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 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.
V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,4·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VIs = 0,5 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Через какое время после замыкания ключа ток достигнет 95% конечного значения? Найдите t.
Vs = 5 VR = 20 ΩL = 22 mH
t = ms
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 10 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 13,5 V? Найдите t.
Vs = 15 VR = 10 kΩC = 47 µFvC(0) = 10 V
t = ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательный RLC-контур с C = 0,1 µF должен резонировать на частоте 60 Hz. Найдите необходимую индуктивность L.
f0 = 60 HzC = 0,1 µF
L = mH
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 100 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 100 V (rms)f = 500 HzR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩC = 22 µF
I = A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 9 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 240 V. Найдите ток линии I.
P = 9 kWpf = 0,65V = 240 V
I = A
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 25 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите новый ток линии Inew.
P = 25 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 15 kW. При этой нагрузке его КПД равен 92%, а коэффициент мощности 0,86 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.
Pout = 15 kWη = 92%cos φ = 0,86VL = 400 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 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. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
Однофазный трансформатор 150 kVA, 4800/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток ILV в обмотке низшего напряжения.
S = 150 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 3000 W и потери в меди 4500 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 50% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,85 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.
Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Входное напряжение Vin = 0,75 V. Найдите выходное напряжение Vout.
NPN-транзистор с β = 200 смещён делителем напряжения от VCC = 20 V: R₁ = 68 kΩ от VCC к базе и R₂ = 15 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 4,7 kΩ, резистор эмиттера RE = 1 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.
NPN-транзистор с β = 80 коммутирует нагрузочный резистор 1 kΩ, включённый между VCC = 5 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 3,3 V через резистор базы RB. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Для надёжного переключения рассчитайте ток базы в 4 раз больше минимального, нужного для насыщения. Найдите RB в kΩ.
8-битная комбинация 1010 0111 хранит целое число со знаком в дополнительном коде. Каково его значение N в десятичной системе?
1010 01118 bit
N =
26.Системы счисленияСложная
Несжатое изображение имеет размер 640 × 480 пикселей и 16 бит на пиксель. Сколько памяти M оно занимает, в KiB (1 KiB = 1024 байта)?
640 × 480 px16 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(4, 6, 8, 10, 12). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?
F(A, B, C, D) = Σm(4, 6, 8, 10, 12)
L =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер T, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы. Нажмите на первый фронт тактового сигнала, на котором Q возвращается из 1 в 0.
Q₀ = 0T
1фронт тактового сигнала 1
2фронт тактового сигнала 2
3фронт тактового сигнала 3
4фронт тактового сигнала 4
5фронт тактового сигнала 5
6фронт тактового сигнала 6
7фронт тактового сигнала 7
29.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (6s + 31)/(s² + 8s + 7). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−t + B·e−7t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (6s + 31)/(s² + 8s + 7)
A =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 6y′ + 8y = 0 при y(0) = 3 и y′(0) = −9 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,5).
y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 3y′(0) = −9t = 0,5 s
y(0.5) =
31.Структурные схемыСредняя
Объект G(s) = 10/(s + 1) охвачен внутренним (малым) контуром отрицательной обратной связи с коэффициентом H₁ = 0,5. Коэффициент регулятора K = 9, и система замыкается внешним контуром единичной отрицательной обратной связи. Найдите статический коэффициент передачи замкнутой системы T(0).
G(s) = 10/(s + 1)H₁ = 0,5K = 9
T(0) =
32.Структурные схемыСложная
Упростите структурную схему, где G₁ = 12/(s + 5), G₂ = 2/(s + 4), внутренняя отрицательная обратная связь H₁ = 1 охватывает G₂, а внешняя отрицательная обратная связь H₂ = 0,2. Найдите статический коэффициент передачи T(0) C(s)/R(s).
G₁ = 12/(s + 5)G₂ = 2/(s + 4)H₁ = 1H₂ = 0,2
T(0) =
33.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 33/(s² + 2s + 11) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 33/(s² + 2s + 11)
ts = s
34.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 1 kg подвешена на пружине k = 200 N/m с вязким демпфером c = 6 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 25 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
m = 1 kgk = 200 N/mc = 6 N·s/mF = 25 N
ζ =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 2 Ω при L = 2 mH и C = 0,47 µF. Найдите добротность Q.
