Подготовка к экзамену FE Electrical and Computer: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (40) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов
Req = R1 + R2 + …
Параллельное соединение резисторов
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два параллельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Мощность
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
  2. Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. После каждого шага перерисовывайте схему.
  4. Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Метод узловых потенциалов

Закон токов Кирхгофа
ΣIin = ΣIout
Ток ветви
I = (Va − Vb)/R
Опорный узел
Vground = 0

Метод

  1. Выберите опорный узел (землю) и обозначьте потенциалы остальных узлов.
  2. Запишите первый закон Кирхгофа для каждого неизвестного узла: сумма токов, вытекающих по ветвям, равна сумме втекающих.
  3. Выразите ток каждой ветви как (Va − Vb)/R.
  4. Решите систему уравнений, затем найдите нужные токи.

Метод контурных токов

Закон напряжений Кирхгофа
ΣV = 0 в каждом контуре
Общий резистор
ток = I1 − I2
Источник тока в контуре
задаёт ток этого контура

Метод

  1. Нарисуйте в каждом контуре (ячейке) схемы контурный ток по часовой стрелке.
  2. Примените второй закон Кирхгофа к каждому контуру: сумма падений напряжения равна нулю.
  3. В резисторе, общем для двух контуров, ток равен разности двух контурных токов.
  4. Решите уравнения; отрицательный результат означает, что ток течёт в обратную сторону.

Метод наложения

Метод наложения
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Отключённый источник напряжения
короткое замыкание (0 V)
Отключённый источник тока
разрыв (0 A)
Делитель напряжения
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Делитель тока
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Метод

  1. Посчитайте независимые источники. Для каждого источника вы решите одну более простую схему.
  2. Оставьте один источник, а остальные отключите: источник напряжения заменяется коротким замыканием (проводом), источник тока — разрывом цепи.
  3. Найдите в упрощённой схеме нужное напряжение или ток, следя за направлением.
  4. Повторите для каждого источника, затем сложите вклады с учётом знаков.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
  2. Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
  3. Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
  4. Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
  5. Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
  2. Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
  3. Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
  4. Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Полные сопротивления
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Угловая частота
ω = 2πf
Модуль и угол
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексной форме
V = I·Z

Метод

  1. Переведите частоту: ω = 2πf.
  2. Найдите каждое реактивное сопротивление: XL = ωL и XC = 1/(ωC).
  3. Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
  4. Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Активная мощность
P = V·I·cos φ
Реактивная мощность
Q = V·I·sin φ
Полная мощность
S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности
pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трёхфазная мощность

Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/η

Трансформаторы

Коэффициент трансформации
a = N1/N2 = V1/V2
Отношение токов
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Номинальный ток
I = S/V
Приведённое сопротивление
Z1′ = a²·ZL
Потери в меди при неполной нагрузке
Pcu = x²·Pcu,fl
КПД
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Максимальный КПД
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неинвертирующий усилитель
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Суммирующий усилитель
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Идеальный ОУ
V+ = V−, Iin = 0

Диоды и транзисторы

Диод (постоянное падение напряжения)
VD = 0,7 V when conducting
Активный режим
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Фиксированное смещение
IB = (VCC − 0,7)/RB
Смещение делителем напряжения
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Контур коллектора
VCE = VCC − ICRC − IERE
Насыщение
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Системы счисления

Веса разрядов
двоичная 2k, восьмеричная 8k, шестнадцатеричная 16k
В десятичную
Σ dk·bk
Из десятичной
делите на основание, остатки читайте снизу вверх
Шестнадцатеричная ↔ двоичная
одна шестнадцатеричная цифра = 4 бита
Дополнительный код
инвертируйте биты и прибавьте 1

Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Основные вентили
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевой алгебры
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Законы де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карте Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Группа из 2ᵏ клеток
теряет k переменных
Мультиплексор 4 в 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Триггеры
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Счётчики
n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний

Метод

  1. Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
  2. Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
  3. Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
  4. Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.

Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
таблица Рауса, элемент s¹ кубического полинома
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Корни в правой полуплоскости
число смен знака в первом столбце
Кубический полином s³ + a₂s² + a₁s + a₀
устойчив, когда все a > 0 и a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Характеристическое уравнение
1 + K·G(s) = 0
Асимптоты
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Точки отрыва и входа
dK/ds = 0
Условие по модулю
K = 1/|G(s)|
Угол выхода
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Метод

  1. Запишите характеристический полином замкнутой системы: знаменатель уравнения 1 + K·G(s) = 0 после раскрытия скобок.
  2. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
  3. Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
  4. Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.

Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
  2. Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
  3. Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
  4. Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Тренировочные задачи

1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​6 ΩB

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩIR2​AR4​5 ΩBR6​12 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​20 Ω−+V1​6 VI1​R2​5 Ω+−V2​9 VR3​10 Ω+−V3​6 VA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩV2 = 9 VR2 = 5 ΩV3 = 6 VR3 = 10 Ω
I1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩAR5​10 ΩBIs​0,5 A+−V2​6 V

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

V1 = 15 VIs = 0,5 AV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 ΩR5 = 10 Ω
IR2 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 12 VV2 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​12 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 Ω
I1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​10 Ω+−VR4​BIs​5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR4 на R4 с указанной полярностью.

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 Ω
VR4 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 Ω+−VR2​R4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩAIs​1,5 AB+−V2​24 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 6 VIs = 1,5 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
VR2 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩARL​2 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 2 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAIs​1 ABRL​6 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩRL = 6 Ω
IL = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​12 Vt = 0R = 15 ΩL220 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 25 ms, в mJ.

Vs = 12 VR = 15 ΩL = 220 mHt = 25 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 VR1​ = 47 ΩR2​ = 15 Ωразмыкается при t = 0L33 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был замкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ размыкается. Найдите ток катушки i при t = 1 ms.

Vs = 24 VR1 = 47 ΩR2 = 15 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
12 V60 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 100 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 100 µF
P = W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
VfR = 10 ΩL = 20 mHC = 0,47 µF

Последовательный RLC-контур имеет R = 10 Ω, L = 20 mH и C = 0,47 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.

R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,47 µF
Q =
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
120 VR + jXP = 1728 W18 A

Индуктивная нагрузка потребляет 18 A и 1728 W от однофазной сети 120 V (действующее значение). Представьте её как сопротивление R, соединённое последовательно с реактивным сопротивлением X. Найдите R.

V = 120 VI = 18 AP = 1728 W
R = Ω
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
400 V50 Hzнагрузка14 kW, 0,75C100 µFI

Однофазная нагрузка потребляет 14 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 400 V, 50 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 100 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

P = 14 kWpf1 = 0,75V = 400 Vf = 50 HzC = 100 µF
cos φ =
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0,84

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 75 kW. При этой нагрузке его КПД равен 93%, а коэффициент мощности 0,84 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,84VL = 400 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 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 = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
4 ΩN1​N2​400 Ω

Усилитель с выходным сопротивлением 400 Ω питает громкоговоритель 4 Ω через идеальный трансформатор. Для передачи максимальной мощности громкоговоритель должен выглядеть со стороны усилителя как 400 Ω. Найдите коэффициент трансформации a = N₁/N₂.

Rs = 400 ΩRL = 4 Ω
a =
20.ТрансформаторыСложная
pf 0,8250 kVA, 25% нагрузка

Однофазный трансформатор 250 kVA имеет потери в стали 750 W и потери в меди 3000 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 25% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 3000 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 2.

R1 = 22 kΩAv = 2
Rf = kΩ
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 1 kΩRf1​ = 2 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 100 kΩRf2​ = 2 kΩ

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 = −0,65 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 1 kΩRf1 = 2 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 2 kΩVin = −0,65 V
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 1 kΩβ = 200IC​ = ?RE​ = 470 ΩVCC​ = 20 VR1​ = 82 kΩR2​ = 15 kΩ

NPN-транзистор с β = 200 смещён делителем напряжения от VCC = 20 V: R₁ = 82 kΩ от VCC к базе и R₂ = 15 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 1 kΩ, резистор эмиттера RE = 470 Ω. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите ток коллектора IC в mA.

VCC = 20 VR1 = 82 kΩR2 = 15 kΩRC = 1 kΩRE = 470 Ωβ = 200
IC = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
RC​ = 470 Ωβ = 50VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

NPN-транзистор с β = 50 коммутирует нагрузочный резистор 470 Ω, включённый между VCC = 24 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 3 раз больше минимального, нужного для насыщения. Найдите RB в kΩ.

