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​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​3 ΩB

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​30 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​15 Ω+−V1​9 VR2​5 Ω+−V2​6 VI2​R3​3 Ω+−V3​15 VA

Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I2 в ветви 2, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩV2 = 6 VR2 = 5 ΩV3 = 15 VR3 = 3 Ω
I2 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 2 ΩIR4​+−V1​36 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​6 A+−V2​18 V

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

V1 = 36 VIs = 6 AV2 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 ΩR5 = 20 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​8 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​6 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 ΩR5 = 6 Ω
I2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​20 ΩIR4​BIs​1 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR4, потребляемую R4.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
PR4 = W
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​5 VR3​4 ΩAIs​1 AB+−V2​30 V

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

V1 = 5 VIs = 1 AV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 Ω
IR4 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​1,5 ABRL​2 ΩIL​

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

V1 = 15 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩRL = 2 Ω
IL = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
R = 47 Ωt = 0L47 mHi(t)

Через катушку течёт установившийся ток 1 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. За какое время ток уменьшится до 0,25 A? Найдите t.

i(0) = 1 AR = 47 ΩL = 47 mH
t = ms
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​6 Vt = 0R = 4,7 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 15 ms.

Vs = 6 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 15 Vt = 15 ms
vC = V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
120 V60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 100 µF
cos φ =
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
100 V200 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 100 ΩC = 22 µF

Резистор R1 включён последовательно с параллельным соединением R2 и конденсатора C в сеть 100 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR1 = 50 ΩR2 = 100 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 VR + jXP = 960 W5 A

Индуктивная нагрузка потребляет 5 A и 960 W от однофазной сети 240 V (действующее значение). Представьте её как сопротивление R, соединённое последовательно с реактивным сопротивлением X. Найдите X.

V = 240 VI = 5 AP = 960 W
X = Ω
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 30 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 400 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите новый ток линии Inew.

P = 30 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 480 VIL​ = 20 Acos φ = 0,85отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 20 A от сети с линейным напряжением 480 V. Коэффициент мощности 0,85 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 480 VIL = 20 Acos φ = 0,85
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 100 kW при коэффициенте мощности 0,78 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,9 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 100 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
7200 V240 VIHV​ = ?ILV​150 kVA

Однофазный трансформатор 150 kVA, 7200/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток IHV в обмотке высшего напряжения.

S = 150 kVAV1 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
20.ТрансформаторыСложная
pf 0,85250 kVA, 75% нагрузка

Однофазный трансформатор 250 kVA имеет потери в стали 2000 W и потери в меди 5000 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 75% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,85 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.

S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 5000 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 10 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 31.

R1 = 10 kΩAv = 31
Rf = kΩ
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Vin​V1​Vout​каскад 1: инвертирующийR1​ = 1 kΩRf1​ = 10 kΩкаскад 2: неинвертирующийR2​ = 100 kΩRf2​ = 47 kΩ

Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Входное напряжение Vin = −0,25 V. Найдите выходное напряжение Vout.

R1 = 1 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 47 kΩVin = −0,25 V
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 4,7 kΩβ = 50IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 560 kΩ

NPN-транзистор с β = 50 смещён резистором базы RB = 560 kΩ от источника питания VCC = 15 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 = 15 VRB = 560 kΩRC = 4,7 kΩβ = 50VBE = 0,7 V
IC = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
V (V)I (mA)0,65618,18Q = ?

Диод моделируется напряжением 0,65 V последовательно с 5 Ω (он проводит выше 0,65 V). Он включён последовательно с резистором 330 Ω к источнику 6 V. Найдите рабочий ток ID в точке пересечения характеристики диода и нагрузочной прямой.

Vs = 6 VR = 330 ΩV0 = 0,65 Vrd = 5 Ω
ID = mA
25.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код?−128?64?32?16?8?4?2?1

Запишите −27 как 8-битную комбинацию в дополнительном коде. Прочитайте комбинацию как беззнаковое двоичное число: каково его значение U в десятичной системе?

N = −278 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
328 кодов, b = ? бит?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Система должна присвоить каждому из 328 элементов собственный двоичный код одинаковой длины. Какое наименьшее число битов b нужно?

