n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.
Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Тренировочные задачи
1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
Через катушку течёт установившийся ток 2,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 10 ms.
i(0) = 2,5 AR = 20 ΩL = 68 mHt = 10 ms
i = A
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 15 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 12 V, ровно через 50 ms после старта. При C = 2,2 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 15 VVth = 12 VT = 50 msC = 2,2 µF
R = kΩ
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 4 kW при коэффициенте мощности 0,7 (индуктивном) и нагрузка 7 kW при коэффициенте мощности 0,8 (ёмкостном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 20 kW при коэффициенте мощности 0,65 (индуктивном) от сети 240 V, 50 Hz. Параллельно нагрузке подключён конденсатор 220 µF. Найдите новый коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
P = 20 kWpf1 = 0,65V = 240 Vf = 50 HzC = 220 µF
cos φ =
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 20 A от сети с линейным напряжением 480 V. Коэффициент мощности 0,82 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 480 VIL = 20 Acos φ = 0,82
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 50 kW при коэффициенте мощности 0,72 (отстающий) от сети 480 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 = 50 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
К вторичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 10:1 подключён резистор 5 Ω. Найдите сопротивление R1′ со стороны первичной обмотки.
N1:N2 = 10:1RL = 5 Ω
R1′ = Ω
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 2500 W и потери в меди 5000 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?
S = 500 kVAPcore = 2500 WPcu,fl = 5000 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 3.
R1 = 10 kΩAv = 3
Rf = kΩ
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
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 = 4,7 kΩRf1 = 47 kΩR2 = 47 kΩRf2 = 47 kΩ
Av =
23.Диоды и транзисторыСредняя
NPN-транзистор с β = 200 смещён делителем напряжения от VCC = 18 V: R₁ = 33 kΩ от VCC к базе и R₂ = 6,8 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 2,2 kΩ, резистор эмиттера RE = 680 Ω. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.
Стабилизатор на стабилитроне 12 V должен питать нагрузку током до 30 mA. Входное напряжение может падать до 24 V, а стабилитрону для стабилизации нужно не менее 5 mA. Найдите наибольшее последовательное сопротивление Rmax, при котором стабилизация сохраняется.
Установите биты так, чтобы они хранили −59 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?
N = −598 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
Какое наибольшее беззнаковое целое число N помещается в 24 бит?
24 bit
N =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 7, 8, 9, 12). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?
F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 7, 8, 9, 12)
L =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер JK, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы на 8 передних фронтах тактового сигнала. Сколько раз, N, Q меняет состояние?
Q₀ = 0JK
N =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
F(s) = (6s + 28)/(s² + 10s + 16). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−2t + B·e−8t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = (6s + 28)/(s² + 10s + 16)
A =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 6y′ + 8y = 8·u(t). Она начинает из покоя (y(0) = 0, y′(0) = 0), а входом служит ступенька u(t) = 5 при t ≥ 0. С помощью преобразования Лапласа найдите выход y(0,1).
У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 6(s + 1)/((s + 2)(s + 5)). На задающее воздействие подаётся ступенька величиной 1. Найдите установившуюся ошибку ess.
G(s) = 6(s + 1)/((s + 2)(s + 5))R = 1
ess =
32.Структурные схемыСложная
Упростите структурную схему, где G₁ = 2/(s + 1), G₂ = 4/(s + 1), внутренняя отрицательная обратная связь H₁ = 0,5 охватывает G₂, а внешняя отрицательная обратная связь H₂ = 1. Найдите статический коэффициент передачи T(0) C(s)/R(s).
G₁ = 2/(s + 1)G₂ = 4/(s + 1)H₁ = 0,5H₂ = 1
T(0) =
33.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 100/(s² + 5s + 100) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.
G(s) = 100/(s² + 5s + 100)
σ =
34.Переходная характеристикаСложная
Последовательная RLC-цепь с R = 6 Ω, L = 20 mH и C = 100 µF подключается к ступеньке 5 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите пиковое напряжение vC,max на конденсаторе.
R = 6 ΩL = 20 mHC = 100 µFV = 5 V
vC,max = V
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 216/((s + 4)(s + 18)) при ω = 4 rad/s в dB.
