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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​6 ΩAR4​25 ΩBR6​5 Ω

Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.

V1 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 8 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

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

V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 10 ΩIR1​−+Vs​ = 15 V+−V1​9 VR2​30 ΩAR3​4 ΩBIs​6 A

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 9 VIs = 6 AVs = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 Ω
IR1 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 6 Ω+−V1​24 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​30 ΩAR5​25 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 6 VV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 Ω−+VR2​AR4​10 ΩBIs​5 A

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

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​36 VR3​15 Ω+−VR3​AIs​1,5 AB−+V2​6 V

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR3 на R3 с указанной полярностью.

V1 = 36 VIs = 1,5 AV2 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
VR3 = V
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​20 Vt = 0R = 100 ΩL68 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.

Vs = 20 VR = 100 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​24 Vразмыкается при t = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 1 kΩC22 µF+−vC​

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 15 ms.

Vs = 24 VR1 = 6,8 kΩR2 = 1 kΩC = 22 µFt = 15 ms
vC = V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
50 V100 HzR = 50 ΩL = 50 mHI

Резистор и катушка включены параллельно в сеть 50 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 50 mH
φ = °
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
120 V1000 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

Последовательная цепь RLC подключена к сети 120 V (действующее значение), 1000 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
240 VZ20 + j15 ΩI

Нагрузка с полным сопротивлением Z = 20 + j15 Ω подключена к однофазной сети 240 V (действующее значение). Найдите потребляемую ею активную мощность P.

V = 240 VZ = 20 + j15 Ω
P = W
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 45 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 230 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,98. Найдите новый ток линии Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 208 VNZ = 12 + j5 Ωна фазу

Симметричная нагрузка, соединённая звездой, с полным сопротивлением 12 + j5 Ω на фазу подключена к симметричной трёхфазной сети с линейным напряжением 208 V. Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 208 VZ = 12 + j5 Ω на фазу
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 250 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 250 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
4800 V240 VIHV​ILV​ = ?15 kVA

Однофазный трансформатор 15 kVA, 4800/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток ILV в обмотке низшего напряжения.

S = 15 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
20.ТрансформаторыСложная
pf 0,85500 kVA, η = 98,8%

Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 1500 W. При номинальной нагрузке и коэффициенте мощности 0,85 (отстающий) его КПД равен 98,8%. Найдите потери в меди при номинальной нагрузке Pcu,fl в ваттах.

S = 500 kVAPcore = 1500 Wpf = 0,85η = 98,8%
Pcu,fl = W
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 0,6 V

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

Vin = 0,6 VR1 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −2 VR1​ = 47 kΩV2​ = −1,4 VR2​ = 2 kΩ

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = −2 VV2 = −1,4 VR1 = 47 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 1,5 kΩβ = 80IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 820 kΩ

NPN-транзистор с β = 80 смещён резистором базы RB = 820 kΩ от источника питания VCC = 15 V. Резистор коллектора RC = 1,5 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 = 820 kΩRC = 1,5 kΩβ = 80VBE = 0,7 V
IC = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
+−≤ 15 V270 Ω5,1 V

Стабилизатор на стабилитроне 5,1 V имеет последовательный резистор 270 Ω. Входное напряжение может подниматься до 15 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность PZ,max, которую должен рассеивать стабилитрон.

Vin,max = 15 VVZ = 5,1 VR = 270 Ω
PZ,max = mW
25.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код0−12806403201608040201

Установите биты так, чтобы они хранили −94 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?

N = −948 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
2039 кодов, b = ? бит?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Система должна присвоить каждому из 2039 элементов собственный двоичный код одинаковой длины. Какое наименьшее число битов b нужно?

2039
b = bit
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABC00011110011001131204151706

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C) = Σm(0, 2, 3, 5, 7). Сколько членов-произведений, N, в ней?

F(A, B, C) = Σm(0, 2, 3, 5, 7)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​CLKMOD-4

Тактовый сигнал 12 kHz управляет счётчиком по модулю 4. Найдите частоту fout его старшего выхода, который завершает один цикл за один цикл счёта.

fclk = 12 kHzN = 4
fout = kHz
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Найдите f(t) для F(s) = (3s + 13)/(s² + 6s + 9) и вычислите f(0,2).

