 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
5·I1 + 25(I1 − I2) = 18
30·I1 − 25·I2 = 18
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 25(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 60·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
4·I3 + 5(I3 − I2) = (−24)
−5·I2 + 9·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9825
I1 = Δ1/Δ = 6270/9825 = 0,6382 A
I2 = Δ2/Δ = 450/9825 = 0,0458 A
I3 = Δ3/Δ = −25950/9825 = −2,641 A
Ответ
IR3 = I3 = −2,641 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = 17,34 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 2+12 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·14/(6+14) = 4,2 Ω
VA = 15·4,2/(15+4,2) = 3,281 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,281·12/14 = 2,813 V
VR2′ = VA − 0 = 3,281 − 0 = 3,281 V
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 6,286 = 4,125 Ω
VB = Is·Req = 5·4,125 = 20,63 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 20,63·4,286/6,286 = 14,06 V
VR2″ = VA − 0 = 14,06 − 0 = 14,06 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 3,281 + 14,06 = 17,34 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: I = 19 mA
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 24
2·I₁ + I₂ + I₃ = 31,5
I₁ + I₂ − I₃ = 1
Находим вклады
I₁ = 31,5 − 24 = 7,5 mA
I₃ = (24 − 1)/2 = 11,5 mA
I₂ = 24 − 7,5 − 11,5 = 5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 7,5 + 11,5 = 19 mA
Ответ
I = 19 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 13,45 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 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 8 = 13,45 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,93 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 8 = 14 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 3,6 + 2,5·6 = 18,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,6 + 2,5·8 = 38,6 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) = 38,6/(14 + 6) = 1,93 A
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 0,7356 mJ
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,4091·(1 − e−1/1) = 0,2586 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·22·0,2586² = 0,7356 mJ
Ответ
W = 0,7356 mJ
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 4,343 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
4,5 = 5·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(5/(5 − 4,5))
τ = 1000/2,303 = 434,3 ms
Ёмкость
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
C = τ/R = 434,3/100 = 4,343 µF
Ответ
C = 4,343 µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 0,8661 A
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивное сопротивление
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω
Токи ветвей
Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.
IR = V/R = 12/15 = 0,8 A
IX = V/XC = 12/36,17 = 0,3318 A
Общий ток
Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.
I = √(IR² + IX²) = √(0,8² + 0,3318²) = 0,8661 A
Ответ
I = 0,8661 A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VL = 44,72 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|.
Резонанс
При резонансе реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·10·10⁻⁶) = 2236 rad/s
I = V/R = 5/5 = 1 A
Напряжение на катушке
XL = ω₀L = 2236·0,02 = 44,72 Ω
VL = I·XL = 1·44,72 = 44,72 V
Ответ
VL = 44,72 V
Это в Q = 8,944 раз больше напряжения источника.
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,85
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 каждой нагрузки
Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).
Q1 = 15·tan(arccos 0,85) = 9,296 kvar
Q2 = 30·tan(arccos 0,85) = 18,59 kvar
Суммы
P = 15 + 30 = 45 kW
Q = 9,296 + 18,59 = 27,89 kvar
S = √(45² + 27,89²) = 52,94 kVA
Общий коэффициент мощности
cos φ = P/S = 45/52,94 = 0,85 отстающий
Ответ
cos φ = 0,85
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: ΔP = 118,1 kW
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 существующей нагрузки
Q1 = 74·tan(arccos 0,8) = 55,5 kvar
Наибольшая суммарная активная мощность
При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 55,5²) = 192,1 kW
Дополнительная активная мощность
ΔP = 192,1 − 74 = 118,1 kW
Ответ
ΔP = 118,1 kW
17.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 16,73 kW
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Полная мощность
S = √3·VL·IL = √3·690·20 = 23,9 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 23,9·0,7 = 16,73 kW
Ответ
P = 16,73 kW
18.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 77,29 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 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 77,29 kvar
Ответ
QC = 77,29 kvar
19.Трансформаторы
Ответ: ILV = 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.
ILV = S/V = 15000/240 = 62,5 A
Ответ
ILV = 62,5 A
20.Трансформаторы
Ответ: Sη,max = 86,6 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
x²·2250 = 750 → x = √(750/2250) = 0,5774
Нагрузка при максимальном КПД
Sη,max = x·S = 0,5774·150 = 86,6 kVA
Ответ
Sη,max = 86,6 kVA
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −10,2 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = −0,2 V
I = V₋/R1 = −0,2/2 = −0,1 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,2 + (−0,1)·100 = −10,2 V
Ответ
Vout = −10,2 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,6149 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 = −1,3/100 = −0,013 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/47 = 0,01915 mA
If = I1 + I2 = 0,006149 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −100·0,006149 = −0,6149 V
Ответ
Vout = −0,6149 V
23.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 3,321 mA
Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме VBE = 0,7 V, IC = β·IB и IE = (β + 1)·IB. Найдите IB из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем IC, затем VCE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.
Проверка: VCE = 1,032 V заметно больше 0,2 V, значит, транзистор действительно в активном режиме.
