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 ток IR2 через R2.
V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
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 VA (относительно земли).
Is = 1 AVs = 3 VR1 = 8 ΩR2 = 8 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 5,5 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).
Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.
V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
Через катушку течёт установившийся ток 2,5 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение vR на R при t = 10 ms.
i(0) = 2,5 AR = 10 ΩL = 150 mHt = 10 ms
vR = V
12.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 80 ms.
Vs = 9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 4,7 kΩC = 47 µFt = 80 ms
vC = V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Резистор и катушка включены параллельно в сеть 12 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.
V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 200 mH
I = A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение напряжения VC на конденсаторе.
V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 10 µF
VC = V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
Однофазный двигатель потребляет 4 kW при коэффициенте мощности 0,6 (индуктивном) от сети 230 V. Найдите реактивную мощность Q, которую он потребляет.
P = 4 kWpf = 0,6V = 230 V
Q = kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
Однофазная нагрузка потребляет 5 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном) от сети 230 V, 50 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите новый ток линии Inew.
P = 5 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.Трёхфазная мощностьСредняя
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 15 A от сети с линейным напряжением 480 V. Коэффициент мощности 0,88 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.
VL = 480 VIL = 15 Acos φ = 0,88
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 100 kW при коэффициенте мощности 0,75 (отстающий) от сети 415 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,92 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены треугольником. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.
P = 100 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
К первичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 20:1 приложено 4800 V. К вторичной обмотке подключён резистор 10 Ω. Найдите первичный ток I1.
N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.ТрансформаторыСложная
Однофазный трансформатор 200 kVA имеет потери в стали 1200 W и потери в меди 2400 W при номинальной нагрузке. Он отдаёт 50% номинальной мощности в kVA при коэффициенте мощности 0,9 (отстающий). Найдите суммарные потери Ploss в ваттах при этой нагрузке.
NPN-транзистор с β = 120 смещён делителем напряжения от VCC = 15 V: R₁ = 33 kΩ от VCC к базе и R₂ = 15 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 3,3 kΩ, резистор эмиттера RE = 1,5 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.
NPN-транзистор с β = 80 коммутирует нагрузочный резистор 470 Ω, включённый между VCC = 9 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы RB = 3,3 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Найдите ток коллектора IC в mA при высоком уровне на входе. Сначала определите, насыщен ли транзистор.
Установите биты так, чтобы они хранили −89 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?
N = −898 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
Установите биты в 8-битный результат операции 1111 0001 << 2. Чему равно значение результата R в десятичной системе?
1111 0001<< 2
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
У мультиплексора 4 в 1 адресные входы S₁ = A и S₀ = B, а информационные входы подключены так: I₀ = C′, I₁ = 1, I₂ = C, I₃ = C. Для скольких из 8 комбинаций A, B и C выход F = 1? Найдите N.
I₀ = C′I₁ = 1I₂ = CI₃ = C
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер JK, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы. Нажмите на первый фронт тактового сигнала, на котором Q возвращается из 1 в 0.
Q₀ = 0JK
1фронт тактового сигнала 1
2фронт тактового сигнала 2
3фронт тактового сигнала 3
4фронт тактового сигнала 4
5фронт тактового сигнала 5
6фронт тактового сигнала 6
29.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (4s + 31)/(s² + 4s + 4) и вычислите f(0,2).
F(s) = (4s + 31)/(s² + 4s + 4)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 5y′ + 4y = 0 при y(0) = 6 и y′(0) = −3 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,8).
y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 6y′(0) = −3t = 0,8 s
y(0.8) =
31.Структурные схемыСредняя
Объект G(s) = 33/(s + 4) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 0,5. Найдите постоянную времени τ замкнутой системы.
G(s) = 33/(s + 4)H = 0,5
τ = s
32.Структурные схемыСложная
Упростите структурную схему, где G₁ = 12/(s + 3), G₂ = 1/(s + 4), внутренняя отрицательная обратная связь H₁ = 1 охватывает G₂, а внешняя отрицательная обратная связь H₂ = 1. Найдите статический коэффициент передачи T(0) C(s)/R(s).
G₁ = 12/(s + 3)G₂ = 1/(s + 4)H₁ = 1H₂ = 1
T(0) =
33.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 16,5/(s² + 8s + 33) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 16,5/(s² + 8s + 33)
%OS = %
34.Переходная характеристикаСложная
У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 85/(s(s + 2)). Найдите время установления ts переходной характеристики замкнутой системы по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 85/(s(s + 2))
ts = s
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 300/((s + 4)(s + 5)) при ω = 3 rad/s в dB.
