n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.
Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Тренировочные задачи
1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VB (относительно земли).
Is = 3 AVs = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 2 Ω
VB = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Используйте метод узловых потенциалов, чтобы найти ток IR4 через R4 в направлении стрелки.
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 150 ms.
Vs = 6 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 68 µFt = 150 ms
vC = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 17,5 V? Найдите t.
Vs = 20 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 15 V
t = ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).
V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 47 µF
φ = °
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательный RLC-контур имеет R = 20 Ω, L = 50 mH и C = 0,1 µF. Найдите его полосу пропускания B (ширину полосы между частотами половинной мощности) в Hz.
R = 20 ΩL = 50 mHC = 0,1 µF
B = Hz
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
К однофазной сети 400 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 12 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) и нагрузка 13 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазный трансформатор 200 kVA питает нагрузку 85 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?
Smax = 200 kVAP1 = 85 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 12 A от сети с линейным напряжением 415 V. Коэффициент мощности 0,82 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 415 VIL = 12 Acos φ = 0,82
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 100 kW при коэффициенте мощности 0,8 (отстающий) от сети 690 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.
P = 100 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
К вторичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 5:1 подключён резистор 8 Ω. Найдите сопротивление R1′ со стороны первичной обмотки.
N1:N2 = 5:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 25 kVA имеет потери в стали 150 W и потери в меди 450 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?
S = 25 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 450 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
ОУ идеальный и питается от источников ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. На неинвертирующий усилитель подаётся синусоидальный сигнал. Найдите наибольшую амплитуду входного сигнала Vin,max (пиковое значение), при которой выход не ограничивается.
R1 = 47 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = −1 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.
Vin = −1 VR = 1 kΩC = 4,7 µFVsat = ±12 V
t = ms
23.Диоды и транзисторыСредняя
Стабилизатор на стабилитроне 9,1 V питается от 18 V через 100 Ω и питает нагрузку 2200 Ω. Найдите ток стабилитрона IZ.
Vin = 18 VVZ = 9,1 VR = 100 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
Стабилизатор на стабилитроне 5,6 V имеет последовательный резистор 330 Ω. Входное напряжение может подниматься до 26 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность PZ,max, которую должен рассеивать стабилитрон.
Vin,max = 26 VVZ = 5,6 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
25.Системы счисленияСредняя
Установите биты так, чтобы они хранили −97 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?
N = −978 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
Установите биты в 8-битный результат операции 0001 0111 AND 0110 1011. Чему равно значение результата R в десятичной системе?
0001 0111AND0110 1011
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
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, 3, 6, 7, 9, 10, 11, 14)
1AB = 00, CD = 00
2AB = 00, CD = 01
3AB = 00, CD = 11
4AB = 00, CD = 10
5AB = 01, CD = 00
6AB = 01, CD = 01
7AB = 01, CD = 11
8AB = 01, CD = 10
9AB = 11, CD = 00
10AB = 11, CD = 01
11AB = 11, CD = 11
12AB = 11, CD = 10
13AB = 10, CD = 00
14AB = 10, CD = 01
15AB = 10, CD = 11
16AB = 10, CD = 10
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Найдите минимальную форму SOP для F(A, B, C, D) = Σm(3, 8, 9, 10, 11, 13) + d(7, 15), где d обозначает безразличные состояния. Сколько литералов, L, она содержит?
Найдите f(t) для F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 5)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,4).
F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 10y′ + 24y = 0 при y(0) = 6 и y′(0) = −15 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,25).
y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = 6y′(0) = −15t = 0,25 s
y(0.25) =
31.Структурные схемыСредняя
Объект G(s) = 28/(s + 2) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 0,1. На R подаётся ступенька величиной 12. Найдите установившееся значение выхода css.
G(s) = 28/(s + 2)H = 0,1R = 12
css =
32.Структурные схемыСложная
Объект G(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. При наибольшем устойчивом коэффициенте в контуре возникают колебания. Найдите частоту колебаний ω в rad/s.