VCC = 24 VRC = 470 Ωβ = 50Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vкоэффициент запаса = 3
RB = kΩ
25.Системы счисленияСредняя
веса разрядов в дополнительном коде0−12806403211608140201

8-битная комбинация 0001 0100 хранит целое число со знаком в дополнительном коде. Каково его значение N в десятичной системе?

0001 01008 bit
N =
26.Системы счисленияСложная
нажимайте на биты, чтобы установить их012806403201608040201

Установите биты в 8-битный результат операции 1100 1011 OR 1001 1001. Чему равно значение результата R в десятичной системе?

1100 1011OR1001 1001
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD000111100001111000011312041517161120131150141809111010

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 5, 6, 7, 8, 11, 12, 15). Сколько членов-произведений, N, в ней?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 5, 6, 7, 8, 11, 12, 15)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKUP

4-разрядный двоичный суммирующий счётчик начинает с 6 (в десятичном виде, Q = 0110). Какое значение Q (в десятичном виде) он покажет после 35 тактовых импульсов?

Q0 = 635n = 4
Q =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Найдите f(t) для F(s) = (5s + 34)/(s² + 8s + 16) и вычислите f(0,4).

F(s) = (5s + 34)/(s² + 8s + 16)t = 0,4 s
f(0.4) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 11y′ + 30y = 75·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 1 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 75·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+11K+2s + 1G(s)C(s)5H₁−−

Объект G(s) = 2/(s + 1) охвачен внутренним (малым) контуром отрицательной обратной связи с коэффициентом H₁ = 5. Коэффициент регулятора K = 11, и система замыкается внешним контуром единичной отрицательной обратной связи. Найдите статический коэффициент передачи замкнутой системы T(0).

G(s) = 2/(s + 1)H₁ = 5K = 11
T(0) =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+K(s + 2)(s + 4)(s + 7)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 7)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. С помощью критерия Рауса–Гурвица найдите наибольший коэффициент Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 7))единичная отрицательная обратная связь
Kmax =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1

Система имеет передаточную функцию G(s) = 67/(s² + 8s + 67) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.

G(s) = 67/(s² + 8s + 67)
σ =
34.Переходная характеристикаСложная
R(s)+135s(s + 8)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 135/(s(s + 8)). Найдите время установления ts переходной характеристики замкнутой системы по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 135/(s(s + 8))
ts = s
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 15

Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 96/((s + 1)(s + 12)) при ω = 15 rad/s в dB.

G(s) = 96/((s + 1)(s + 12))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 20 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))GM = 20 dB
K =
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+Ks + 6s(s + 1)(s + 3)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 3)), K > 0. Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 3))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−2−4−6j2j4

Эскиз корневого годографа для L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 5)). Найдите частоту ω, на которой годограф пересекает мнимую ось.

L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 0,5·t²/2+2(s + 3)s²(s + 10)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 2(s + 3)/(s²(s + 10)) подан параболический вход r(t) = 0,5·t²/2. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 2(s + 3)/(s²(s + 10))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 1610s(s + 10)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 16 управляет объектом G(s) = 10/(s(s + 10)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 10/(s(s + 10))K = 16
ts = s

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,5367 A

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​6 ΩB

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R3 + R4 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω
Req = R1 + 2,357 = 20 + 2,357 = 22,36 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/22,36 = 0,5367 A

Ответ

IR1 = 0,5367 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,4202 A

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

R1​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​5 ΩBR6​12 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R5 + R6 = 15 + 12 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 4,219 Ω
R3 + 4,219 = 29,22 Ω
R2 ∥ 29,22 = 13,47 Ω
Req = R1 + 13,47 = 25 + 13,47 = 38,47 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 30/38,47 = 0,7798 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 0,7798·25 = 10,51 V
IR2 = VA/R2 = 10,51/25 = 0,4202 A

Ответ

IR2 = 0,4202 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I1 = −0,6 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

Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.

(VA − (−6))/20 + (VA − 9)/5 + (VA − 6)/10 = 0

Находим VA

VA = ((−6)/20 + 9/5 + 6/10) / (1/20 + 1/5 + 1/10) = 2,1/0,35 = 6 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I1 = ((−6) − VA)/R1 = ((−6) − 6)/20 = −0,6 A

Ответ

I1 = −0,6 A

Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR2 = 0,2871 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.

