Подготовка к экзамену FE Electrical and Computer: шпаргалка-пакет

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

Новые задачиНазад к курсу

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

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

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

Метод

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

Метод узловых потенциалов

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

Метод

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

Метод контурных токов

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

Метод

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

Метод наложения

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

Метод

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

Тевенин и Нортон

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

Метод

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

Переходные процессы RC и RL

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

Метод

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

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

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

Метод

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

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

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

Трёхфазная мощность

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

Трансформаторы

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

Схемы на операционных усилителях

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

Диоды и транзисторы

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

Системы счисления

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

Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

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

Метод

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

Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

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

Метод

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

Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

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

Метод

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

2Тренировочные задачи

1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​8 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩIR2​AR4​2 ΩBR6​15 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 ΩR5 = 10 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 A

Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​6 ΩIR4​B0,1·VA​

Ромб — это источник тока, управляемый напряжением, который направляет ток 0,1·VA (в A при VA в V) вверх в узел B. Методом узловых потенциалов найдите ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 Ωg = 0,1 A/V
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​4 ΩAR5​15 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I3 (по часовой стрелке).

V1 = 18 VV2 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 Ω
I3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩIR2​AR4​10 ΩBIs​5 A

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

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​5 VR3​15 ΩAIs​5 AB+−V2​10 V

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.

V1 = 5 VIs = 5 AV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩARL​20 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩRL = 20 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAIs​0,5 ABab

Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.

V1 = 18 VIs = 0,5 AR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​12 Vt = 0R = 22 ΩL100 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.

Vs = 12 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 10 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 9 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 8,1 V, ровно через 20 ms после старта. При R = 22 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 9 VVth = 8,1 VT = 20 msR = 22 kΩ
C = µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
12 V200 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 1 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 1 µF
I = A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
230 V500 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 47 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 47 µF
I = A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
P = 21 kWQSφ

Однофазный двигатель потребляет 21 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите ток линии I.

P = 21 kWpf = 0,75V = 230 V
I = A
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 20 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 400 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,95. Найдите необходимую ёмкость C.

P = 20 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M75 kW, η = 94%cos φ = 0,82

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 75 kW. При этой нагрузке его КПД равен 94%, а коэффициент мощности 0,82 (отстающий). Линейное напряжение сети 400 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 75 kWη = 94%cos φ = 0,82VL = 400 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 60 kW при коэффициенте мощности 0,7 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
RL​ = 40 Ω41960 VV2​I1​ = ?I2​

К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 4:1 приложено 960 V. К вторичной обмотке подключён резистор 40 Ω. Найдите первичный ток I1.

N1:N2 = 4:1V1 = 960 VRL = 40 Ω
I1 = A
20.ТрансформаторыСложная
100 kVA

Однофазный трансформатор 100 kVA имеет потери в стали 300 W и потери в меди 450 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?

S = 100 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 450 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

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

R1 = 1 kΩAv = 2
Rf = kΩ
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 2 kΩRf1​ = 22 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 2 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. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.

R1 = 2 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 2 kΩ
Av =
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 4,7 kΩβ = 50IC​ = ?VCC​ = 9 VRB​ = 390 kΩ

NPN-транзистор с β = 50 смещён резистором базы RB = 390 kΩ от источника питания VCC = 9 V. Резистор коллектора RC = 4,7 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите ток коллектора IC в mA.

VCC = 9 VRB = 390 kΩRC = 4,7 kΩβ = 50VBE = 0,7 V
IC = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
+−≥ 24 VR = ?9,1 V≤ 30 mA

Стабилизатор на стабилитроне 9,1 V должен питать нагрузку током до 30 mA. Входное напряжение может падать до 24 V, а стабилитрону для стабилизации нужно не менее 2 mA. Найдите наибольшее последовательное сопротивление Rmax, при котором стабилизация сохраняется.

Vin,min = 24 VVZ = 9,1 VIL,max = 30 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код?−128?64?32?16?8?4?2?1

Запишите −77 как 8-битную комбинацию в дополнительном коде. Прочитайте комбинацию как беззнаковое двоичное число: каково его значение U в десятичной системе?