G(s) = 300/((s + 4)(s + 5))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 336/(s(s + 6)(s + 8)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 336/(s(s + 6)(s + 8))
GM = dB
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме имеет отрицательную обратную связь, L(s) = 990/(s(s + 5)(s + 6)). Сколько полюсов N замкнутой системы лежит в правой полуплоскости?
L(s) = 990/(s(s + 5)(s + 6))
N =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Корневой годограф L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10)) покидает вещественную ось между s = 0 и s = −6. Найдите точку отрыва sb.
L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))
sb =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 4)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 2t с установившейся ошибкой 0,1. Найдите коэффициент усиления K.
G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 2tess = 0,1
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 20·21/(20+21) = 10,24 Ω
Req = R1 + 10,24 = 10 + 10,24 = 20,24 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/20,24 = 0,4446 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,4446·10 = 4,554 V
IR2 = VA/R2 = 4,554/20 = 0,2277 A
Ответ
IR2 = 0,2277 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,2054 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 = 10 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 1,765 Ω
R3 + 1,765 = 26,76 Ω
R2 ∥ 26,76 = 4,213 Ω
Req = R1 + 4,213 = 25 + 4,213 = 29,21 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/29,21 = 0,2054 A
Ответ
IR1 = 0,2054 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 2,5 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 + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is
Решите
VA/8 + (VA + 3)/8 = 1
VA = (1 − 3/8)/(1/8 + 1/8) = 2,5 V
VB = 2,5 + 3 = 5,5 V
Ответ
VA = 2,5 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: Is = 4,224 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
ЗТК в узле A
VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(5,5 − 10)/25 + 5,5/3 = (VB − 5,5)/20
1,653 = (VB − 5,5)/20 → VB = 38,57 V
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (38,57 − 5,5)/20 + 38,57/15 = 4,224 A
Ответ
Is = 4,224 A
5.Метод контурных токов
Ответ: I1 = 1,125 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 18
14·I1 − 10·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 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 30·I2 = −18
Решите
Δ = (14)(30) − (−10)(−10) = 320
I1 = Δ1/Δ = 360/320 = 1,125 A
I2 = Δ2/Δ = −72/320 = −0,225 A
Ответ
I1 = 1,125 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR3 = −6,552 V
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, 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
2·I1 + 10(I1 − I2) = 9
12·I1 − 10·I2 = 9
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 10(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 36·I2 − 20·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
12·I3 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 32·I3 = −15
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 5824
I1 = Δ1/Δ = 3768/5824 = 0,647 A
I2 = Δ2/Δ = −720/5824 = −0,1236 A
I3 = Δ3/Δ = −3180/5824 = −0,546 A
Ответ
IR3 = I3 = −0,546 A
VR3 = IR3·R3 = −0,546·12 = −6,552 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR2 = −14,16 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 15+8 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·23/(20+23) = 10,7 Ω
VA = 10·10,7/(10+10,7) = 5,169 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,169·8/23 = 1,798 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 5,169 = −5,169 V
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 21,67 = 5,843 Ω
VB = Is·Req = 5·5,843 = 29,21 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 29,21·6,667/21,67 = 8,989 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 8,989 = −8,989 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−5,169) + (−8,989) = −14,16 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: VR2 = 8,167 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 12 ∥ 8 = 4,8 Ω
VA = 10·4,8/(6+4,8) = 4,444 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,444·2/8 = 1,111 V
VR2′ = VB − VA = 1,111 − 4,444 = −3,333 V
Случай 2 · действует только Is
Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 4 Ω, поэтому левый путь — R2+4 = 10 Ω
Req = R4 ∥ 10 = 1,667 Ω
VB = Is·Req = 4·1,667 = 6,667 V
VA = VB·4/10 = 2,667 V
VR2″ = VB − VA = 6,667 − 2,667 = 4 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·10/12 = 12,5 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 12,5·4/10 = 5 V
VR2‴ = VB − VA = 12,5 − 5 = 7,5 V
Сложите составляющие
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−3,333) + 4 + 7,5 = 8,167 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 10 Ω
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 6 = 10 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = 2,113 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 = 25·3/(25+3) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 20 = 22,68 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) = 2,571 + 2·2,679 = 7,929 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,929 + 2·20 = 47,93 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = 47,93/22,68 = 2,113 A
11.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vR = 12,84 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.