G(s) = 216/((s + 4)(s + 18))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 512/(s(s + 6)(s + 9)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 512/(s(s + 6)(s + 9))
GM = dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Объект G(s) = (s + 10)/((s − 2)(s + 1)) имеет неустойчивый полюс в точке s = 2. Пропорциональный коэффициент усиления K замыкает вокруг него контур с единичной обратной связью. Найдите наименьший коэффициент усиления Kmin, при котором замкнутая система устойчива.
G(s) = (s + 10)/((s − 2)(s + 1))
Kmin =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Показан корневой годограф L(s) = K/(s(s + 6)). Найдите коэффициент усиления K, при котором полюса замкнутой системы имеют коэффициент демпфирования ζ = 0,6.
L(s) = K/(s(s + 6))ζ = 0,6
K =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Процесс G(s) = 5/(1s + 1) управляется пропорциональным коэффициентом усиления K = 9 в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess по ступеньке в процентах от величины ступеньки.
G(s) = 5/(1s + 1)K = 9
ess = %
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 1/(s + 4) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 6 rad/s и ζ = 0,7. Найдите пропорциональный коэффициент Kp.
G(s) = 1/(s + 4)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,7
Kp =
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 6,158 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 5 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Req = R1 + 3,158 = 3 + 3,158 = 6,158 Ω
Ответ
Req = 6,158 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,132 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 12 + 10 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 4,714 Ω
R3 + 4,714 = 14,71 Ω
R2 ∥ 14,71 = 5,954 Ω
Req = R1 + 5,954 = 2 + 5,954 = 7,954 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/7,954 = 1,132 A
Ответ
IR1 = 1,132 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 9 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 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/3 + (VA − 24)/10 + (VA − VB)/15 = 0
0,5·VA − 0,06667·VB = 2,4
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/15 = 2
−0,06667·VA + 0,2667·VB = 2
Решите
Δ = (0,5)(0,2667) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1289
VA = Δ1/Δ = 0,7733/0,1289 = 6 V
VB = Δ2/Δ = 1,16/0,1289 = 9 V
Ответ
VB = 9 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 11,31 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 24 V, V2 = 5 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/25 + (VA − 24)/6 + (VA − VB)/4 = 0
0,4567·VA − 0,25·VB = 4
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/2 + (VB − VA)/4 + (VB − 5)/25 = 5
−0,25·VA + 0,79·VB = 5,2
Решите
Δ = (0,4567)(0,79) − (−0,25)(−0,25) = 0,2983
VA = Δ1/Δ = 4,46/0,2983 = 14,95 V
VB = Δ2/Δ = 3,375/0,2983 = 11,31 V
Ответ
VB = 11,31 V
5.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 8,182 V
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. 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
2·I1 + 4(I1 − I2) = 24
6·I1 − 4·I2 = 24
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 + 4(I2 − I1) = (−15)
−4·I1 + 10·I2 = −15
Решите
Δ = (6)(10) − (−4)(−4) = 44
I1 = Δ1/Δ = 180/44 = 4,091 A
I2 = Δ2/Δ = 6/44 = 0,1364 A
Ответ
IR1 = I1 = 4,091 A
VR1 = IR1·R1 = 4,091·2 = 8,182 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 0,3406 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
4·I1 + 20(I1 − I2) = 9
24·I1 − 20·I2 = 9
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 20(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 56·I2 − 6·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
6·I3 + 6(I3 − I2) = (−18)
−6·I2 + 12·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 10464
I1 = Δ1/Δ = 3564/10464 = 0,3406 A
I2 = Δ2/Δ = −432/10464 = −0,04128 A
I3 = Δ3/Δ = −15912/10464 = −1,521 A
Ответ
I1 = 0,3406 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = 17,51 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 5+12 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·17/(15+17) = 7,969 Ω
VA = 10·7,969/(12+7,969) = 3,991 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,991·12/17 = 2,817 V
VR2′ = VA − 0 = 3,991 − 0 = 3,991 V
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 11,67 = 5,915 Ω
VB = Is·Req = 4·5,915 = 23,66 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 23,66·6,667/11,67 = 13,52 V
VR2″ = VA − 0 = 13,52 − 0 = 13,52 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 3,991 + 13,52 = 17,51 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = 20,41 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 20 ∥ 14 = 8,235 Ω
VA = 9·8,235/(12+8,235) = 3,663 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,663·4/14 = 1,047 V
VR3′ = VA − 0 = 3,663 − 0 = 3,663 V
Случай 2 · действует только Is
Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 7,5 Ω, поэтому левый путь — R2+7,5 = 17,5 Ω
Req = R4 ∥ 17,5 = 3,256 Ω
VB = Is·Req = 6·3,256 = 19,53 V
VA = VB·7,5/17,5 = 8,372 V
VR3″ = VA − 0 = 8,372 − 0 = 8,372 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·17,5/21,5 = 19,53 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 19,53·7,5/17,5 = 8,372 V
VR3‴ = VA − 0 = 8,372 − 0 = 8,372 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 3,663 + 8,372 + 8,372 = 20,41 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 4,5 V
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 5 = 8 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·12/(4+12) = 4,5 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 144,8 W
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 30·2/(30+2) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 15 = 16,88 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 0,9375 + (−6)·1,875 = −10,31 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −10,31 + (−6)·15 = −100,3 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = −100,3/(16,88 + 12) = −3,474 A
PL = IL²·RL = −3,474²·12 = 144,8 W
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,132 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.