F(s) = (3s + 13)/(s² + 6s + 9)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
ReIm−1−2−3−41

Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 4y′ + 3y = 3u′ + 13u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 0,3 s. Найдите g(0,3).

y″ + 4y′ + 3y = 3u′ + 13ut = 0,3 s
g(0.3) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+16K+10s + 8G(s)C(s)4H₁−−

Объект G(s) = 10/(s + 8) охвачен внутренним (малым) контуром отрицательной обратной связи с коэффициентом H₁ = 4. Коэффициент регулятора K = 16, и система замыкается внешним контуром единичной отрицательной обратной связи. Найдите статический коэффициент передачи замкнутой системы T(0).

G(s) = 10/(s + 8)H₁ = 4K = 16
T(0) =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+Kрегулятор+D(s)+5s + 6объектC(s)−

Пропорциональный регулятор K управляет объектом G(s) = 5/(s + 6) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Ступенька возмущения величиной 2 действует на входе объекта при R = 0. Найдите наименьший коэффициент K, при котором установившийся выход не превышает 0,01667.

G(s) = 5/(s + 6)D = 2css ≤ 0,01667
K =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1ts​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 44/(s² + 4s + 44) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 44/(s² + 4s + 44)
ts = s
34.Переходная характеристикаСложная
+−12 VR = 6 ΩL = 20 mHC = 100 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 6 Ω, L = 20 mH и C = 100 µF подключается к ступеньке 12 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите перерегулирование %OS напряжения на конденсаторе в процентах.

R = 6 ΩL = 20 mHC = 100 µFV = 12 V
%OS = %
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 3,3 kΩC = 4,7 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 3,3 kΩ, C = 4,7 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 100 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 3,3 kΩC = 4,7 nFf = 100 kHz
|H| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 7)(s + 8)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 8))GM = 6 dB
K =
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+Ks + 2(s − 1)(s + 5)C(s)−

Объект G(s) = (s + 2)/((s − 1)(s + 5)) имеет неустойчивый полюс в точке s = 1. 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 + 2)/((s − 1)(s + 5))
Kmin =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2sb​

Показан корневой годограф L(s) = K/((s + 6)(s + 8)). Найдите коэффициент усиления K в точке отрыва sb, где два полюса замкнутой системы встречаются на вещественной оси.

L(s) = K/((s + 6)(s + 8))
K =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 1t+20(s + 2)s(s + 10)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 20(s + 2)/(s(s + 10)) подано линейное воздействие r(t) = 1t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 20(s + 2)/(s(s + 10))r(t) = 1t
ess =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
r(t) = 2t+5 + 0,5/s5(s + 4)(s + 5)C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = 5 + 0,5/s управляет объектом G(s) = 5/((s + 4)(s + 5)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess для линейного входа r(t) = 2t.

C(s) = 5 + 0,5/sG(s) = 5/((s + 4)(s + 5))r(t) = 2t
ess =

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,24 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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​10 ΩB

Объединяйте резисторы с дальнего конца

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

R3 + R4 = 5 + 10 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Req = R1 + 3,75 = 15 + 3,75 = 18,75 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/18,75 = 0,32 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,32·15 = 1,2 V
IR2 = VA/R2 = 1,2/5 = 0,24 A

Ответ

IR2 = 0,24 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR1 = 0,5021 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​ = 5 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​6 ΩAR4​25 ΩBR6​5 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 = 8 + 5 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 8,553 Ω
R3 + 8,553 = 28,55 Ω
R2 ∥ 28,55 = 4,958 Ω
Req = R1 + 4,958 = 5 + 4,958 = 9,958 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 5/9,958 = 0,5021 A

Ответ

IR1 = 0,5021 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 2,963 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​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

Определите узлы

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

ЗТК в узле A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 30)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,5·VA − 0,125·VB = 3,75

ЗТК в узле B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/8 = (−3)
−0,125·VA + 0,4583·VB = −3