328
b = bit
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD00011110000111101111111

На этой карте Карно ровно у одной единицы нет соседней единицы, поэтому в минимальной форме SOP она остаётся группой из одной клетки (полным минтермом из четырёх литералов). Соседи через края карты учитываются. Нажмите на эту клетку.

F = Σm(0, 2, 5, 8, 9, 13, 14)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​TQ4​Q4​TQ5​Q5​CLK

6-разрядный асинхронный счётчик построен на триггерах с задержкой распространения 15 ns у каждого. Все выходы должны установиться до следующего фронта тактового сигнала. Найдите максимальную тактовую частоту fmax.

n = 6tpd = 15 ns
fmax = MHz
29.Преобразования ЛапласаСредняя
ReIm−1−2−3−4−512

Найдите f(t) для F(s) = (5s + 22)/(s² + 6s + 13) выделением полного квадрата и вычислите f(0,5).

F(s) = (5s + 22)/(s² + 6s + 13)t = 0,5 s
f(0.5) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t), где y(0) = 2 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 10. С помощью преобразования Лапласа найдите y(1).

y″ + 6y′ + 5y = 20·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 10t = 1 s
y(1) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+12(s + 6)(s + 5)(s + 7)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 12(s + 6)/((s + 5)(s + 7)). На задающее воздействие подаётся ступенька величиной 2. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 12(s + 6)/((s + 5)(s + 7))R = 2
ess =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+13регулятор+D(s)+9s + 9объектC(s)−

Пропорциональный регулятор K = 13 управляет объектом G(s) = 9/(s + 9) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Возмущение D действует на входе объекта (прибавляется к выходу регулятора). Одновременно подаются ступенька задания величиной 1 и ступенька возмущения величиной 10. Найдите установившийся выход css.

K = 13G(s) = 9/(s + 9)D = 10R = 1
css =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 95/(s² + 13s + 95) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 95/(s² + 13s + 95)
%OS = %
34.Переходная характеристикаСложная
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = K/(s(s + 16)). Найдите коэффициент K, при котором переходная характеристика имеет перерегулирование 10 %.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 10 %
K =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​C = 10 nFR = 2,2 kΩvout​

Изображённый RC-фильтр верхних частот имеет R = 2,2 kΩ, C = 10 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 72 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 2,2 kΩC = 10 nFf = 72 kHz
φ = °
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 842/(s(s + 7)(s + 10)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 842/(s(s + 7)(s + 10))
GM = dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+Ks + 10s(s + 2)(s + 4)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K(s + 10)/(s(s + 2)(s + 4)), K > 0. Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 2)(s + 4))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−2−4−6j2j4

Эскиз корневого годографа для L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 6)). Найдите частоту ω, на которой годограф пересекает мнимую ось.

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 6))
ω = rad/s
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
R(s)+K(s + 1)(s + 4)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет G(s) = K/((s + 1)(s + 4)). Найдите коэффициент усиления K, при котором установившаяся ошибка по ступеньке составляет 20 %.

G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 20 %
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 401s(s + 6)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 40 управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 6)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 1/(s(s + 6))K = 40
%OS = %

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 10,94 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​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​3 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 = 20 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 8·23/(8+23) = 5,935 Ω
Req = R1 + 5,935 = 5 + 5,935 = 10,94 Ω

Ответ

Req = 10,94 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 1,59 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​ = 10 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBR6​30 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 12 Ω
R3 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 3,385 Ω
Req = R1 + 3,385 = 3 + 3,385 = 6,385 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 12/6,385 = 1,88 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 1,88·3 = 6,361 V
IR2 = VA/R2 = 6,361/4 = 1,59 A

Ответ

IR2 = 1,59 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: I2 = −1,067 A

Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.

ЗТК в узле A

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

(VA − 9)/15 + (VA − 6)/5 + (VA − 15)/3 = 0

Находим VA

VA = (9/15 + 6/5 + 15/3) / (1/15 + 1/5 + 1/3) = 6,8/0,6 = 11,33 V

Ток ветви

Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.