R1​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​3 ΩAR5​10 ΩBIs​0,5 A+−V2​6 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 15 V, V2 = 6 V). Неизвестные: VA, VB.

ЗТК в узле A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/3 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0,6333·VA − 0,05·VB = 3,75

ЗТК в узле B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/10 + (VB − VA)/20 + (VB − 6)/25 = (−0,5)
−0,05·VA + 0,19·VB = −0,26

Решите

Δ = (0,6333)(0,19) − (−0,05)(−0,05) = 0,1178
VA = Δ1/Δ = 0,6995/0,1178 = 5,936 V
VB = Δ2/Δ = 0,02283/0,1178 = 0,1938 V

Ответ

IR2 = (VA − VB)/R2 = (5,936 − 0,1938)/20 = 0,2871 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,8478 A

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

R1​ = 10 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Задайте контурные токи

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

ЗНК для контура 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 2(I1 − I2) = 12
12·I1 − 2·I2 = 12

ЗНК для контура 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 8·I2 = −9

Решите

Δ = (12)(8) − (−2)(−2) = 92
I1 = Δ1/Δ = 78/92 = 0,8478 A
I2 = Δ2/Δ = −84/92 = −0,913 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,8478 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 0,9322 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR4​12 ΩAR5​15 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 12(I1 − I2) = 18
20·I1 − 12·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
25·I2 + 12(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 52·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
5·I3 + 15(I3 − I2) = (−12)
−15·I2 + 20·I3 = −12

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 13420
I1 = Δ1/Δ = 12510/13420 = 0,9322 A
I2 = Δ2/Δ = 720/13420 = 0,05365 A
I3 = Δ3/Δ = −7512/13420 = −0,5598 A

Ответ

I1 = 0,9322 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR4 = 33,65 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.

R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBОБРЫВ

Случай 1 · действует только V1

Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.

R3+R4 = 6+10 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
VA = 15·8,889/(20+8,889) = 4,615 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,615·10/16 = 2,885 V
VR4′ = VB − 0 = 2,885 − 0 = 2,885 V
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​5 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 16 = 6,154 Ω
VB = Is·Req = 5·6,154 = 30,77 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 30,77·10/16 = 19,23 V
VR4″ = VB − 0 = 30,77 − 0 = 30,77 V

Сложите составляющие

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 2,885 + 30,77 = 33,65 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

8.Метод наложения

Ответ: VR2 = −8,069 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.

R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩAОБРЫВBКЗ

Случай 1 · действует только V1

V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 9 = 3,214 Ω
VA = 6·3,214/(3+3,214) = 3,103 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,103·6/9 = 2,069 V
VR2′ = VA − VB = 3,103 − 2,069 = 1,034 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​5 ΩAIs​1,5 ABКЗ

Случай 2 · действует только Is

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

R1 ∥ R3 = 1,875 Ω, поэтому левый путь — R2+1,875 = 4,875 Ω
Req = R4 ∥ 4,875 = 2,69 Ω
VB = Is·Req = 1,5·2,69 = 4,034 V
VA = VB·1,875/4,875 = 1,552 V
VR2″ = VA − VB = 1,552 − 4,034 = −2,483 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 6 ΩКЗR3​5 ΩAОБРЫВB+−V2​24 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·4,875/10,88 = 10,76 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 10,76·1,875/4,875 = 4,138 V
VR2‴ = VA − VB = 4,138 − 10,76 = −6,621 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 1,034 + (−2,483) + (−6,621) = −8,069 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,1705 A

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​5 ΩAabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 10 = 13,53 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAab+−Vth​

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) = 9·5/(12+5) = 2,647 V
Rth​ = 13,53 Ω+−Vth​2,647 VRL​2 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

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

IL = Vth/(Rth + RL) = 2,647/(13,53 + 2) = 0,1705 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,8705 A

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 15 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​5 ΩAОБРЫВBabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 25 = 28,75 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAIs​1 ABab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1,5 + 1·3,75 = 5,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,25 + 1·25 = 30,25 V
Rth​ = 28,75 Ω+−Vth​30,25 VRL​6 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