24.Диоды и транзисторы
Ответ: PZ,max = 153 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 = 9,9/330 = 30 mA
Мощность стабилитрона
PZ = 5,1·30 = 153 mW
Ответ
PZ,max = 153 mW
25.Системы счисления
Ответ: U = 158
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
98 = 0110 0010
инвертировано: 1001 1101
+1 → 1001 1110
Прочитайте как беззнаковое
1001 1110₂ = 256 − 98 = 158
Ответ
U = 158
26.Системы счисления
Ответ: b = 12 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
211 = 2048 < 3873
212 = 4096 ≥ 3873
Ответ
b = 12
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 4
Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.
Сгруппируйте единицы
Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.
B′C′D
B′CD′
AB′
A′BC
Минимальная форма SOP
F = B′C′D + B′CD′ + AB′ + A′BC
N = 4
Ответ
N = 4
Существует другая группировка того же размера; в ней то же число членов и литералов.
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: Q = 6
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.
Полные циклы
Каждые 10 импульсов возвращают счётчик в то же состояние.
18 = 1·10 + 8
Значение после оставшихся импульсов
Q = (8 + 8) mod 10 = 6
Q = 0110₂
Ответ
Q = 6
29.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.5) = 1,009
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 + 1) + C/(s + 3)
A = 15/(1·3) = 5
B = 15/((−1)·2) = −7,5
C = 15/((−3)·(−2)) = 2,5
Обратное преобразование
f(t) = 5 − 7,5·e−t + 2,5·e−3t
Вычислите
f(0,5) = 5 − 7,5·e−0,5 + 2,5·e−3·0,5 = 1,009
Ответ
f(0,5) = 1,009
30.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = 9,293
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование уравнения
(s² + 9s + 18)·Y(s) = 4s + 36 + 540/s
Y(s) = (4s² + 36s + 540)/(s(s + 3)(s + 6))
Простые дроби
A = 540/(3·6) = 30
B = 468/((−3)·3) = −52
C = 468/((−6)·(−3)) = 26
Результат
y(t) = 30 − 52·e−3t + 26·e−6t
y(0,2) = 9,293
Ответ
y(0,2) = 9,293
Проверка: y(0) = A + B + C = 4.
31.Структурные схемы
Ответ: K = 0,25
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).
Квадратный трёхчлен s² + βs + γ имеет двойной корень, когда β² = 4γ.
15² = 4(56 + K) → K = 225/4 − 56 = 0,25
Ответ
K = 0,25
Тогда оба полюса замкнутой системы находятся в s = −7,5.
32.Структурные схемы
Ответ: Kmax = 320
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 + 11s² + 31s + 21 + K = 0
Таблица Рауса
s³ | 1 31
s² | 11 21 + K
s¹ | (11·31 − 21 − K)/11
s⁰ | 21 + K
Граница устойчивости
Все элементы первого столбца должны быть положительными.
Kmax = 11·31 − 21 = 320
Ответ
Kmax = 320
33.Переходная характеристика
Ответ: ts = 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).
Сравните со стандартной формой
Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 5 → ωₙ = 2,236 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2,236) = 0,2236
Результат
ζωₙ = 0,5 → ts ≈ 4/0,5 = 8 s
Ответ
ts = 8 s
34.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,3004
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) = √(800/5) = 12,65 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 38/(2·√(800·5)) = 0,3004
Результат
ζ = 0,3004
Ответ
ζ = 0,3004
35.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |G(jω)| = 2,367 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.
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Частота перехода фазы
(ω/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2,828 rad/s
Ответ
ω180 = 2,828 rad/s
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: Kmax = 462
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.
Характеристический полином
s³ + 12s² + 41s + 30 + K = 0
Таблица Рауса
s³: 1, 41
s²: 12, 30 + K
s¹: (12·41 − 30 − K)/12
s⁰: 30 + K
Условие
Элемент строки s¹ должен оставаться положительным.
K < 12·41 − 30 = 462
Ответ
Kmax = 462
На границе устойчивости контур колеблется с частотой ω = √41 = 6,403 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 + 4s + 8 = 0 → s = −2 ± j2
s = −3
Углы от остальных полюсов
∠(−2 + j2 + 3) = atan2(2, 1) = 63,43°
∠(−2 + j2 − (−2 − j2)) = ∠(j4) = 90°
Угол выхода
θd = 180° − 63,43° − 90° = 26,57°
Ответ
θd = 26,57°
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 200
Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.
Требуемый коэффициент ошибки
1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4
Коэффициент усиления
K/50 = 4 → K = 200
Ответ
K = 200
Проверьте и устойчивость замкнутой системы: для этого контура второго порядка устойчив любой K > 0.
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: %OS = 7,691 %
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 + 8) + 40·1 = s² + 8s + 40
ωₙ и ζ
ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 8/(2·6,325) = 0,6325
Перерегулирование
%OS = 100·e−0,6325π/√(1 − 0,6325²) = 7,691 %
Ответ
%OS = 7,691 %
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.