I2 = (6 − VA)/R2 = (6 − 11,33)/5 = −1,067 A

Ответ

I2 = −1,067 A

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

4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR4 = −5,799 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​ = 20 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​36 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​6 A+−V2​18 V

Определите узлы

Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 36 V, V2 = 18 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 − 36)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,1567·VA − 0,06667·VB = 1,8

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/20 + (VB − VA)/15 + (VB − 18)/2 = (−6)
−0,06667·VA + 0,6167·VB = 3

Решите

Δ = (0,1567)(0,6167) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,09217
VA = Δ1/Δ = 1,31/0,09217 = 14,21 V
VB = Δ2/Δ = 0,59/0,09217 = 6,401 V

Ответ

IR4 = (VB − V2)/R4 = (6,401 − 18)/2 = −5,799 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 1,714 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​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​8 ΩA+−V2​18 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 + 8(I1 − I2) = 24
13·I1 − 8·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
12·I2 + 8(I2 − I1) = (−18)
−8·I1 + 20·I2 = −18

Решите

Δ = (13)(20) − (−8)(−8) = 196
I1 = Δ1/Δ = 336/196 = 1,714 A
I2 = Δ2/Δ = −42/196 = −0,2143 A

Ответ

I1 = 1,714 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: I2 = −1,642 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​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​6 ΩB+−V2​30 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 + 5(I1 − I2) = 10
30·I1 − 5·I2 = 10

ЗНК для контура 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 5(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 16·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
3·I3 + 6(I3 − I2) = (−30)
−6·I2 + 9·I3 = −30

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3015
I1 = Δ1/Δ = 180/3015 = 0,0597 A
I2 = Δ2/Δ = −4950/3015 = −1,642 A
I3 = Δ3/Δ = −13350/3015 = −4,428 A

Ответ

I2 = −1,642 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR4 = 0,5908 W

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​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​20 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 = 4+20 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·24/(2+24) = 1,846 Ω
VA = 6·1,846/(8+1,846) = 1,125 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,125·20/24 = 0,9375 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (0,9375 − 0)/20 = 0,04688 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​2 ΩAR4​20 ΩBIs​1 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R2 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 5,6 = 4,375 Ω
VB = −Is·Req = −1·4,375 = −4,375 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −4,375·1,6/5,6 = −1,25 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (−4,375 − 0)/20 = −0,2188 A

Складываем вклады токов

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,04688 + (−0,2188) = −0,1719 A

Мощность в резисторе

Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.

PR4 = IR4²·R4 = (−0,1719)²·20 = 0,5908 W

Ответ

PR4 = 0,5908 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 1,001 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: IR4 = −0,2238 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 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​5 VR3​4 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) = 4 ∥ 45 = 3,673 Ω
VA = 5·3,673/(8+3,673) = 1,573 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,573·30/45 = 1,049 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,049 − 0)/30 = 0,03497 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​4 ΩAIs​1 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 = 2,667 Ω, поэтому левый путь — R2+2,667 = 17,67 Ω
Req = R4 ∥ 17,67 = 11,12 Ω
VB = Is·Req = 1·11,12 = 11,12 V
VA = VB·2,667/17,67 = 1,678 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (11,12 − 0)/30 = 0,3706 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​4 ΩAОБРЫВB+−V2​30 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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·17,67/47,67 = 11,12 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 11,12·2,667/17,67 = 1,678 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (11,12 − 30)/30 = −0,6294 A

Сложите составляющие

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,03497 + 0,3706 + (−0,6294) = −0,2238 A

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 14 Ω

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

R1​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 12 = 14 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,505 A

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 25 ΩКЗR2​4 ΩAОБРЫВBabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

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

R1 ∥ R2 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 25 = 28,16 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​1,5 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) = 3,158 + 1,5·3,158 = 7,895 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,895 + 1,5·25 = 45,39 V
Rth​ = 28,16 Ω+−Vth​45,39 VRL​2 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

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

IL = Vth/(Rth + RL) = 45,39/(28,16 + 2) = 1,505 A
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 1,386 ms

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

Постоянная времени

τ = L/R = 47 mH / 47 Ω = 1 ms

Выразите время

0,25 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,25)
t = 1·ln(4) = 1,386 ms

Ответ

t = 1,386 ms
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 12,54 V

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

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 6 + (15 − 6)·e−t/τ

Напряжение в заданный момент

vC(15) = 6 + (9)·e−15/47 = 12,54 V

Ответ

vC = 12,54 V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: cos φ = 0,9578

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

Реактивные сопротивления

XL = 56,55 Ω, XC = 26,53 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(100² + (30,02)²) = 104,4 Ω

Коэффициент мощности

cos φ = R/|Z| = 100/104,4 = 0,9578
Цепь индуктивная, поэтому коэффициент мощности отстающий.

