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​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​12 ΩB

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
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩIR2​AR4​4 ΩBR6​15 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 ΩR5 = 20 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 5 VIs​3 AAR1​5 ΩR2​2 ΩB

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
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​12 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​2,5 A+−V2​5 V

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

V1 = 12 VIs = 2,5 AV2 = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩR5 = 20 Ω
IR4 = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
I2 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR4​5 ΩAR5​6 ΩIR5​B+−V2​30 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR5 через R5 в направлении стрелки.

V1 = 18 VV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 ΩR5 = 6 Ω
IR5 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBIs​2,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 30 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
8.Метод наложенияСложная
R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩIR2​R4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩAIs​3 AB−+V2​9 V

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

V1 = 15 VIs = 3 AV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩARL​5 ΩIL​B

К a–b подключена нагрузка RL = 5 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​0,5 ABRL​12 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 12 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​6 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3,3 kΩC68 µF+−vC​

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
+−Vs​20 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

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
12 V50 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 47 µF

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
VfR = 20 ΩL = 50 mHC = 0,1 µF

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
400 V112 kW, 0,75213 kW, 0,8I

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.

V = 400 VP1 = 12 kW, pf1 = 0,75 отстающийP2 = 13 kW, pf2 = 0,8 отстающий
cos φ =
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 85 kWQ1​S1​φ

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
ABCVL​ = 415 VIL​ = 12 Acos φ = 0,82отстающий

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
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

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
8 Ω51

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
25 kVA

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
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 47 kΩVin​

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
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = −1 VR = 1 kΩ

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
+−18 V100 Ω9,1 V2200 ΩIZ​ = ?

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
+−≤ 26 V330 Ω5,6 V

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
8-битный дополнительный код0−12806403201608040201

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
нажимайте на биты, чтобы установить их012806403201608040201

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
ABCD000111100001111011111111

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)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
ABCD0001111000011110000113020405X706012113X150141819111110

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?

F(A, B, C, D) = Σm(3, 8, 9, 10, 11, 13) + d(7, 15)
L =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

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
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

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
R(s)+28s + 2G(s)C(s)0,1H−

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
R(s)+K(s + 1)(s + 2)(s + 5)G(s)C(s)−

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.

G(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5))единичная отрицательная обратная связь
ω = rad/s
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)2

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
R(s)+175s(s + 12)G(s)C(s)−

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
|H| (dB)0,1110100−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

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
|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 + 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
R(s)+K1s(s + 2)(s + 5)C(s)−

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
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

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
r(t) = 5t+Ks(s + 5)C(s)−

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
R(s)+K1s(s + 2)C(s)−

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.

R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​12 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 = 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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBR6​15 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

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

R5 + R6 = 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.

R1​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​2,5 A+−V2​5 V

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.

R1​ = 5 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Задайте контурные токи

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

ЗНК для контура 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
5·I1 + 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.

R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR4​5 ΩAR5​6 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBОБРЫВ

Случай 1 · действует только V1

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

R3+R4 = 4+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
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​15 ΩAR4​8 ΩBIs​2,5 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 = 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.

R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​8 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) = 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
R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​8 ΩAIs​3 ABКЗ

Случай 2 · действует только Is

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

R1 ∥ R3 = 2,667 Ω, поэтому левый путь — R2+2,667 = 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
R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 ΩКЗR3​8 ΩAОБРЫВB−+V2​9 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 = 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.

R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩКЗR2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 6 = 12 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​12 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) = 15·12/(12+12) = 7,5 V
Rth​ = 12 Ω+−Vth​7,5 VRL​5 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

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

IL = Vth/(Rth + RL) = 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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​3 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 15 = 17,18 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​0,5 ABab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,091 + 0,5·2,182 = 5,182 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,182 + 0,5·15 = 12,68 V
Rth​ = 17,18 Ω+−Vth​12,68 VRL​12 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

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

IL = Vth/(Rth + RL) = 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.

vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 20 + (15 − 20)·e−t/τ

Выразите время

17,5 = 20 + (−5)·e−t/τ → e−t/τ = (17,5 − 20)/(15 − 20) = 0,5
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).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−4,894)²) = 60,2 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−4,894/60) = −4,663°

Ответ

φ = −4,663°
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: B = 63,66 Hz

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.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,05/(0,1·10⁻⁶)) = 35,36

Полоса пропускания

B = f0/Q = 2251/35,36 = 63,66 Hz

Ответ

B = 63,66 Hz
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
ABCD000111100001111011111111

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′
ABCD0001111000011110000113020405X706012113X150141819111110

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).

Простые дроби

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5)
A = 10/(2·5) = 1
B = 10/((−2)·3) = −1,667
C = 10/((−5)·(−3)) = 0,6667

Обратное преобразование

f(t) = 1 − 1,667·e−2t + 0,6667·e−5t

Вычислите

f(0,4) = 1 − 1,667·e−2·0,4 + 0,6667·e−5·0,4 = 0,3413

Ответ

f(0,4) = 0,3413
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.25) = 2,859

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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = G/(1 + G·H) = 28/(s + 2 + 2,8) = 28/(s + 4,8)

Результат

css = R·T(0) = 12·28/4,8 = 70

Ответ

css = 70
32.Структурные схемы

Ответ: ω = 4,123 rad/s

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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = 175/(s² + 12s + 175): ωₙ = 13,23 rad/s, ζ = 0,4536

Время установления

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,6667 s

Ответ

ts = 0,6667 s

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.

Перемножьте модули

|G(j3)| = 480/(√(3² + 5²)·√(3² + 8²)) = 480/(5,831·8,544) = 9,635

Результат

20·log₁₀(9,635) = 19,68 dB

Ответ

|G(jω)| = 19,68 dB
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: K = 22,77

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/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2,828 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 64)) = K/(1·8·(1 + 8)) = K/72

Требуемое усиление

72/K = 1010/20 = 3,162
K = 72/3,162 = 22,77

Ответ

K = 22,77
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: ω = 3,162 rad/s

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.

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