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 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 15 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 = 7 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 10 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 2 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = 7 mA2·V1: I = 10 mA−Is: I = 2 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
К a–b подключена нагрузка RL = 3 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.
V1 = 36 VIs = 6 AR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.
Vs = 9 VR = 22 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 15 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 9,48 V, ровно через 25 ms после старта. При R = 10 kΩ найдите необходимую ёмкость C.
Vs = 15 VVth = 9,48 VT = 25 msR = 10 kΩ
C = µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 100 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 10 µF
I = A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 24 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 24 V (rms)f = 500 HzR1 = 50 ΩR2 = 40 ΩC = 4,7 µF
I = A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 39 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 400 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.
P = 39 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазный трансформатор 200 kVA питает нагрузку 90 kW при коэффициенте мощности 0,75 (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 = 90 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 12 + j5 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 400 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 400 VZ = 12 + j5 Ω на фазу
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 200 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 690 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 = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 10:1 приложено 2300 V. К вторичной обмотке подключён резистор 8 Ω. Найдите первичный ток I1.
N1:N2 = 10:1V1 = 2300 VRL = 8 Ω
I1 = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 25 kVA имеет потери в стали 75 W и потери в меди 150 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?
S = 25 kVAPcore = 75 WPcu,fl = 150 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,8 VR1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 2 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 20 ms.
NPN-транзистор с β = 100 смещён резистором базы RB = 390 kΩ от источника питания VCC = 15 V. Резистор коллектора RC = 470 Ω, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.
VCC = 15 VRB = 390 kΩRC = 470 Ωβ = 100VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Диоды и транзисторыСложная
NPN-транзистор с β = 150 коммутирует нагрузочный резистор 220 Ω, включённый между VCC = 9 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 3,3 V через резистор базы RB = 3,3 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Найдите ток коллектора IC в mA при высоком уровне на входе. Сначала определите, насыщен ли транзистор.
8-битная комбинация 1000 1011 хранит целое число со знаком в дополнительном коде. Каково его значение N в десятичной системе?
1000 10118 bit
N =
26.Системы счисленияСложная
Установите биты в 8-битный результат операции 0111 0111 AND 1001 1000. Чему равно значение результата R в десятичной системе?
0111 0111AND1001 1000
R =
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(2, 3, 6, 12, 13, 14). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?
F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 6, 12, 13, 14)
L =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
4-разрядный двоичный суммирующий счётчик начинает с 3 (в десятичном виде, Q = 0011). Какое значение Q (в десятичном виде) он покажет после 48 тактовых импульсов?
Q0 = 348n = 4
Q =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (4s + 5)/(s² + 4s + 4) и вычислите f(0,25).
F(s) = (4s + 5)/(s² + 4s + 4)t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 1 и y′(0) = 2 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 2t = 0,2 s
y(0.2) =
31.Структурные схемыСредняя
Объект G(s) = K/((s + 6)(s + 10)) 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 + 6)(s + 10))единичная отрицательная обратная связь
K =
32.Структурные схемыСложная
Пропорциональный регулятор K = 5 управляет объектом G(s) = 1/(s + 7) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Возмущение D действует на входе объекта (прибавляется к выходу регулятора). При R = 0 подаётся ступенька возмущения величиной 2. Найдите установившийся выход css.
K = 5G(s) = 1/(s + 7)D = 2R = 0
css =
33.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 86/(s² + 6s + 43) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.
G(s) = 86/(s² + 6s + 43)
σ =
34.Переходная характеристикаСложная
У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 280/(s(s + 8)). Найдите время установления ts переходной характеристики замкнутой системы по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 280/(s(s + 8))
ts = s
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 20 Ω при L = 100 mH и C = 1 µF. Найдите центральную (резонансную) частоту f0 в Hz.
R = 20 ΩL = 100 mHC = 1 µF
f0 = Hz
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 5 dB.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))GM = 5 dB
K =
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме использует положительную обратную связь, L(s) = 5/(s(s + 5)(s + 8)). Сколько полюсов N замкнутой системы лежит в правой полуплоскости?
L(s) = 5/(s(s + 5)(s + 8))
N =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Эскиз корневого годографа для L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5)). Найдите частоту ω, на которой годограф пересекает мнимую ось.
L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5))
ω = rad/s
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
На контур с единичной обратной связью и G(s) = 2(s + 4)/(s²(s + 4)) подан параболический вход r(t) = 1·t²/2. Найдите установившуюся ошибку ess.
G(s) = 2(s + 4)/(s²(s + 4))r(t) = 1·t²/2
ess =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K управляет объектом G(s) = 4/(s(s + 6)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите коэффициент усиления K, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,4.