N = −778 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
нажимайте на биты, чтобы установить их012806403201608040201

Установите биты в 8-битный результат операции 1100 0011 XOR 1100 1110. Чему равно значение результата R в десятичной системе?

1100 0011XOR1100 1110
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD000111100001111000110312141517061120130151140809011110

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 5, 7, 10, 12, 14). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 5, 7, 10, 12, 14)
L =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
ABCD0001111000011110X00103X204050706012113X1511418X9111010

Найдите минимальную форму SOP для F(A, B, C, D) = Σm(8, 11, 13, 14) + d(0, 2, 9, 15), где d обозначает безразличные состояния. Сколько литералов, L, она содержит?

F(A, B, C, D) = Σm(8, 11, 13, 14) + d(0, 2, 9, 15)
L =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 40/(s(s + 5)(s + 6)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,3).

F(s) = 40/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
ReIm−1−2−312

Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 6y′ + 13y = 3u′ + 5u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 0,1 s. Найдите g(0,1).

y″ + 6y′ + 13y = 3u′ + 5ut = 0,1 s
g(0.1) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/(s(s + 5)) 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(s + 5))единичная отрицательная обратная связь
K =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+4s + 3G₁+7s + 3G₂C(s)2H₁−0,2H₂−

Упростите структурную схему, где G₁ = 4/(s + 3), G₂ = 7/(s + 3), внутренняя отрицательная обратная связь H₁ = 2 охватывает G₂, а внешняя отрицательная обратная связь H₂ = 0,2. Найдите статический коэффициент передачи T(0) C(s)/R(s).

G₁ = 4/(s + 3)G₂ = 7/(s + 3)H₁ = 2H₂ = 0,2
T(0) =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)2

Система имеет передаточную функцию G(s) = 188/(s² + 5s + 94) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.

G(s) = 188/(s² + 5s + 94)
σ =
34.Переходная характеристикаСложная
k = 1000 N/mc = 4 N·s/mm = 0,5 kgF = 5 Nx(t)

Масса m = 0,5 kg подвешена на пружине k = 1000 N/m с вязким демпфером c = 4 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 5 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

m = 0,5 kgk = 1000 N/mc = 4 N·s/mF = 5 N
ζ =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 470 ΩL = 2,2 mHvout​

Изображённый RL-фильтр верхних частот имеет R = 470 Ω, L = 2,2 mH. На вход подаётся синусоидальный сигнал 6,8 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 470 ΩL = 2,2 mHf = 6,8 kHz
φ = °
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 8 dB.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))GM = 8 dB
K =
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+2801s(s + 2)(s + 5)C(s)−

Контур на схеме имеет отрицательную обратную связь, L(s) = 280/(s(s + 2)(s + 5)). Сколько полюсов N замкнутой системы лежит в правой полуплоскости?

L(s) = 280/(s(s + 2)(s + 5))
N =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−2−4−6j2j4

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
r(t) = 1t+Ks(s + 5)C(s)−

Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 5)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 1t с установившейся ошибкой 0,02. Найдите коэффициент усиления K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 1tess = 0,02
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
r(t) = 2t+1 + 5/s2(s + 4)(s + 10)C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = 1 + 5/s управляет объектом G(s) = 2/((s + 4)(s + 10)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess для линейного входа r(t) = 2t.

C(s) = 1 + 5/sG(s) = 2/((s + 4)(s + 10))r(t) = 2t
ess =

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 6,8 Ω

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​8 ΩB

Объединяйте резисторы с дальнего конца

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

R3 + R4 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 2·18/(2+18) = 1,8 Ω
Req = R1 + 1,8 = 5 + 1,8 = 6,8 Ω

Ответ

Req = 6,8 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,7868 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​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBR6​15 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 1,852 Ω
R3 + 1,852 = 4,852 Ω
R2 ∥ 4,852 = 2,683 Ω
Req = R1 + 2,683 = 3 + 2,683 = 5,683 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 10/5,683 = 1,76 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,76·3 = 4,721 V
IR2 = VA/R2 = 4,721/6 = 0,7868 A

Ответ

IR2 = 0,7868 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 1,706 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​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 A

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 30 V). Неизвестные: VA, VB.