Решите

Δ = (0,5)(0,4583) − (−0,125)(−0,125) = 0,2135
VA = Δ1/Δ = 1,344/0,2135 = 6,293 V
VB = Δ2/Δ = −1,031/0,2135 = −4,829 V

Ответ

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 6,293)/8 = 2,963 A
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: IR1 = 0,07826 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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA + 15
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Решите

(VA − 9)/10 + VA/30 + (VA + 15)/4 = 6
VA·(1/10 + 1/30 + 1/4) = 6 + 9/10 − 15/4 = 3,15
VA = 3,15/0,3833 = 8,217 V
VB = 23,22 V

Ток через R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 8,217)/10 = 0,07826 A

Ответ

IR1 = 0,07826 A

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

5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,5368 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​ = 20 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​24 VR3​10 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
20·I1 + 10(I1 − I2) = 24
30·I1 − 10·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 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 16·I2 = −18

Решите

Δ = (30)(16) − (−10)(−10) = 380
I1 = Δ1/Δ = 204/380 = 0,5368 A
I2 = Δ2/Δ = −300/380 = −0,7895 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,5368 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR2 = −0,2771 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​ = 12 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​30 ΩAR5​25 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
12·I1 + 30(I1 − I2) = 6
42·I1 − 30·I2 = 6

ЗНК для контура 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 30(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 80·I2 − 25·I3 = 0

ЗНК для контура 3

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

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
20·I3 + 25(I3 − I2) = (−30)
−25·I2 + 45·I3 = −30

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 84450
I1 = Δ1/Δ = −4650/84450 = −0,05506 A
I2 = Δ2/Δ = −23400/84450 = −0,2771 A
I3 = Δ3/Δ = −69300/84450 = −0,8206 A

Ответ

IR2 = I2 = −0,2771 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR2 = −14,55 V

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

R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBОБРЫВ

Случай 1 · действует только V1

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

R3+R4 = 8+10 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·18/(12+18) = 7,2 Ω
VA = 10·7,2/(6+7,2) = 5,455 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,455·10/18 = 3,03 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 5,455 = −5,455 V
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​12 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.

R1 ∥ R2 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 12 = 5,455 Ω
VB = Is·Req = 5·5,455 = 27,27 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 27,27·4/12 = 9,091 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 9,091 = −9,091 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−5,455) + (−9,091) = −14,55 V

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

8.Метод наложения

Ответ: VR3 = −3 V

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

R1​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​36 VR3​15 ΩAОБРЫВBКЗ

Случай 1 · действует только V1

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

R3 ∥ (R2+R4) = 15 ∥ 4 = 3,158 Ω
VA = 36·3,158/(30+3,158) = 3,429 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,429·2/4 = 1,714 V
VR3′ = VA − 0 = 3,429 − 0 = 3,429 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​15 ΩAIs​1,5 ABКЗ

Случай 2 · действует только Is

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

R1 ∥ R3 = 10 Ω, поэтому левый путь — R2+10 = 12 Ω
Req = R4 ∥ 12 = 1,714 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·1,714 = −2,571 V
VA = VB·10/12 = −2,143 V
VR3″ = VA − 0 = −2,143 − 0 = −2,143 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 ΩКЗR3​15 ΩAОБРЫВB−+V2​6 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 = 30·15/(30+15) = 10 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·12/14 = −5,143 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5,143·10/12 = −4,286 V
VR3‴ = VA − 0 = −4,286 − 0 = −4,286 V

Сложите составляющие

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 3,429 + (−2,143) + (−4,286) = −3 V

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

9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 6 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.

R1​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 20 = 30 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·20/(20+20) = 6 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IN = 2,436 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​ = 30 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​12 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 15 = 23,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​2 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) = 10,29 + 2·8,571 = 27,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,43 + 2·15 = 57,43 V
IN​2,436 ARth​23,57 Ωab

Эквивалент Нортона

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

IN = Vth/Rth = 57,43/23,57 = 2,436 A
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,154 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 и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 68 mH / 100 Ω = 0,68 ms
i(∞) = Vs/R = 20/100 = 0,2 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,2·(1 − e−1/0,68) = 0,154 A

Ответ

i = 0,154 A
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: vC = 1,556 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 напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

vC(0) = 24·1/(6,8 + 1) = 3,077 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R2·C = 1·22 = 22 ms

Разряд

vC(t) = 3,077·e−15/22 = 1,556 V

Ответ

vC = 1,556 V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: φ = 57,86 °

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

XL = ωL = 2π·100·0,05 = 31,42 Ω

Токи ветвей

Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.