Постоянная времени
τ = L/R = 150 mH / 10 Ω = 15 ms
Убывание тока
i(t) = 2,5·e−10/15 = 1,284 A
vR = R·i = 10·1,284 = 12,84 V
Ответ
vR = 12,84 V
12.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 3,133 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.
vC(0) = 9·4,7/(4,7 + 4,7) = 4,5 V
Постоянная времени после размыкания ключа
τ = R2·C = 4,7·47 = 220,9 ms
Разряд
vC(t) = 4,5·e−80/220,9 = 3,133 V
Ответ
vC = 3,133 V
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: I = 0,4305 A
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Реактивное сопротивление
XL = ωL = 2π·60·0,2 = 75,4 Ω
Токи ветвей
Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.
IR = V/R = 12/30 = 0,4 A
IX = V/XL = 12/75,4 = 0,1592 A
Общий ток
Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.
I = √(IR² + IX²) = √(0,4² + 0,1592²) = 0,4305 A
Ответ
I = 0,4305 A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды
Ответ: VC = 75,46 V
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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω
Полное сопротивление
При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(XL − XC).
Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.
I = V/|Z| = 50/52,73 = 0,9482 A
Напряжение на конденсаторе
VC = I·XC = 0,9482·79,58 = 75,46 V
Ответ
VC = 75,46 V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Q = 5,333 kvar
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.
Угол
φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333
Реактивная мощность
Q = P·tan φ = 4·1,333 = 5,333 kvar
Ответ
Q = 5,333 kvar
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности
Ответ: Inew = 23,63 A
Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.
Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(36,87°) = 3,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(23,07°) = 2,13 kvar
QC = Q1 − Q2 = 1,62 kvar
Новый ток линии
Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(230·0,92) = 23,63 A
Ответ
Inew = 23,63 A
17.Трёхфазная мощность
Ответ: P = 10,97 kW
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Полная мощность
S = √3·VL·IL = √3·480·15 = 12,47 kVA
Активная мощность
P = S·cos φ = 12,47·0,88 = 10,97 kW
Ответ
P = 10,97 kW
18.Трёхфазная мощность
Ответ: Cph = 234,1 µF
Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.
Реактивная мощность до и после
Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.
Q1 = 100·tan(acos 0,75) = 100·0,8819 = 88,19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar
Реактивная мощность конденсаторов
QC = Q1 − Q2 = 45,59 kvar
Ёмкость на фазу
В батарее, соединённой треугольником, каждый конденсатор включён между двумя линейными проводами.
V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15197/(377·415²) = 234,1 µF
Ответ
Cph = 234,1 µF
19.Трансформаторы
Ответ: I1 = 1,2 A
Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.
Вторичные напряжение и ток
V2 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/10 = 24 A
Первичный ток
Идеальный трансформатор не имеет потерь: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 1,2 A
Ответ
I1 = 1,2 A
Проверка: нагрузка со стороны первичной обмотки равна a²·RL = 4000 Ω, и 4800/4000 даёт тот же ток.
20.Трансформаторы
Ответ: Ploss = 1800 W
Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.
Потери в меди при этой нагрузке
Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·2400 = 600 W
Суммарные потери
Потери в стали одинаковы при любой нагрузке.
Ploss = 1200 + 600 = 1800 W
Ответ
Ploss = 1800 W
КПД при этой нагрузке η = 98,04%.
21.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 10,83 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 1,9 V
I = V₋/R1 = 1,9/1 = 1,9 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,9 + 1,9·4,7 = 10,83 V
Ответ
Vout = 10,83 V
22.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −1,431 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 0,1/22 = 0,004545 mA
I2 = V2/R2 = 0,6/2 = 0,3 mA
If = I1 + I2 = 0,3045 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −4,7·0,3045 = −1,431 V
Ответ
Vout = −1,431 V
23.Диоды и транзисторы
Ответ: VCE = 2,995 V
Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме VBE = 0,7 V, IC = β·IB и IE = (β + 1)·IB. Найдите IB из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем IC, затем VCE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = 15·15/(33 + 15) = 4,688 V
RTH = 33·15/(33 + 15) = 10,31 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (4,688 − 0,7)/(10,31 + 121·1,5) = 20,79 µA
Ток коллектора
IC = 120·20,79 µA = 2,495 mA
IE = 121·20,79 µA = 2,515 mA
Напряжение коллектор–эмиттер
VCE = 15 − 2,495·3,3 − 2,515·1,5 = 2,995 V
Ответ
VCE = 2,995 V
24.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 18,72 mA
Биполярный транзистор как ключ: чтобы полностью включить нагрузку, транзистор вводят в насыщение, где VCE = VCE(sat), а ток коллектора определяется нагрузкой: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насыщения нужен ток базы не менее IB = IC(sat)/β. Если ток базы меньше, транзистор остаётся в активном режиме, и IC = β·IB.