Ответ

cos φ = 0,9578
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 69,38 Ω

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

Реактивное сопротивление

XC = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Параллельное соединение

Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Zp на действительную и мнимую части.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 11,57 − j31,99 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 50 + 11,57 − j31,99 = 61,57 − j31,99 Ω
|Z| = √(61,57² + 31,99²) = 69,38 Ω

Ответ

|Z| = 69,38 Ω
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: X = 28,8 Ω

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

Сопротивление по активной мощности

R = P/I² = 960/5² = 38,4 Ω

Реактивное сопротивление по полному

|Z| = V/I = 240/5 = 48 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(48² − 38,4²) = 28,8 Ω

Ответ

X = 28,8 Ω
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Inew = 81,52 A

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

Реактивная мощность до и после

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

Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(53,13°) = 40 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(23,07°) = 12,78 kvar
QC = Q1 − Q2 = 27,22 kvar

Новый ток линии

Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(400·0,92) = 81,52 A

Ответ

Inew = 81,52 A
17.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 14,13 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 = 16,63·0,85 = 14,13 kW

Ответ

P = 14,13 kW
18.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 31,8 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 = 100·tan(acos 0,78) = 100·0,8023 = 80,23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 31,8 kvar

Ответ

QC = 31,8 kvar
19.Трансформаторы

Ответ: IHV = 20,83 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.

Номинальный ток

Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.

IHV = S/V = 150000/7200 = 20,83 A

Ответ

IHV = 20,83 A
20.Трансформаторы

Ответ: Ploss = 4813 W

Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.

Потери в меди при этой нагрузке

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·5000 = 2813 W

Суммарные потери

Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.

Ploss = 2000 + 2813 = 4813 W

Ответ

Ploss = 4813 W

КПД при этой нагрузке η = 97,07%.

21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 300 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 = (31 − 1)·10 = 300 kΩ

Ответ

Rf = 300 kΩ
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 3,675 V

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Коэффициент усиления каждого каскада

A1 = −Rf1/R1 = −10/1 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/100 = 1,47

Каскад за каскадом

V1 = −10·(−0,25) = 2,5 V
Vout = 1,47·2,5 = 3,675 V

Ответ

Vout = 3,675 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: IC = 1,277 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 = (15 − 0,7)/560 kΩ = 25,54 µA

Ток коллектора

IC = β·IB = 50·25,54 µA = 1,277 mA

Ответ

IC = 1,277 mA

Проверка: VCE = 8,999 V заметно больше 0,2 V, значит, транзистор действительно в активном режиме.

24.Диоды и транзисторы

Ответ: ID = 15,97 mA

Цепи со светодиодами и диодами: светодиод в прямом включении падает примерно на своё прямое напряжение VF (около 2 V для красного, 3 V для синего или белого) независимо от тока. Последовательный резистор задаёт ток: R = (Vs − n·VF)/I для n светодиодов последовательно. В более точной модели диода V = V₀ + I·rd рабочая точка находится там, где характеристика диода пересекает нагрузочную прямую I = (Vs − V)/R, поэтому I = (Vs − V₀)/(R + rd).

Объедините два уравнения

6 = 0,65 + I·(330 + 5)

Рабочий ток

ID = 5,35/335 = 15,97 mA
VD = 0,65 + 0,01597·5 = 0,7299 V

Ответ

ID = 15,97 mA
25.Системы счисления

Ответ: U = 229

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

27 = 0001 1011
инвертировано: 1110 0100
+1 → 1110 0101

Прочитайте как беззнаковое

1110 0101₂ = 256 − 27 = 229

Ответ

U = 229
26.Системы счисления

Ответ: b = 9 bit

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.

Степени двойки

28 = 256 < 328
29 = 512 ≥ 328

Ответ

b = 9
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: AB = 11, CD = 10

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.