Система имеет передаточную функцию G(s) = 174/(s² + 13s + 87) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
G(s) = 174/(s² + 13s + 87)
ζ =
34.Переходная характеристикаСложная
У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 175/(s(s + 12)). Найдите время установления ts переходной характеристики замкнутой системы по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 175/(s(s + 12))
ts = s
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 480/((s + 5)(s + 8)) при ω = 3 rad/s в dB.
G(s) = 480/((s + 5)(s + 8))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8)). Найдите коэффициент усиления K, который даёт запас по усилению 10 dB.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))GM = 10 dB
K =
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Коэффициент усиления повышают до тех пор, пока замкнутая система не окажется на границе устойчивости. Найдите частоту ω незатухающих колебаний.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))
ω = rad/s
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K/(s(s + 6)(s + 4)(s + 10)). Найдите точку σa, в которой асимптоты корневого годографа пересекают вещественную ось.
L(s) = K/(s(s + 6)(s + 4)(s + 10))
σa =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 5)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 5t с установившейся ошибкой 0,05. Найдите коэффициент усиления K.
G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 5tess = 0,05
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 2)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите коэффициент усиления K, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,707.
G(s) = 1/(s(s + 2))ζ = 0,707
K =
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 4,609 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 8 + 12 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R1 + 2,609 = 2 + 2,609 = 4,609 Ω
Ответ
Req = 4,609 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 2,259 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 20 + 15 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 3,59 Ω
R3 + 3,59 = 15,59 Ω
R2 ∥ 15,59 = 1,773 Ω
Req = R1 + 1,773 = 10 + 1,773 = 11,77 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/11,77 = 2,548 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,548·10 = 4,517 V
IR2 = VA/R2 = 4,517/2 = 2,259 A
Ответ
IR2 = 2,259 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 5,714 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
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 + Vs = VA + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/5 + (VA + 5)/2 = 3
VA = (3 − 5/2)/(1/5 + 1/2) = 0,7143 V
VB = 0,7143 + 5 = 5,714 V
Ответ
VB = 5,714 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 0,5719 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.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 V, V2 = 5 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/25 + (VA − 12)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0,59·VA − 0,5·VB = 0,6
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)/2 + (VB − 5)/25 = 2,5
−0,5·VA + 0,59·VB = 2,7
Решите
Δ = (0,59)(0,59) − (−0,5)(−0,5) = 0,0981
VA = Δ1/Δ = 1,704/0,0981 = 17,37 V
VB = Δ2/Δ = 1,893/0,0981 = 19,3 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (19,3 − 5)/25 = 0,5719 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I2 = −0,4615 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. 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 + 5(I1 − I2) = 6
10·I1 − 5·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 5(I2 − I1) = (−6)
−5·I1 + 9·I2 = −6
Решите
Δ = (10)(9) − (−5)(−5) = 65
I1 = Δ1/Δ = 24/65 = 0,3692 A
I2 = Δ2/Δ = −30/65 = −0,4615 A
Ответ
I2 = −0,4615 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 2,422 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
30·I1 + 5(I1 − I2) = 18
35·I1 − 5·I2 = 18
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 5(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 15·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
4·I3 + 6(I3 − I2) = (−30)
−6·I2 + 10·I3 = −30
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 3740
I1 = Δ1/Δ = 1152/3740 = 0,308 A
I2 = Δ2/Δ = −5400/3740 = −1,444 A
I3 = Δ3/Δ = −14460/3740 = −3,866 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 2,422 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR3 = −0,2431 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.
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+8 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
VA = 30·6,667/(4+6,667) = 18,75 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 18,75·8/12 = 12,5 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (12,5 − 18,75)/4 = −1,563 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 7,158 = 3,778 Ω
VB = Is·Req = 2,5·3,778 = 9,444 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,444·3,158/7,158 = 4,167 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (9,444 − 4,167)/4 = 1,319 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−1,563) + 1,319 = −0,2431 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: IR2 = −1,02 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.