Ток базы
IB = (5 − 0,7)/3,3 kΩ = 1303 µA
Насыщение или активный режим?
β·IB больше IC(sat), поэтому транзистор насыщается.
β·IB = 104,2 mA
IC(sat) = (9 − 0,2)/470 = 18,72 mA
Ток коллектора
IC = IC(sat) = 18,72 mA
Ответ
IC = 18,72 mA
Транзистор насыщен.
25.Системы счисления
Ответ: U = 167
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
89 = 0101 1001
инвертировано: 1010 0110
+1 → 1010 0111
Прочитайте как беззнаковое
1010 0111₂ = 256 − 89 = 167
Ответ
U = 167
26.Системы счисления
Ответ: R = 196
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
Сдвиг влево на 2 перемещает каждый бит на 2 позиций влево; биты, выходящие за левый край, теряются, а справа входят нули.
1111 0001 << 2
= 1100 0100
Значение результата
1100 0100₂ = 196
Ответ
R = 196
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 5
Мультиплексор: мультиплексор 2ⁿ в 1 передаёт на выход один из своих информационных входов; адресные входы, читаемые как двоичное число, выбирают, какой именно. Для мультиплексора 4 в 1 с адресами S₁S₀ = AB: F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Если подключить информационные входы к 0, 1, C или C′, мультиплексор реализует любую функцию от A, B и C, что — распространённый способ построить логику на одной микросхеме.
Выражение выхода
F = A′B′C′ + A′B + AB′C + ABC
Строки с F = 1
ABC = 000, 010, 011, 101, 111
N = 5
Ответ
N = 5
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: фронт тактового сигнала 5
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Разложение знаменателя на множители
s² + 4s + 4 = (s + 2)²
Простые дроби
4s + 31 = 4(s + 2) + 23
F(s) = 4/(s + 2) + 23/(s + 2)²
Обратное преобразование
f(t) = 4·e−2t + 23·t·e−2t
f(0,2) = (4 + 23·0,2)·e−2·0,2 = 5,765
Ответ
f(0,2) = 5,765
30.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.8) = 3,105
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 − (−3) + 5(sY − 6) + 4Y = 0
Y(s) = (6s + 27)/((s + 1)(s + 4))
Простые дроби
A = 21/3 = 7
B = 3/(−3) = −1
Результат
y(t) = 7·e−t − e−4t
y(0,8) = 3,105
Ответ
y(0,8) = 3,105
Проверка: y(0) = A + B = 6.
31.Структурные схемы
Ответ: τ = 0,04878 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).
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).
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 = 33 → ωₙ = 5,745 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5,745) = 0,6963
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,048 = 4,746 %
Ответ
%OS = 4,746 %
34.Переходная характеристика
Ответ: ts = 4 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)| = 20,25 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.
Характеристический полином
s³ + 11s² + 30s + 990 = 0
Таблица Рауса
s³: 1, 30
s²: 11, 990
s¹: −60
s⁰: 990
Смены знака в первом столбце
1 → 11 → −60 → 990
N = 2
Ответ
N = 2
Коэффициент усиления выше предела K = 330, поэтому комплексная пара перешла в правую полуплоскость.
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: sb = −2,427
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.
Коэффициент усиления вдоль вещественной оси
K(s) = −s(s + 6)(s + 10) = −(s³ + 16s² + 60s)
Стационарные точки
dK/ds = −(3s² + 32s + 60) = 0
s = (−32 ± √(1024 − 720))/6 = −2,427, −8,239
Выберите точку на годографе
Годограф лежит на вещественной оси между 0 и −6; другой корень годографу не принадлежит.
sb = −2,427
Ответ
sb = −2,427
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 80
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 = 2/0,1 = 20
Коэффициент усиления
K = 4·Kv = 80
Ответ
K = 80
Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,2236. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 3,125
П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).
Коэффициент скоростной ошибки
s·C(s) = 1s + 4 → 4 при s → 0.
Kv = 4·4/10 = 1,6
Ошибка по линейному воздействию
ess = 5/1,6 = 3,125
Ответ
ess = 3,125
ПИ-регулятор полностью устраняет ошибку по ступеньке; линейное воздействие отслеживается с постоянным отставанием.
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.