ЗТК в узле A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/20 = 0
0,2167·VA − 0,05·VB = 3

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/20 = (−1,5)
−0,05·VA + 0,2167·VB = −1,5

Решите

Δ = (0,2167)(0,2167) − (−0,05)(−0,05) = 0,04444
VA = Δ1/Δ = 0,575/0,04444 = 12,94 V
VB = Δ2/Δ = −0,175/0,04444 = −3,937 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 12,94)/10 = 1,706 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = 0,5943 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

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,4833·VA − 0,3333·VB = 0,8

ЗТК в узле B

Зависимый источник направляет ток g·VA в узел B. Рассматривайте его как независимый источник, а затем перенесите член с VA в левую часть.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,1·VA
−0,4333·VA + 0,5·VB = 0

Решите

Δ = (0,4833)(0,5) − (−0,3333)(−0,4333) = 0,09722
VA = Δ1/Δ = 0,4/0,09722 = 4,114 V
VB = Δ2/Δ = 0,3467/0,09722 = 3,566 V

Ток через R₄

IR4 = VB/R4 = 3,566/6 = 0,5943 A

Ответ

IR4 = 0,5943 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I2 = 0,2 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​ = 5 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​20 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

Задайте контурные токи

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

ЗНК для контура 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
5·I1 + 20(I1 − I2) = 18
25·I1 − 20·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 20(I2 − I1) = (−12)
−20·I1 + 28·I2 = −12

Решите

Δ = (25)(28) − (−20)(−20) = 300
I1 = Δ1/Δ = 264/300 = 0,88 A
I2 = Δ2/Δ = 60/300 = 0,2 A

Ответ

I2 = 0,2 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I3 = −1,434 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​ = 25 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​4 ΩAR5​15 ΩB+−V2​15 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
25·I1 + 4(I1 − I2) = 18
29·I1 − 4·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
12·I2 + 4(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 31·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
2·I3 + 15(I3 − I2) = (−15)
−15·I2 + 17·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 8486
I1 = Δ1/Δ = 4536/8486 = 0,5345 A
I2 = Δ2/Δ = −5301/8486 = −0,6247 A
I3 = Δ3/Δ = −12165/8486 = −1,434 A

Ответ

I3 = −1,434 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: IR2 = 2,904 A

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

R1​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​8 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 = 3+10 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·13/(8+13) = 4,952 Ω
VA = 30·4,952/(8+4,952) = 11,47 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 11,47·10/13 = 8,824 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (11,47 − 0)/8 = 1,434 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩКЗR2​8 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 7 = 4,118 Ω
VB = Is·Req = 5·4,118 = 20,59 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 20,59·4/7 = 11,76 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (11,76 − 0)/8 = 1,471 A

Сложите составляющие

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 1,434 + 1,471 = 2,904 A

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

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = −1,118 A

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​5 VR3​15 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) = 15 ∥ 28 = 9,767 Ω
VA = 5·9,767/(10+9,767) = 2,471 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,471·25/28 = 2,206 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 2,206)/25 = −0,08824 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​15 ΩAIs​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 = 6 Ω, поэтому левый путь — R2+6 = 9 Ω
Req = R4 ∥ 9 = 6,618 Ω
VB = Is·Req = 5·6,618 = 33,09 V
VA = VB·6/9 = 22,06 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 33,09)/25 = −1,324 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 ΩКЗR3​15 ΩAОБРЫВB+−V2​10 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·9/34 = 2,647 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 2,647·6/9 = 1,765 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (10 − 2,647)/25 = 0,2941 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,08824) + (−1,324) + 0,2941 = −1,118 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 0,1324 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​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​3 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 = 2·3/(2+3) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 6 = 7,2 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​3 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) = 6·3/(2+3) = 3,6 V
Rth​ = 7,2 Ω+−Vth​3,6 VRL​20 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) = 3,6/(7,2 + 20) = 0,1324 A
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 0,7323 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​ = 10 ΩR3​ = 30 ΩКЗR2​8 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 30 = 34,44 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAIs​0,5 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) = 8 + 0,5·4,444 = 10,22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,22 + 0,5·30 = 25,22 V
IN​0,7323 ARth​34,44 Ωab

Эквивалент Нортона

Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.