Постоянная времени
τ = L/R = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
Убывание тока
i(t) = 2,5·e−10/3,4 = 0,132 A
Ответ
i = 0,132 A
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 14,12 kΩ
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
12 = 15·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(15/(15 − 12))
τ = 50/1,609 = 31,07 ms
Сопротивление
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
R = τ/C = 31,07/2,2 = 14,12 kΩ
Ответ
R = 14,12 kΩ
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 0,05133 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 = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 24/467,6 = 0,05133 A
Ответ
I = 0,05133 A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 1,048 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,15 = 47,12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 120/114,5 = 1,048 A
Ответ
I = 1,048 A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,9944
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Реактивная мощность каждой нагрузки
Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).
Q1 = 4·tan(arccos 0,7) = 4,081 kvar
Q2 = −7·tan(arccos 0,8) = −5,25 kvar
Суммы
P = 4 + 7 = 11 kW
Q = 4,081 + (−5,25) = −1,169 kvar
S = √(11² + (−1,169)²) = 11,06 kVA
Общий коэффициент мощности
cos φ = P/S = 11/11,06 = 0,9944 опережающий
Ответ
cos φ = 0,9944
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,7178
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 = 20·tan(arccos 0,65) = 23,38 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·220·10⁻⁶ = 3981 var = 3,981 kvar
Q2 = 23,38 − 3,981 = 19,4 kvar
Новая полная мощность
S2 = √(20² + 19,4²) = 27,86 kVA
Новый коэффициент мощности
cos φ = P/S2 = 20/27,86 = 0,7178
Ответ
cos φ = 0,7178
17.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 13,63 kW
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Полная мощность
S = √3·VL·IL = √3·480·20 = 16,63 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 16,63·0,82 = 13,63 kW
Ответ
P = 13,63 kW
18.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 38,04 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 = 50·tan(acos 0,72) = 50·0,9639 = 48,19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 38,04 kvar
Ответ
QC = 38,04 kvar
19.Трансформаторы
Ответ: R1′ = 500 Ω
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.
Приведённое сопротивление
Напряжение растёт в a раз, а ток уменьшается в a раз, поэтому отношение V/I растёт в a² раз.
R1′ = a²·RL = 10²·5 = 500 Ω
Ответ
R1′ = 500 Ω
20.Трансформаторы
Ответ: Sη,max = 353,6 kVA
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.
Потери в меди равны потерям в стали
x²·5000 = 2500 → x = √(2500/5000) = 0,7071
Нагрузка при максимальном КПД
Sη,max = x·S = 0,7071·500 = 353,6 kVA
Ответ
Sη,max = 353,6 kVA
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Rf = 20 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 = (3 − 1)·10 = 20 kΩ
Ответ
Rf = 20 kΩ
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Av = −20
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 = −47/4,7 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/47 = 2
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −10·2 = −20
Ответ
Av = −20
23.Диоды и транзисторы
Ответ: VCE = 8,375 V
Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме VBE = 0,7 V, IC = β·IB и IE = (β + 1)·IB. Найдите IB из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем IC, затем VCE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = 18·6,8/(33 + 6,8) = 3,075 V
RTH = 33·6,8/(33 + 6,8) = 5,638 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (3,075 − 0,7)/(5,638 + 201·0,68) = 16,69 µA
Ток коллектора
IC = 200·16,69 µA = 3,338 mA
IE = 201·16,69 µA = 3,355 mA
Напряжение коллектор–эмиттер
VCE = 18 − 3,338·2,2 − 3,355·0,68 = 8,375 V
Ответ
VCE = 8,375 V
24.Диоды и транзисторы
Ответ: Rmax = 342,9 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 + 5 = 35 mA
Наибольшее сопротивление
Rmax = 12/0,035 = 342,9 Ω
Ответ
Rmax = 342,9 Ω
25.Системы счисления
Ответ: U = 197
Установка битов: каждый бит стоит степень двойки (128, 64, …, 1). Одна шестнадцатеричная цифра — это ровно четыре бита, а в 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128. Побитовые операции работают с каждой позицией бита отдельно.