IR = V/R = 50/50 = 1 A
IX = V/XL = 50/31,42 = 1,592 A

Общий ток

Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.

I = √(IR² + IX²) = √(1² + 1,592²) = 1,88 A

Угол сдвига фаз

Ток катушки отстаёт от V, поэтому общий ток отстаёт и угол положителен.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(1,592/1) = 57,86°

Ответ

φ = 57,86°
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 1,299 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Полное сопротивление

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (91,8)²) = 92,34 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 120/92,34 = 1,299 A

Ответ

I = 1,299 A
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: P = 1843 W

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

Ток

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A

Активная мощность

P = I²·R = 9,6²·20 = 1843 W

Ответ

P = 1843 W
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: Inew = 199,6 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 = 45·tan(53,13°) = 60 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 50,86 kvar

Новый ток линии

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(230·0,98) = 199,6 A

Ответ

Inew = 199,6 A
17.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 3,072 kW

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Фазное напряжение

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Фазный ток

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 120,1/13 = 9,238 A

Полная активная мощность

Активную мощность потребляет только активная составляющая каждого сопротивления.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·12 = 3,072 kW

Ответ

P = 3,072 kW

Проверка: cos φ = R/|Z| = 0,9231, и √3·VL·IL·cos φ даёт ту же мощность.

18.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 906,8 µF

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

Реактивная мощность до и после

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

Q1 = 250·tan(acos 0,8) = 250·0,75 = 187,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 136,7 kvar

Ёмкость на фазу

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

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 45578/(314,2·400²) = 906,8 µF

Ответ

Cph = 906,8 µF
19.Трансформаторы

Ответ: ILV = 62,5 A

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

Номинальный ток

Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.

ILV = S/V = 15000/240 = 62,5 A

Ответ

ILV = 62,5 A
20.Трансформаторы

Ответ: Pcu,fl = 3662 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.

Выходная и потребляемая мощность

Pout = 500·0,85 = 425 kW
Pin = 425000/0,988 = 430162 W

Суммарные потери и потери в меди

Ploss = 430162 − 425000 = 5162 W
Pcu,fl = 5162 − 1500 = 3662 W

Ответ

Pcu,fl = 3662 W
21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 6,6 V

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

Инвертирующий вход повторяет вход

V₋ = V₊ = 0,6 V
I = V₋/R1 = 0,6/1 = 0,6 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,6 + 0,6·10 = 6,6 V

Ответ

Vout = 6,6 V
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = 0,7426 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.

Входные токи

V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.

I1 = V1/R1 = −2/47 = −0,04255 mA
I2 = V2/R2 = −1,4/2 = −0,7 mA
If = I1 + I2 = −0,7426 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −1·(−0,7426) = 0,7426 V

Ответ

Vout = 0,7426 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: IC = 1,395 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)/820 kΩ = 17,44 µA

Ток коллектора

IC = β·IB = 80·17,44 µA = 1,395 mA

Ответ

IC = 1,395 mA

Проверка: VCE = 12,91 V заметно больше 0,2 V, значит, транзистор действительно в активном режиме.

24.Диоды и транзисторы

Ответ: PZ,max = 187 mW

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 стабилитрона в худшем случае

IZ = 9,9/270 = 36,67 mA

Мощность стабилитрона

PZ = 5,1·36,67 = 187 mW

Ответ

PZ,max = 187 mW
25.Системы счисления

Ответ: U = 162

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

94 = 0101 1110
инвертировано: 1010 0001
+1 → 1010 0010

Прочитайте как беззнаковое

1010 0010₂ = 256 − 94 = 162

Ответ

U = 162
26.Системы счисления

Ответ: b = 11 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

210 = 1024 < 2039
211 = 2048 ≥ 2039

Ответ

b = 11
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 3

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.