Соседи каждой единицы

Единица с соседней единицей может войти в группу из двух или более.

m14: m15, m12, m10, m6 → 0
ABCD00011110000111101111111

Изолированная единица

m14 = ABCD′ → AB = 11, CD = 10

Ответ

AB = 11, CD = 10
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: fmax = 11,11 MHz

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.

Наихудшее время установления

T = 6·15 ns = 90 ns

Максимальная частота

fmax = 1/90 ns = 11,11 MHz

Ответ

fmax = 11,11 MHz
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.5) = 1,26

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).

Выделение полного квадрата

s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

Подбор числителя

F(s) = 5·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (7/2)·2/((s + 3)² + 2²)

Обратное преобразование

f(t) = e−3t·(5·cos 2t + 3,5·sin 2t)
f(0,5) = e−3·0,5·(5·cos(2·0,5) + 3,5·sin(2·0,5)) = 1,26

Ответ

f(0,5) = 1,26
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(1) = 22,59

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

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 2s + 12 + 200/s
Y(s) = (2s² + 12s + 200)/(s(s + 1)(s + 5))

Простые дроби

A = 200/(1·5) = 40
B = 190/((−1)·4) = −47,5
C = 190/((−5)·(−4)) = 9,5

Результат

y(t) = 40 − 47,5·e−t + 9,5·e−5t
y(1) = 22,59

Ответ

y(1) = 22,59

Проверка: y(0) = A + B + C = 2.

31.Структурные схемы

Ответ: ess = 0,6542

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) = 12·6/(5·7) = 2,057

Установившаяся ошибка

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 2,057) = 0,6542

Ответ

ess = 0,6542
32.Структурные схемы

Ответ: css = 1,643

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

Передаточные функции

C/D = G/(1 + K·G) = 9/(s + 9 + 117)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 117/(s + 9 + 117)

Установившийся режим

css = 1·117/126 + 10·9/126 = 1,643

Ответ

css = 1,643

Больший K ослабляет влияние возмущения, но с пропорциональным регулятором никогда не обращает его в нуль.

33.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 6,011 %

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 = 95 → ωₙ = 9,747 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,747) = 0,6669

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,812 = 6,011 %

Ответ

%OS = 6,011 %
34.Переходная характеристика

Ответ: K = 183,1

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

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = K/(s² + 16s + K)

Коэффициент демпфирования по перерегулированию

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912

Коэффициент усиления

ωₙ = 16/(2ζ) = 13,53 rad/s
K = ωₙ² = 183,1

Ответ

K = 183,1
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = 5,738 °

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 = 1/(RC) = 1/(2200·1 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 72000/7234 = 9,953

Фаза

φ = 90° − atan(9,953) = 5,738°

Ответ

φ = 5,738°
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 3,005 dB

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

Частота перехода фазы

(ω/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8,367 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 100)) = K/(7·10·(7 + 10)) = K/1190

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(1190/842) = 3,005 dB

Ответ

GM = 3,005 dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 12

Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.

Характеристический полином

s(s + 2)(s + 4) + K(s + 10) = s³ + 6s² + (8 + K)s + 10K

Таблица Рауса

s³: 1, 8 + K
s²: 6, 10K
s¹: (6·(8 + K) − 10K)/6
s⁰: 10K

Условие

48 − 4K > 0
K < 48/4 = 12

Ответ

Kmax = 12

Если бы нуль лежал правее s = −6, контур оставался бы устойчивым при любом K > 0.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: ω = 4,472 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 + 9s² + 20s + 12 + K = 0
s¹: (9·20 − 12 − K)/9 = 0 → K = 168

Частота пересечения

9s² + 12 + 168 = 9s² + 180 = 0 → s² = −20
ω = √20 = 4,472 rad/s

Ответ

ω = 4,472 rad/s
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 16

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

Требуемый коэффициент ошибки

1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4

Коэффициент усиления

K/4 = 4 → K = 16

Ответ

K = 16

Проверьте и устойчивость замкнутой системы: для этого контура второго порядка устойчив любой K > 0.

40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: %OS = 18,4 %

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

s(s + 6) + 40·1 = s² + 6s + 40

ωₙ и ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 6/(2·6,325) = 0,4743

Перерегулирование

%OS = 100·e−0,4743π/√(1 − 0,4743²) = 18,4 %

Ответ

%OS = 18,4 %

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