R = 2 ΩL = 2 mHC = 0,47 µF
Q =
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 132/(s(s + 5)(s + 7)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 132/(s(s + 5)(s + 7))
GM = dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме использует положительную обратную связь, L(s) = 50/(s(s + 1)(s + 3)). Сколько полюсов N замкнутой системы лежит в правой полуплоскости?
L(s) = 50/(s(s + 1)(s + 3))
N =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K(s + 3)/(s(s + 6)(s + 4)(s + 5)). Найдите точку σa, в которой асимптоты корневого годографа пересекают вещественную ось.
L(s) = K(s + 3)/(s(s + 6)(s + 4)(s + 5))
σa =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
На контур с единичной обратной связью и G(s) = 10(s + 5)/(s²(s + 2)) подан параболический вход r(t) = 4·t²/2. Найдите установившуюся ошибку ess.
G(s) = 10(s + 5)/(s²(s + 2))r(t) = 4·t²/2
ess =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
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 = 15 + 15 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
Req = R1 + 6,316 = 6 + 6,316 = 12,32 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/12,32 = 0,812 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,812·6 = 5,128 V
IR2 = VA/R2 = 5,128/8 = 0,641 A
Ответ
IR2 = 0,641 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,6998 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 2,71 Ω
R3 + 2,71 = 14,71 Ω
R2 ∥ 14,71 = 3,145 Ω
Req = R1 + 3,145 = 4 + 3,145 = 7,145 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 5/7,145 = 0,6998 A
Ответ
IR1 = 0,6998 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,4156 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 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/15 + (VA − 9)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0,5167·VA − 0,2·VB = 2,25
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)/5 = 2
−0,2·VA + 0,45·VB = 2
Решите
Δ = (0,5167)(0,45) − (−0,2)(−0,2) = 0,1925
VA = Δ1/Δ = 1,413/0,1925 = 7,338 V
VB = Δ2/Δ = 1,483/0,1925 = 7,706 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 7,338)/4 = 0,4156 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 5,815 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.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники направляют в A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,1917·VA − 0,125·VB = 0,6
ЗТК в узле B
Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,4·VA
−0,525·VA + 0,625·VB = 0
Решите
Δ = (0,1917)(0,625) − (−0,125)(−0,525) = 0,05417
VA = Δ1/Δ = 0,375/0,05417 = 6,923 V
VB = Δ2/Δ = 0,315/0,05417 = 5,815 V
Ответ
VB = 5,815 V
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 2,043 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
5·I1 + 2(I1 − I2) = 15
7·I1 − 2·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
12·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 14·I2 = −9
Решите
Δ = (7)(14) − (−2)(−2) = 94
I1 = Δ1/Δ = 192/94 = 2,043 A
I2 = Δ2/Δ = −33/94 = −0,3511 A
Ответ
IR1 = I1 = 2,043 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,1273 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
10·I1 + 5(I1 − I2) = 6
15·I1 − 5·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 + 5(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 32·I2 − 15·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
12·I3 + 15(I3 − I2) = (−36)
−15·I2 + 27·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8910
I1 = Δ1/Δ = 1134/8910 = 0,1273 A
I2 = Δ2/Δ = −7290/8910 = −0,8182 A
I3 = Δ3/Δ = −15930/8910 = −1,788 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,1273 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: Is = 0,9375 A
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ ∥ R₂ подключены между A и землёй. Iₛ делится в узле B между R₄ и ветвью R₃ + R₁∥R₂; часть через R₃ течёт от B к A, против стрелки.