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

IL = Vth/(Rth + RL) = 30,25/(28,75 + 6) = 0,8705 A
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 47,12 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 = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms
i(∞) = Vs/R = 12/15 = 0,8 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,8·(1 − e−25/14,67) = 0,6545 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·220·0,6545² = 47,12 mJ

Ответ

W = 47,12 mJ
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,406 A

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

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.

i(0) = 24/47 = 0,5106 A
i(∞) = 24/(47 + 15) = 0,3871 A
τ = L/R = 33/62 = 0,5323 ms
i(t) = 0,3871 + (0,5106 − 0,3871)·e−t/τ

Ток в заданный момент

i(1) = 0,3871 + (0,1235)·e−1/0,5323 = 0,406 A

Ответ

i = 0,406 A
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: P = 1,473 W

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

Реактивные сопротивления

XL = 75,4 Ω, XC = 26,53 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(50² + (48,87)²) = 69,92 Ω

Активная мощность

Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.

I = 12/69,92 = 0,1716 A
P = I²·R = 0,1716²·50 = 1,473 W

Ответ

P = 1,473 W
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: Q = 20,63

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|.

Резонансная частота

f0 = 1/(2π·√(0,02·0,47·10⁻⁶)) = 1642 Hz

Добротность

Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,02/(0,47·10⁻⁶)) = 20,63

Ответ

Q = 20,63
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: R = 5,333 Ω

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

Сопротивление по активной мощности

R = P/I² = 1728/18² = 5,333 Ω

Ответ

R = 5,333 Ω
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,8862

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 = 14·tan(arccos 0,75) = 12,35 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·100·10⁻⁶ = 5027 var = 5,027 kvar
Q2 = 12,35 − 5,027 = 7,32 kvar

Новая полная мощность

S2 = √(14² + 7,32²) = 15,8 kVA

Новый коэффициент мощности

cos φ = P/S2 = 14/15,8 = 0,8862

Ответ

cos φ = 0,8862
17.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 138,6 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 = 75/0,93 = 80,65 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·400·0,84) = 138,6 A

Ответ

IL = 138,6 A
18.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 144,9 kvar

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

Реактивная мощность до и после

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

Q1 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 144,9 kvar

Ответ

QC = 144,9 kvar
19.Трансформаторы

Ответ: a = 10

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.

Согласуйте приведённую нагрузку

a²·4 = 400
a = √(400/4) = √100 = 10

Ответ

a = 10
20.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 937,5 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 = 0,0625·3000 = 187,5 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 750 + 187,5 = 937,5 W

Ответ

Ploss = 937,5 W

КПД при этой нагрузке η = 98,16%.

21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 22 kΩ

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 неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (2 − 1)·22 = 22 kΩ

Ответ

Rf = 22 kΩ
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 1,326 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 = −2/1 = −2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/100 = 1,02

Каскад за каскадом

V1 = −2·(−0,65) = 1,3 V
Vout = 1,02·1,3 = 1,326 V

Ответ

Vout = 1,326 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: IC = 4,466 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.

Эквивалент Тевенена для делителя

VTH = 20·15/(82 + 15) = 3,093 V
RTH = 82·15/(82 + 15) = 12,68 kΩ

Ток базы

Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.

IB = (3,093 − 0,7)/(12,68 + 201·0,47) = 22,33 µA

Ток коллектора

IC = 200·22,33 µA = 4,466 mA
IE = 201·22,33 µA = 4,489 mA

Ответ

IC = 4,466 mA
24.Диоды и транзисторы

Ответ: RB = 0,8557 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) = (24 − 0,2)/470 = 50,64 mA

Минимальный ток базы

IB(min) = IC(sat)/β = 50,64/50 = 1013 µA

Расчётный ток базы

IB = 3·1013 µA = 3038 µA

Резистор базы

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/3,038 mA = 0,8557 kΩ

Ответ

RB = 0,8557 kΩ
25.Системы счисления

Ответ: N = 20

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.

16 + 4 = 20

Ответ

N = 20
26.Системы счисления

Ответ: R = 219

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

OR даёт 1 там, где хотя бы один бит равен 1.

1100 1011
OR 1001 1001
= 1101 1011

Значение результата

1101 1011₂ = 219

Ответ

R = 219
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.