G(s) = 4/(s(s + 6))ζ = 0,4
K =
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,452 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 6·27/(6+27) = 4,909 Ω
Req = R1 + 4,909 = 12 + 4,909 = 16,91 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/16,91 = 1,774 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,774·12 = 8,71 V
IR2 = VA/R2 = 8,71/6 = 1,452 A
Ответ
IR2 = 1,452 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 8,203 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 1,84 Ω
R3 + 1,84 = 5,84 Ω
R2 ∥ 5,84 = 4,203 Ω
Req = R1 + 4,203 = 4 + 4,203 = 8,203 Ω
Ответ
Req = 8,203 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,3902 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 = 10 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/4 + (VA − 10)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,35·VA − 0,05·VB = 0,5
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)/20 = 1,5
−0,05·VA + 0,3·VB = 1,5
Решите
Δ = (0,35)(0,3) − (−0,05)(−0,05) = 0,1025
VA = Δ1/Δ = 0,225/0,1025 = 2,195 V
VB = Δ2/Δ = 0,55/0,1025 = 5,366 V
Ответ
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 2,195)/20 = 0,3902 A
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 10,8 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
(15 − 18)/15 + 15/30 = (VB − 15)/20
0,3 = (VB − 15)/20 → VB = 21 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (21 − 15)/20 + 21/2 = 10,8 A
Ответ
Is = 10,8 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,3511 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 15
18·I1 − 10·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
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−12)
−10·I1 + 16·I2 = −12
Решите
Δ = (18)(16) − (−10)(−10) = 188
I1 = Δ1/Δ = 120/188 = 0,6383 A
I2 = Δ2/Δ = −66/188 = −0,3511 A
Ответ
I2 = −0,3511 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR5 = 3,388 V
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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 10
27·I1 − 12·I2 = 10
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
10·I2 + 12(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 24·I2 − 2·I3 = 0
ЗНК для контура 3
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
20·I3 + 2(I3 − I2) = (−36)
−2·I2 + 22·I3 = −36
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10980
I1 = Δ1/Δ = 4376/10980 = 0,3985 A
I2 = Δ2/Δ = 696/10980 = 0,06339 A
I3 = Δ3/Δ = −17904/10980 = −1,631 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 1,694 A
VR5 = IR5·R5 = 1,694·2 = 3,388 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR1 = 1,763 A
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 10+12 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·22/(15+22) = 8,919 Ω
VA = 30·8,919/(15+8,919) = 11,19 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 11,19·12/22 = 6,102 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 11,19)/15 = 1,254 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 17,5 = 7,119 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·7,119 = −17,8 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −17,8·7,5/17,5 = −7,627 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −7,627)/15 = 0,5085 A
Сложите составляющие
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,254 + 0,5085 = 1,763 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: I = 5,5 mA
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = 7
2·I₁ + I₂ + I₃ = 10
I₁ + I₂ − I₃ = 2
Находим вклады
I₁ = 10 − 7 = 3 mA
I₃ = (7 − 2)/2 = 2,5 mA
I₂ = 7 − 3 − 2,5 = 1,5 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = 3 + 2,5 = 5,5 mA
Ответ
I = 5,5 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,395 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 8 = 11,33 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·10/(5+10) = 20 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) = 20/(11,33 + 3) = 1,395 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 62,44 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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 3 = 4,852 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) = 33,33 + 6·1,852 = 44,44 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 44,44 + 6·3 = 62,44 V
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 3,212 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 = 47 mH / 22 Ω = 2,136 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,4091·(1 − e−5/2,136) = 0,3697 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·47·0,3697² = 3,212 mJ
Ответ
W = 3,212 mJ
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: C = 2,501 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.
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивные сопротивления
ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,02 = 6,283 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 100/322,1 = 0,3104 A
Ответ
I = 0,3104 A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 0,2943 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·500·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω
Параллельное соединение
Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Zp на действительную и мнимую части.
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Q = 45,6 kvar
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Угол
φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169
Реактивная мощность
Q = P·tan φ = 39·1,169 = 45,6 kvar
Ответ
Q = 45,6 kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: ΔP = 93,58 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 = 90·tan(arccos 0,75) = 79,37 kvar
Наибольшая суммарная активная мощность
При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 79,37²) = 183,6 kW
Дополнительная активная мощность
ΔP = 183,6 − 90 = 93,58 kW
Ответ
ΔP = 93,58 kW
17.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 11,36 kW
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Фазное напряжение
Vph = 400/√3 = 230,9 V
Фазный ток
|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 230,9/13 = 17,76 A
Полная активная мощность
Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.
P = 3·Iph²·R = 3·17,76²·12 = 11,36 kW
Ответ
P = 11,36 kW
Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,9231, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.
18.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 107,2 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 = 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
Ответ
QC = 107,2 kvar
19.Трансформаторы
Ответ: I1 = 2,875 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.
Вторичные напряжение и ток
V2 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/8 = 28,75 A
Первичный ток
Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/10 = 2,875 A
Ответ
I1 = 2,875 A
Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 800 Ω, и 2300/800 даёт тот же ток.