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
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 3 ∥ 40 = 2,791 Ω
VA = 6·2,791/(30+2,791) = 0,5106 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,5106·10/40 = 0,1277 V
VR2′ = VA − VB = 0,5106 − 0,1277 = 0,383 V
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 = 2,727 Ω, поэтому левый путь — R2+2,727 = 32,73 Ω
Req = R4 ∥ 32,73 = 7,66 Ω
VB = Is·Req = 1,5·7,66 = 11,49 V
VA = VB·2,727/32,73 = 0,9574 V
VR2″ = VA − VB = 0,9574 − 11,49 = −10,53 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 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·32,73/42,73 = −4,596 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −4,596·2,727/32,73 = −0,383 V
VR2‴ = VA − VB = −0,383 − −4,596 = 4,213 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,383 + (−10,53) + 4,213 = −5,936 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 7,2 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 = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 6 = 7,2 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 13,44 V
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 10 = 11,88 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) = 7,5 + 0,5·1,875 = 8,438 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,438 + 0,5·10 = 13,44 V
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 3,295 ms
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
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 / 20 Ω = 1,1 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A
Выразите время
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −1,1·ln(0,05) = 3,295 ms
Ответ
t = 3,295 ms
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 565,9 ms
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
t = τ·ln((10 − 15)/(13,5 − 15)) = 470·ln(3,333) = 565,9 ms
Ответ
t = 565,9 ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: L = 70362 mH
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|.
Условие резонанса
При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·60 = 377 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(377²·0,1·10⁻⁶) = 70362 mH
Ответ
L = 70362 mH
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 5,109 A
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивное сопротивление
XC = 1/(2π·500·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω
Параллельное соединение
Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Zp на действительную и мнимую части.
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: I = 57,69 A
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Ток линии
Работу совершает только активная часть мощности, поэтому разделите на коэффициент мощности.
I = P/(V·cos φ) = 9000/(240·0,65) = 57,69 A
Ответ
I = 57,69 A
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Inew = 118,1 A
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.
Q1 = P·tan φ1 = 25·tan(53,13°) = 33,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(23,07°) = 10,65 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,68 kvar
Новый ток линии
Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(230·0,92) = 118,1 A
Ответ
Inew = 118,1 A
17.Трёхфазная мощность
Ответ: IL = 27,36 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 = 15/0,92 = 16,3 kW
Ток линии
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16304/(√3·400·0,86) = 27,36 A
Ответ
IL = 27,36 A
18.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 2132 µF
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.
Q1 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 107,2 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой звездой, каждый конденсатор включён между линейным проводом и нейтральной точкой.
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 = 150000/240 = 625 A
Ответ
ILV = 625 A
20.Трансформаторы
Ответ: Ploss = 4125 W
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.
Потери в меди при этой нагрузке
Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·4500 = 1125 W
Суммарные потери
Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.
Ploss = 3000 + 1125 = 4125 W
Ответ
Ploss = 4125 W
КПД при этой нагрузке η = 98,1%.
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 6 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2·100/(100 + 100) = 1 V
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
V₋ = V₊, и ток через R₁ течёт также через Rf.
Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1·(1 + 10/2) = 6 V
Ответ
Vout = 6 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,947 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 каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −100/47 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/100 = 1,22
Каскад за каскадом
V1 = −2,128·0,75 = −1,596 V
Vout = 1,22·(−1,596) = −1,947 V
Ответ
Vout = −1,947 V
23.Диоды и транзисторы
Ответ: VCE = 4,409 V
Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме VBE = 0,7 V, IC = β·IB и IE = (β + 1)·IB. Найдите IB из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем IC, затем VCE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = 20·15/(68 + 15) = 3,614 V
RTH = 68·15/(68 + 15) = 12,29 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (3,614 − 0,7)/(12,29 + 201·1) = 13,66 µA
Ток коллектора
IC = 200·13,66 µA = 2,733 mA
IE = 201·13,66 µA = 2,747 mA
Напряжение коллектор–эмиттер
VCE = 20 − 2,733·4,7 − 2,747·1 = 4,409 V
Ответ
VCE = 4,409 V
24.Диоды и транзисторы
Ответ: RB = 10,83 kΩ
Биполярный транзистор как ключ: чтобы полностью включить нагрузку, транзистор вводят в насыщение, где VCE = VCE(sat), а ток коллектора определяется нагрузкой: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насыщения нужен ток базы не менее IB = IC(sat)/β. Если ток базы меньше, транзистор остаётся в активном режиме, и IC = β·IB.
Ток коллектора в насыщении
IC(sat) = (5 − 0,2)/1000 = 4,8 mA
Минимальный ток базы
IB(min) = IC(sat)/β = 4,8/80 = 60 µA
Расчётный ток базы
IB = 4·60 µA = 240 µA
Резистор базы
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,24 mA = 10,83 kΩ
Ответ
RB = 10,83 kΩ
25.Системы счисления
Ответ: N = −89
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.