Инвертируйте и прибавьте единицу
59 = 0011 1011
инвертировано: 1100 0100
+1 → 1100 0101
Прочитайте как беззнаковое
1100 0101₂ = 256 − 59 = 197
Ответ
U = 197
26.Системы счисления
Ответ: N = 1,678 × 10⁷
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.
Наибольшее значение
224 − 1 = 16777215
Ответ
N = 16777215
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: L = 12
Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.
Сгруппируйте единицы
Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.
A′CD
AC′D′
A′B′C
AB′C′
Минимальная форма SOP
F = A′CD + AC′D′ + A′B′C + AB′C′
L = 12
Ответ
L = 12
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 4
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.
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 + 10s + 16 = (s + 2)(s + 8)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 8)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 2) и положите s = −2: слагаемое с B обращается в нуль.
A = (6s + 28)/(s + 8) |s = −2 = 16/6 = 2,667
Ответ
A = 2,667
(B = 3,333, поэтому f(t) = 2,667·e−2t + 3,333·e−8t)
30.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.1) = 0,1643
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) = 40/(s(s + 2)(s + 4))
Простые дроби
A = 40/(2·4) = 5
B = 40/((−2)·2) = −10
C = 40/((−4)·(−2)) = 5
Выделение
y(t) = 5 − 10·e−2t + 5·e−4t
y(0,1) = 0,1643
Ответ
y(0,1) = 0,1643
31.Структурные схемы
Ответ: ess = 0,625
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).
Коэффициент ошибки по положению
Kₚ = G(0) = 6·1/(2·5) = 0,6
Установившаяся ошибка
ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 0,6) = 0,625
Ответ
ess = 0,625
32.Структурные схемы
Ответ: T(0) = 0,7273
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) = 4/(s + 3)
Внешний контур
T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 8/((s + 1)(s + 3) + 8)
Статический коэффициент передачи
T(0) = 8/(1·3 + 8) = 8/11 = 0,7273
Ответ
T(0) = 0,7273
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 = 100 → ωₙ = 10 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·10) = 0,25
Результат
σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5
Ответ
σ = −2,5
34.Переходная характеристика
Ответ: vC,max = 7,528 V
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).
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.
Для s² + c₁s + c₀ все корни лежат в левой полуплоскости ровно тогда, когда c₁ > 0 и c₀ > 0.
-1 + K > 0 → K > 1
10K − 2 > 0 → K > 0,2
Kmin = 1
Ответ
Kmin = 1
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: K = 25
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.
Сравните со стандартной формой
s² + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,6·ωₙ = 6 → ωₙ = 5 rad/s
Коэффициент усиления
K = ωₙ² = 5² = 25
Ответ
K = 25
Полюса замкнутой системы находятся там, где линия ζ пересекает вертикальную ветвь при s = −3.
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 2,174 %
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 позиционной ошибки
Kp = 9·5 = 45
Ошибка по ступеньке
ess = 100/(1 + 45) = 2,174 %
Ответ
ess = 2,174 %
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: Kp = 4,4
П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).
Характеристический полином
1 + C(s)G(s) = 0, умноженное на s(s + 4).
s² + (4 + 1Kp)s + 1Ki
Целевой полином
s² + 2·0,7·6s + 6² = s² + 8,4s + 36
Приравняйте коэффициенты
4 + 1Kp = 8,4 → Kp = 4,4
Ответ
Kp = 4,4
Интегральная составляющая делает контур типа 1, поэтому ступенька отслеживается без установившейся ошибки.
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.