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) = 8 ∥ 14 = 5,091 Ω
VA = 15·5,091/(4+5,091) = 8,4 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,4·12/14 = 7,2 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (8,4 − 7,2)/2 = 0,6 A
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 = 4,667 Ω
Req = R4 ∥ 4,667 = 3,36 Ω
VB = Is·Req = 3·3,36 = 10,08 V
VA = VB·2,667/4,667 = 5,76 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (5,76 − 10,08)/2 = −2,16 A
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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−9)·4,667/16,67 = −2,52 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −2,52·2,667/4,667 = −1,44 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−1,44 − −2,52)/2 = 0,54 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,6 + (−2,16) + 0,54 = −1,02 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,4412 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.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 6 = 12 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·12/(12+12) = 7,5 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 7,5/(12 + 5) = 0,4412 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: PL = 2,266 W
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 15 = 17,18 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,091 + 0,5·2,182 = 5,182 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,182 + 0,5·15 = 12,68 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 12,68/(17,18 + 12) = 0,4346 A
PL = IL²·RL = 0,4346²·12 = 2,266 W
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 0,8768 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.
Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·3,3/(10 + 3,3) = 2,481 kΩ
vC(∞) = 6·3,3/(10 + 3,3) = 1,489 V
Постоянная времени
τ = Rth·C = 2,481·68 = 168,7 ms
Кривая заряда
vC(t) = 1,489·(1 − e−150/168,7) = 0,8768 V
Ответ
vC = 0,8768 V
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 103,7 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.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
t = τ·ln((15 − 20)/(17,5 − 20)) = 149,6·ln(2) = 103,7 ms
Ответ
t = 103,7 ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: φ = −4,663 °
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивные сопротивления
ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,2 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Резонансная частота
f0 = 1/(2π·√(0,05·0,1·10⁻⁶)) = 2251 Hz
Добротность
Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: cos φ = 0,7758
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Реактивная мощность каждой нагрузки
Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).
Q1 = 12·tan(arccos 0,75) = 10,58 kvar
Q2 = 13·tan(arccos 0,8) = 9,75 kvar
Суммы
P = 12 + 13 = 25 kW
Q = 10,58 + 9,75 = 20,33 kvar
S = √(25² + 20,33²) = 32,22 kVA
Общий коэффициент мощности
cos φ = P/S = 25/32,22 = 0,7758 отстающий
Ответ
cos φ = 0,7758
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: ΔP = 107,9 kW
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 существующей нагрузки
Q1 = 85·tan(arccos 0,85) = 52,68 kvar
Наибольшая суммарная активная мощность
При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 52,68²) = 192,9 kW
Дополнительная активная мощность
ΔP = 192,9 − 85 = 107,9 kW
Ответ
ΔP = 107,9 kW
17.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 7,073 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 = √3·415·12 = 8,626 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 8,626·0,82 = 7,073 kW
Ответ
P = 7,073 kW
18.Трёхфазная мощность
Ответ: QC = 42,13 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 0,8) = 100·0,75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 42,13 kvar
Ответ
QC = 42,13 kvar
19.Трансформаторы
Ответ: R1′ = 200 Ω
Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.
Приведённое сопротивление
Напряжение растёт в a раз, а ток уменьшается в a раз, поэтому отношение V/I растёт в a² раз.
R1′ = a²·RL = 5²·8 = 200 Ω
Ответ
R1′ = 200 Ω
20.Трансформаторы
Ответ: Sη,max = 14,43 kVA
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.
Потери в меди равны потерям в стали
x²·450 = 150 → x = √(150/450) = 0,5774
Нагрузка при максимальном КПД
Sη,max = x·S = 0,5774·25 = 14,43 kVA
Ответ
Sη,max = 14,43 kVA
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vin,max = 3,837 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
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/47 = 3,128
Наибольший вход до ограничения
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/3,128 = 3,837 V
Ответ
Vin,max = 3,837 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: t = 56,4 ms
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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 1 kΩ · 4,7 µF = 4,7 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −(−1)/4,7 = 0,2128 V/ms
Время до насыщения
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·4,7/1 = 56,4 ms
Ответ
t = 56,4 ms
23.Диоды и транзисторы
Ответ: IZ = 84,86 mA
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 резистора
IR = 8,9/100 = 89 mA
Ток нагрузки
IL = 9,1/2200 = 4,136 mA
Ток стабилитрона
IZ = 89 − 4,136 = 84,86 mA
Ответ
IZ = 84,86 mA
24.Диоды и транзисторы
Ответ: PZ,max = 346,2 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 = 20,4/330 = 61,82 mA
Мощность стабилитрона
PZ = 5,6·61,82 = 346,2 mW
Ответ
PZ,max = 346,2 mW
25.Системы счисления
Ответ: U = 159
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
97 = 0110 0001
инвертировано: 1001 1110
+1 → 1001 1111
Прочитайте как беззнаковое
1001 1111₂ = 256 − 97 = 159
Ответ
U = 159
26.Системы счисления
Ответ: R = 3
Установка битов: каждый бит стоит степень двойки (128, 64, …, 1). Одна шестнадцатеричная цифра — это ровно четыре бита, а в 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128. Побитовые операции работают с каждой позицией бита отдельно.