Сложите веса
Остальные биты сохраняют свои обычные положительные веса.
−128 + 32 + 4 + 2 + 1 = −89
Ответ
N = −89
26.Системы счисления
Ответ: M = 600 KiB
Позиционные системы счисления: каждая цифра стоит своего значения, умноженного на степень основания. В двоичной системе разряды стоят 1, 2, 4, 8, 16, …, в шестнадцатеричной 1, 16, 256, …, а A–F обозначают 10–15. В 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128 вместо +128; так хранятся отрицательные числа.
Биты и байты
640·480·16 = 4915200 bit = 614400 B
Переведите в KiB
614400/1024 = 600 KiB
Ответ
M = 600 KiB
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: L = 9
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.
BC′D′
A′BD′
AB′D′
Минимальная форма SOP
F = BC′D′ + A′BD′ + AB′D′
L = 9
Ответ
L = 9
Существует другая группировка того же размера; в ней то же число членов и литералов.
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: фронт тактового сигнала 4
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.
Q после каждого фронта
T-триггер переключается по каждому переднему фронту при T = 1 и сохраняет состояние при T = 0.
1: T = 1 → Q = 1
2: T = 0 → Q = 1
3: T = 0 → Q = 1
4: T = 1 → Q = 0
5: T = 0 → Q = 0
6: T = 1 → Q = 1
7: T = 0 → Q = 1
Первое изменение с 1 на 0
фронт тактового сигнала 4
Ответ
фронт тактового сигнала 4
29.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 4,167
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Разложение знаменателя на множители
s² + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 1) и положите s = −1: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (6s + 31)/(s + 7) |s = −1 = 25/6 = 4,167
Ответ
A = 4,167
(B = 1,833, поэтому f(t) = 4,167·e−t + 1,833·e−7t)
30.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.5) = 0,7548
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование уравнения
s²Y − 3s − (−9) + 6(sY − 3) + 8Y = 0
Y(s) = (3s + 9)/((s + 2)(s + 4))
Простые дроби
A = 3/2 = 1,5
B = −3/(−2) = 1,5
Результат
y(t) = 1,5·e−2t + 1,5·e−4t
y(0,5) = 0,7548
Ответ
y(0,5) = 0,7548
Проверка: y(0) = A + B = 3.
31.Структурные схемы
Ответ: T(0) = 0,9375
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
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 = 11 → ωₙ = 3,317 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·3,317) = 0,3015
Результат
ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s
Ответ
ts = 4 s
34.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,2121
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) = √(200/1) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 6/(2·√(200·1)) = 0,2121
Результат
ζ = 0,2121
Ответ
ζ = 0,2121
35.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: Q = 32,62
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.
Характеристический полином
s³ + 4s² + 3s − 50 = 0
Таблица Рауса
s³: 1, 3
s²: 4, −50
s¹: 15,5
s⁰: −50
Смены знака в первом столбце
1 → 4 → 15,5 → −50
N = 1
Ответ
N = 1
Положительная обратная связь делает свободный коэффициент отрицательным: один вещественный полюс всегда уходит в правую полуплоскость.
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: σa = −4
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.
Полюса и нули
полюса: 0, −6, −4, −5
нули: −3
n − m = 4 − 1 = 3
Центр тяжести
σa = (−15 − (−3))/3 = −4
Ответ
σa = −4
3 асимптоты выходят из центра под углами 60°, 180°, 300°.
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 0,16
Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.
Коэффициент ошибки по ускорению
Ka = 10·5/2 = 25
Ошибка по параболическому воздействию
ess = 4/25 = 0,16
Ответ
ess = 0,16
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 0,4
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).
Коэффициент скоростной ошибки
s·C(s) = 2s + 5 → 5 при s → 0.
Kv = 5·20/8 = 12,5
Ошибка по линейному воздействию
ess = 5/12,5 = 0,4
Ответ
ess = 0,4
ПИ-регулятор полностью устраняет ошибку по ступеньке; линейное воздействие отслеживается с постоянным отставанием.
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.