IN = Vth/Rth = 25,22/34,44 = 0,7323 A
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 11,76 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 = 100 mH / 22 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 12/22 = 0,5455 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,5455·(1 − e−10/4,545) = 0,485 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·100·0,485² = 11,76 mJ

Ответ

W = 11,76 mJ
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 0,3948 µF

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

Требуемая постоянная времени

8,1 = 9·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(9/(9 − 8,1))
τ = 20/2,303 = 8,686 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 8,686/22 = 0,3948 µF

Ответ

C = 0,3948 µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,0195 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|.

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−607,3)²) = 615,5 Ω

Ток

Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.

I = V/|Z| = 12/615,5 = 0,0195 A

Ответ

I = 0,0195 A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,2945 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|.

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,25 = 785,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (778,6)²) = 780,9 Ω

Ток

Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.

I = V/|Z| = 230/780,9 = 0,2945 A

Ответ

I = 0,2945 A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: I = 121,7 A

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

Ток линии

Работу совершает только активная часть мощности, поэтому разделите на коэффициент мощности.

I = P/(V·cos φ) = 21000/(230·0,75) = 121,7 A

Ответ

I = 121,7 A
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 139,7 µF

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

Реактивная мощность до и после

Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.

Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(36,87°) = 15 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(18,19°) = 6,574 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,426 kvar

Ёмкость

Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 8426/(2π·60·400²) = 139,7 µF

Ответ

C = 139,7 µF
17.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 140,4 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 = 75/0,94 = 79,79 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 79787/(√3·400·0,82) = 140,4 A

Ответ

IL = 140,4 A
18.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 213 µF

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

Реактивная мощность до и после

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

Q1 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13830/(377·415²) = 213 µF

Ответ

Cph = 213 µF
19.Трансформаторы

Ответ: I1 = 1,5 A

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

Вторичные напряжение и ток

V2 = 960/4 = 240 V
I2 = 240/40 = 6 A

Первичный ток

Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/4 = 1,5 A

Ответ

I1 = 1,5 A

Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 640 Ω, и 960/640 даёт тот же ток.

20.Трансформаторы

Ответ: Sη,max = 81,65 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

x²·450 = 300 → x = √(300/450) = 0,8165

Нагрузка при максимальном КПД

Sη,max = x·S = 0,8165·100 = 81,65 kVA

Ответ

Sη,max = 81,65 kVA
21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 1 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)·1 = 1 kΩ

Ответ

Rf = 1 kΩ
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Av = −22

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 = −22/2 = −11
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/2 = 2

Общий коэффициент усиления

Av = A1·A2 = −11·2 = −22

Ответ

Av = −22
23.Диоды и транзисторы

Ответ: IC = 1,064 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.

Ток базы

IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0,7)/390 kΩ = 21,28 µA

Ток коллектора

IC = β·IB = 50·21,28 µA = 1,064 mA

Ответ

IC = 1,064 mA

Проверка: VCE = 3,999 V заметно больше 0,2 V, значит, транзистор действительно в активном режиме.

24.Диоды и транзисторы

Ответ: Rmax = 465,6 Ω

Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.

Ток в худшем случае

IR = 30 + 2 = 32 mA

Наибольшее сопротивление

Rmax = 14,9/0,032 = 465,6 Ω

Ответ

Rmax = 465,6 Ω
25.Системы счисления

Ответ: U = 179

Позиционные системы счисления: каждая цифра стоит своего значения, умноженного на степень основания. В двоичной системе разряды стоят 1, 2, 4, 8, 16, …, в шестнадцатеричной 1, 16, 256, …, а A–F обозначают 10–15. В 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128 вместо +128; так хранятся отрицательные числа.

Инвертируйте и прибавьте единицу

77 = 0100 1101
инвертировано: 1011 0010
+1 → 1011 0011

Прочитайте как беззнаковое

1011 0011₂ = 256 − 77 = 179

Ответ

U = 179
26.Системы счисления

Ответ: R = 13

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

XOR даёт 1 там, где два бита различаются.

1100 0011
XOR 1100 1110
= 0000 1101

Значение результата

0000 1101₂ = 13

Ответ

R = 13
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 15

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.