ABCD000111100001111000011312041517161120131150141809111010

Сгруппируйте единицы

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

CD
A′C
AC′D′
A′BD

Минимальная форма SOP

F = CD + A′C + AC′D′ + A′BD
N = 4

Ответ

N = 4
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: Q = 9

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.

35 = 2·16 + 3

Значение после оставшихся импульсов

Q = (6 + 3) mod 16 = 9
Q = 1001₂

Ответ

Q = 9
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.4) = 2,14

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 + 16 = (s + 4)²

Простые дроби

5s + 34 = 5(s + 4) + 14
F(s) = 5/(s + 4) + 14/(s + 4)²

Обратное преобразование

f(t) = 5·e−4t + 14·t·e−4t
f(0,4) = (5 + 14·0,4)·e−4·0,4 = 2,14

Ответ

f(0,4) = 2,14
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.1) = 0,2622

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

Преобразование уравнения

Y(s) = 75/(s(s + 5)(s + 6))

Простые дроби

A = 75/(5·6) = 2,5
B = 75/((−5)·1) = −15
C = 75/((−6)·(−1)) = 12,5

Выделение

y(t) = 2,5 − 15·e−5t + 12,5·e−6t
y(0,1) = 0,2622

Ответ

y(0,1) = 0,2622
31.Структурные схемы

Ответ: T(0) = 0,6667

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).

Внутренний контур

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 2/(s + 1 + 2·5) = 2/(s + 11)

Внешний контур

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 22/(s + 11 + 22) = 22/(s + 33)

Результат

T(0) = 22/33 = 0,6667

Ответ

T(0) = 0,6667
32.Структурные схемы

Ответ: Kmax = 594

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 + 13s² + 50s + 56 + K = 0

Таблица Рауса

s³ | 1 50
s² | 13 56 + K
s¹ | (13·50 − 56 − K)/13
s⁰ | 56 + K

Граница устойчивости

Все элементы первого столбца должны быть положительными.

Kmax = 13·50 − 56 = 594

Ответ

Kmax = 594
33.Переходная характеристика

Ответ: σ = −4

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 = 67 → ωₙ = 8,185 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,185) = 0,4887

Результат

σ = −ζωₙ = −8/2 = −4

Ответ

σ = −4
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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = 135/(s² + 8s + 135): ωₙ = 11,62 rad/s, ζ = 0,3443

Время установления

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

Ответ

ts = 1 s

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

35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |G(jω)| = −9,566 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.

Перемножьте модули

|G(j15)| = 96/(√(15² + 1²)·√(15² + 12²)) = 96/(15,03·19,21) = 0,3324

Результат

20·log₁₀(0,3324) = −9,566 dB

Ответ

|G(jω)| = −9,566 dB
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: K = 3

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/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 25)) = K/(1·5·(1 + 5)) = K/30

Требуемое усиление

30/K = 1020/20 = 10
K = 30/10 = 3

Ответ

K = 3
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 6

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

s(s + 1)(s + 3) + K(s + 6) = s³ + 4s² + (3 + K)s + 6K

Таблица Рауса

s³: 1, 3 + K
s²: 4, 6K
s¹: (4·(3 + K) − 6K)/4
s⁰: 6K

Условие

12 − 2K > 0
K < 12/2 = 6

Ответ

Kmax = 6

Если бы нуль лежал правее s = −4, контур оставался бы устойчивым при любом K > 0.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: ω = 5,385 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 + 10s² + 29s + 20 + K = 0
s¹: (10·29 − 20 − K)/10 = 0 → K = 270

Частота пересечения

10s² + 20 + 270 = 10s² + 290 = 0 → s² = −29
ω = √29 = 5,385 rad/s

Ответ

ω = 5,385 rad/s
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,8333

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 = 2·3/10 = 0,6

Ошибка по параболическому воздействию

ess = 0,5/0,6 = 0,8333

Ответ

ess = 0,8333
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ts = 0,8 s

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

Характеристический полином

s(s + 10) + 16·10 = s² + 10s + 160

ωₙ и ζ

ωₙ = √160 = 12,65 rad/s
ζ = 10/(2·12,65) = 0,3953

Время установления

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Ответ

ts = 0,8 s

Время установления здесь не зависит от K: увеличение K лишь делает отклик более колебательным.

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

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