20.Трансформаторы
Ответ: Sη,max = 17,68 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
x²·150 = 75 → x = √(75/150) = 0,7071
Нагрузка при максимальном КПД
Sη,max = x·S = 0,7071·25 = 17,68 kVA
Ответ
Sη,max = 17,68 kVA
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 2,68 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₊ = 0,8 V
I = V₋/R1 = 0,8/2 = 0,4 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,8 + 0,4·4,7 = 2,68 V
Ответ
Vout = 2,68 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −8,511 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 10 kΩ · 0,47 µF = 4,7 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −2/4,7 = −0,4255 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2·20/4,7 = −8,511 V
Ответ
Vout = −8,511 V
23.Диоды и транзисторы
Ответ: VCE = 13,28 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.
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 базы
IB = (3,3 − 0,7)/3,3 kΩ = 787,9 µA
Насыщение или активный режим?
β·IB больше IC(sat), поэтому транзистор насыщается.
β·IB = 118,2 mA
IC(sat) = (9 − 0,2)/220 = 40 mA
Ток коллектора
IC = IC(sat) = 40 mA
Ответ
IC = 40 mA
Транзистор насыщен.
25.Системы счисления
Ответ: N = −117
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 + 8 + 2 + 1 = −117
Ответ
N = −117
26.Системы счисления
Ответ: R = 16
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.
Бит за битом
AND даёт 1 только там, где оба бита равны 1.
0111 0111
AND 1001 1000
= 0001 0000
Значение результата
0001 0000₂ = 16
Ответ
R = 16
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.
BCD′
A′B′C
ABC′
Минимальная форма SOP
F = BCD′ + A′B′C + ABC′
L = 9
Ответ
L = 9
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: Q = 3
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.
Полные циклы
Каждые 16 импульсов возвращают счётчик в то же состояние.
48 = 3·16 + 0
Значение после оставшихся импульсов
Q = (3 + 0) mod 16 = 3
Q = 0011₂
Ответ
Q = 3
29.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.25) = 1,971
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 + 4s + 4 = (s + 2)²
Простые дроби
4s + 5 = 4(s + 2) + −3
F(s) = 4/(s + 2) − 3/(s + 2)²
Обратное преобразование
f(t) = 4·e−2t − 3·t·e−2t
f(0,25) = (4 − 3·0,25)·e−2·0,25 = 1,971
Ответ
f(0,25) = 1,971
30.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = 1,156
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 − 1s − 2 + 5(sY − 1) + 6Y = 0
Y(s) = (s + 7)/((s + 2)(s + 3))
Простые дроби
A = 5/1 = 5
B = 4/(−1) = −4
Результат
y(t) = 5·e−2t − 4·e−3t
y(0,2) = 1,156
Ответ
y(0,2) = 1,156
Проверка: y(0) = A + B = 1.
31.Структурные схемы
Ответ: K = 4
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.
16² = 4(60 + K) → K = 256/4 − 60 = 4
Ответ
K = 4
Тогда оба полюса замкнутой системы находятся в s = −8.
32.Структурные схемы
Ответ: css = 0,1667
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Передаточные функции
C/D = G/(1 + K·G) = 1/(s + 7 + 5)
Установившийся режим
css = 2·1/12 = 0,1667
Ответ
css = 0,1667
Больший K ослабляет влияние возмущения, но с пропорциональным регулятором никогда не обращает его в нуль.
33.Переходная характеристика
Ответ: σ = −3
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 = 43 → ωₙ = 6,557 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,557) = 0,4575
Результат
σ = −ζωₙ = −6/2 = −3
Ответ
σ = −3
34.Переходная характеристика
Ответ: ts = 1 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).
Для этого контура ζωₙ = a/2 при любом K: увеличение K усиливает перерегулирование, но не сокращает время установления.
35.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: f0 = 503,3 Hz
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.
Резонансная частота
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503,3 Hz
Ответ
f0 = 503,3 Hz
36.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: K = 39,36
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 + 13s² + 40s − 5 = 0
Таблица Рауса
s³: 1, 40
s²: 13, −5
s¹: 40,38
s⁰: −5
Смены знака в первом столбце
1 → 13 → 40,38 → −5
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: ω = 4,123 rad/s
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.
Критический коэффициент усиления
s³ + 8s² + 17s + 10 + K = 0
s¹: (8·17 − 10 − K)/8 = 0 → K = 126
Частота пересечения
8s² + 10 + 126 = 8s² + 136 = 0 → s² = −17
ω = √17 = 4,123 rad/s
Ответ
ω = 4,123 rad/s
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 0,5
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 = 2·4/4 = 2
Ошибка по параболическому воздействию
ess = 1/2 = 0,5
Ответ
ess = 0,5
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 14,06
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 + 6) + 4K = s² + 6s + 4K
Собственная частота
2·0,4·ωₙ = 6 → ωₙ = 7,5 rad/s
Коэффициент усиления
4K = ωₙ² = 56,25 → K = 14,06
Ответ
K = 14,06
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.