ABC00011110011001131204151706

Сгруппируйте единицы

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

BC
A′C′
AC

Минимальная форма SOP

F = BC + A′C′ + AC
N = 3

Ответ

N = 3

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

28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: fout = 3 kHz

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.

Деление частоты

fout = 12 kHz / 4 = 3 kHz

Ответ

fout = 3 kHz
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.2) = 2,085

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

Простые дроби

3s + 13 = 3(s + 3) + 4
F(s) = 3/(s + 3) + 4/(s + 3)²

Обратное преобразование

f(t) = 3·e−3t + 4·t·e−3t
f(0,2) = (3 + 4·0,2)·e−3·0,2 = 2,085

Ответ

f(0,2) = 2,085
30.Преобразования Лапласа

Ответ: g(0.3) = 2,891

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

Передаточная функция

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 13)/(s² + 4s + 3)

Простые дроби

s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
A = 5, B = −2

Импульсная характеристика

g(t) = 5·e−t − 2·e−3t
g(0,3) = 2,891

Ответ

g(0,3) = 2,891
31.Структурные схемы

Ответ: T(0) = 0,7692

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

Внутренний контур

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 10/(s + 8 + 10·4) = 10/(s + 48)

Внешний контур

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 160/(s + 48 + 160) = 160/(s + 208)

Результат

T(0) = 160/208 = 0,7692

Ответ

T(0) = 0,7692
32.Структурные схемы

Ответ: K = 118,8

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).

Реакция на возмущение

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 2·5/(6 + 5K)

Решите относительно K

6 + 5K = 2·5/0,01667 = 600
K = (600 − 6)/5 = 118,8

Ответ

K = 118,8
33.Переходная характеристика

Ответ: ts = 2 s

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

Сравните со стандартной формой

Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 44 → ωₙ = 6,633 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6,633) = 0,3015

Результат

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

Ответ

ts = 2 s
34.Переходная характеристика

Ответ: %OS = 50,56 %

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

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1 × 10⁻⁴) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (6/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,02) = 0,2121

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 50,56 %

Ответ

%OS = 50,56 %
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −19,82 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 среза

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·4,7 × 10⁻⁹) = 64475 rad/s
fc = 10261 Hz → f/fc = 100000/10261 = 9,745

Коэффициент усиления

|H| = 1/√(1 + 9,745²) = 0,1021
20·log₁₀(0,1021) = −19,82 dB

Ответ

|H| = −19,82 dB
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: K = 421

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/8) = 1 → ω180 = √(7·8) = 7,483 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 64)) = K/(7·8·(7 + 8)) = K/840

Требуемое усиление

840/K = 106/20 = 1,995
K = 840/1,995 = 421

Ответ

K = 421
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmin = 2,5

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 − 1)(s + 5) + K(s + 2) = s² + (4 + K)s + (2K − 5)

Условия

Для s² + c₁s + c₀ все корни лежат в левой полуплоскости ровно тогда, когда c₁ > 0 и c₀ > 0.

4 + K > 0 → K > −4
2K − 5 > 0 → K > 2,5
Kmin = 2,5

Ответ

Kmin = 2,5
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: K = 1

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.

Точка отрыва

Для K = −(s + 6)(s + 8) равенство dK/ds = 0 даёт 2s + 14 = 0.

sb = −7

Условие по модулю

K = |−7 + 6|·|−7 + 8| = 1·1 = 1

Ответ

K = 1

При этом коэффициенте усиления замкнутая система критически демпфирована (ζ = 1).

39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,25

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 скоростной ошибки

Kv = lim s·G(s) = 4

Ошибка по линейному воздействию

ess = 1/4 = 0,25

Ответ

ess = 0,25
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 16

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

Коэффициент скоростной ошибки

s·C(s) = 5s + 0,5 → 0,5 при s → 0.

Kv = 0,5·5/20 = 0,125

Ошибка по линейному воздействию

ess = 2/0,125 = 16

Ответ

ess = 16

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

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