ABCD000111100001111000110312141517061120130151140809011110

Сгруппируйте единицы

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

B′CD′
BC′D′
A′C′D
ACD′
A′BD

Минимальная форма SOP

F = B′CD′ + BC′D′ + A′C′D + ACD′ + A′BD
L = 15

Ответ

L = 15

Существует другая группировка того же размера; в ней то же число членов и литералов.

28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 8

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.

Простые импликанты

Самые большие группы, которые можно образовать из единиц и X.

B′C′D′, AD, AB′C′, ABC
ABCD0001111000011110X00103X204050706012113X1511418X9111010

Минимальное покрытие

F = B′C′D′ + AD + ABC
L = 8

Ответ

L = 8

Существует другая группировка того же размера; в ней то же число членов и литералов.

29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.3) = 0,6503

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

Простые дроби

F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 40/(5·6) = 1,333
B = 40/((−5)·1) = −8
C = 40/((−6)·(−1)) = 6,667

Обратное преобразование

f(t) = 1,333 − 8·e−5t + 6,667·e−6t

Вычислите

f(0,3) = 1,333 − 8·e−5·0,3 + 6,667·e−6·0,3 = 0,6503

Ответ

f(0,3) = 0,6503
30.Преобразования Лапласа

Ответ: g(0.1) = 1,884

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).

Передаточная функция

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 5)/(s² + 6s + 13)

Простые дроби

s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 2²
G(s) = 3·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (−4/2)·2/((s + 3)² + 2²)

Импульсная характеристика

g(t) = e−3t·(3·cos 2t − 2·sin 2t)
g(0,1) = 1,884

Ответ

g(0,1) = 1,884
31.Структурные схемы

Ответ: K = 6,25

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

Характеристическое уравнение

1 + K/(s(s + 5)) = 0 → s² + 5s + K = 0

Кратный корень

Квадратный трёхчлен s² + βs + γ имеет двойной корень, когда β² = 4γ.

5² = 4K → K = 25/4 = 6,25

Ответ

K = 6,25
Тогда оба полюса замкнутой системы находятся в s = −2,5.
32.Структурные схемы

Ответ: T(0) = 0,4947

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 = G₂/(1 + G₂H₁) = 7/(s + 17)

Внешний контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 28/((s + 3)(s + 17) + 5,6)

Статический коэффициент передачи

T(0) = 28/(3·17 + 5,6) = 28/56,6 = 0,4947

Ответ

T(0) = 0,4947
33.Переходная характеристика

Ответ: σ = −2,5

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 = 94 → ωₙ = 9,695 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,695) = 0,2579

Результат

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5

Ответ

σ = −2,5
34.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,08944

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

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = √(k/m) = √(1000/0,5) = 44,72 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 4/(2·√(1000·0,5)) = 0,08944

Результат

ζ = 0,08944

Ответ

ζ = 0,08944
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = 78,69 °

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

Частота среза

ωc = R/L = 470/0,0022 = 213636 rad/s
fc = 34001 Hz → f/fc = 6800/34001 = 0,2

Фаза

φ = 90° − atan(0,2) = 78,69°

Ответ

φ = 78,69°
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: K = 152,9

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/4)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(4·8) = 5,657 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 64)) = K/(4·8·(4 + 8)) = K/384

Требуемое усиление

384/K = 108/20 = 2,512
K = 384/2,512 = 152,9

Ответ

K = 152,9
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: N = 2

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 + 7s² + 10s + 280 = 0

Таблица Рауса

s³: 1, 10
s²: 7, 280
s¹: −30
s⁰: 280

Смены знака в первом столбце

1 → 7 → −30 → 280
N = 2

Ответ

N = 2

Коэффициент усиления выше предела K = 70, поэтому комплексная пара перешла 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: K = 250

Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.

Требуемый коэффициент скоростной ошибки

Kv = A/ess = 1/0,02 = 50

Коэффициент усиления

K = 5·Kv = 250

Ответ

K = 250

Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,1581. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.

40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 8

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

Коэффициент скоростной ошибки

s·C(s) = 1s + 5 → 5 при s → 0.

Kv = 5·2/40 = 0,25

Ошибка по линейному воздействию

ess = 2/0,25 = 8

Ответ

ess = 8

ПИ-регулятор полностью устраняет ошибку по ступеньке; линейное воздействие отслеживается с постоянным отставанием.

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

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