Бит за битом
AND даёт 1 только там, где оба бита равны 1.
0001 0111
AND 0110 1011
= 0000 0011
Значение результата
0000 0011₂ = 3
Ответ
R = 3
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: AB = 00, CD = 00
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.
m0: m1, m2, m4, m8 → 0
Изолированная единица
m0 = A′B′C′D′ → AB = 00, CD = 00
Ответ
AB = 00, CD = 00
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: L = 6
Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.
Простые импликанты
Самые большие группы, которые можно образовать из единиц и X.
CD, AD, AB′
Минимальное покрытие
F = CD + AD + AB′
L = 6
Ответ
L = 6
29.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.4) = 0,3413
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 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
s²Y − 6s − (−15) + 10(sY − 6) + 24Y = 0
Y(s) = (6s + 45)/((s + 4)(s + 6))
Простые дроби
A = 21/2 = 10,5
B = 9/(−2) = −4,5
Результат
y(t) = 10,5·e−4t − 4,5·e−6t
y(0,25) = 2,859
Ответ
y(0,25) = 2,859
Проверка: y(0) = A + B = 6.
31.Структурные схемы
Ответ: css = 70
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).
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Характеристическое уравнение
s³ + 8s² + 17s + 10 + K = 0
Таблица Рауса
s³ | 1 17
s² | 8 10 + K
s¹ | (8·17 − 10 − K)/8
s⁰ | 10 + K
Граница устойчивости
Все элементы первого столбца должны быть положительными.
Kmax = 8·17 − 10 = 126
Частота колебаний
8·(jω)² + 10 + 126 = 0 → ω² = 136/8 = 17
ω = 4,123 rad/s
Ответ
ω = 4,123 rad/s
33.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,6969
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 = 87 → ωₙ = 9,327 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,327) = 0,6969
Результат
ζ = 0,6969
Ответ
ζ = 0,6969
34.Переходная характеристика
Ответ: ts = 0,6667 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).
Для этого контура ζωₙ = a/2 при любом K: увеличение K усиливает перерегулирование, но не сокращает время установления.
35.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |G(jω)| = 19,68 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.
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.
Таблица Рауса
s³ + 7s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K
Критический коэффициент усиления
K = 7·10 = 70
Вспомогательное уравнение
При критическом коэффициенте усиления строка s¹ равна нулю; строка s² даёт полюса на мнимой оси.
7s² + 70 = 0 → s = ±j√10
ω = 3,162 rad/s
Ответ
ω = 3,162 rad/s
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: σa = −5
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.
Полюса и нули
полюса: 0, −6, −4, −10
n − m = 4 − 0 = 4
Центр тяжести
σa = (−20)/4 = −5
Ответ
σa = −5
4 асимптоты выходят из центра под углами 45°, 135°, 225°, 315°.
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 500
Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.
Требуемый коэффициент скоростной ошибки
Kv = A/ess = 5/0,05 = 100
Коэффициент усиления
K = 5·Kv = 500
Ответ
K = 500
Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,1118. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 2,001
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 + 2) + 1K = s² + 2s + 1K
Собственная частота
2·0,707·ωₙ = 2 → ωₙ = 1,414 rad/s
Коэффициент усиления
1K = ωₙ² = 2,001 → K = 2,001
Ответ
K = 2,001
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.