Підготовка до іспиту FE Electrical and Computer: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 40 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Послідовні й паралельні резистори

Послідовне з’єднання резисторів
Req = R1 + R2 + …
Паралельне з’єднання резисторів
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два паралельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Потужність
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Почніть з кінця мережі, найдальшого від затискачів.
  2. Послідовні резистори об’єднуйте додаванням, паралельні — за 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Перемальовуйте коло після кожного кроку.
  4. Повторюйте, доки між затискачами не залишиться один резистор.

Метод вузлових потенціалів

Закон струмів Кірхгофа
ΣIin = ΣIout
Струм гілки
I = (Va − Vb)/R
Опорний вузол
Vground = 0

Метод

  1. Оберіть опорний вузол (землю) і позначте напруги інших вузлів.
  2. Запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла: струми, що витікають через гілки, дорівнюють струмам, що втікають.
  3. Виразіть кожен струм гілки як (Va − Vb)/R.
  4. Розв’яжіть систему рівнянь, потім знайдіть потрібний струм.

Метод контурних струмів

Закон напруг Кірхгофа
ΣV = 0 у кожному контурі
Спільний резистор
струм = I1 − I2
Джерело струму в контурі
задає струм цього контуру

Метод

  1. Задайте струм за годинниковою стрілкою в кожному контурі (вікні) кола.
  2. Застосуйте закон напруг Кірхгофа до кожного контуру: сума спадів напруги дорівнює нулю.
  3. У резисторі, спільному для двох контурів, струм дорівнює різниці двох контурних струмів.
  4. Розв’яжіть рівняння; від’ємний результат означає, що струм тече в протилежному напрямку.

Метод накладання

Метод накладання
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Вимкнене джерело напруги
коротке замикання (0 V)
Вимкнене джерело струму
розрив (0 A)
Подільник напруги
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Подільник струму
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Метод

  1. Порахуйте незалежні джерела. Для кожного джерела ви розв’яжете одне простіше коло.
  2. Залиште одне джерело й вимкніть інші: джерело напруги стає коротким замиканням (провідником), джерело струму — розривом.
  3. Розв’яжіть простіше коло щодо потрібної напруги чи струму, стежачи за напрямком.
  4. Повторіть для кожного джерела, потім додайте внески з урахуванням знаків.

Тевенен і Нортон

Напруга Тевенена
Vth = Vopen circuit
Опір Тевенена
Rth: усі джерела вимкнені, з боку a–b
Струм Нортона
IN = Vth/Rth
Струм навантаження
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальної потужності
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Від’єднайте навантаження й позначте два затискачі a і b.
  2. Знайдіть напругу холостого ходу між a і b: це Vth.
  3. Вимкніть усі незалежні джерела й знайдіть опір з боку a–b: це Rth.
  4. Поверніть навантаження до еквівалентної схеми: Vth послідовно з Rth.
  5. Для еквівалента Нортона перетворіть: IN = Vth/Rth, з паралельним RN = Rth.

Перехідні процеси RC і RL

Стала часу
τ = RC | τ = L/R
Відгук
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постійному струмі
розрив; vC не може змінитися стрибком
Котушка на постійному струмі
коротке замикання; iL не може змінитися стрибком
Усталений режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Знайдіть початкове значення одразу після комутації: напруга на конденсаторі й струм через котушку не можуть змінитися стрибком.
  2. Знайдіть кінцеве значення через довгий час після комутації: конденсатор поводиться як розрив, котушка — як коротке замикання.
  3. Знайдіть сталу часу: τ = RC або τ = L/R, використовуючи опір з боку конденсатора чи котушки.
  4. Використайте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Повний опір і комплексні амплітуди

Повні опори
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Кутова частота
ω = 2πf
Модуль і кут
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексній формі
V = I·Z

Метод

  1. Переведіть частоту: ω = 2πf.
  2. Знайдіть кожен реактивний опір: XL = ωL і XC = 1/(ωC).
  3. Додавайте опори як резистори, з Z = R + jX.
  4. Знайдіть модуль |Z| = √(R² + X²) і кут φ = atan(X/R), потім застосуйте закон Ома для комплексних амплітуд.

Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Активна потужність
P = V·I·cos φ
Реактивна потужність
Q = V·I·sin φ
Повна потужність
S = V·I = √(P² + Q²)
Коефіцієнт потужності
pf = cos φ = P/S
Компенсувальний конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трифазні системи

З’єднання зіркою (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
З’єднання трикутником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Сумарна активна потужність
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Повна й реактивна потужність
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсувальні конденсатори
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напруга на кожному конденсаторі
Δ: VL Y: VL/√3
Вхідна потужність двигуна
Pin = Pout/η

Трансформатори

Коефіцієнт трансформації
a = N1/N2 = V1/V2
Відношення струмів
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Номінальний струм
I = S/V
Зведений опір
Z1′ = a²·ZL
Втрати в міді при неповному навантаженні
Pcu = x²·Pcu,fl
ККД
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Максимальний ККД
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Схеми з операційними підсилювачами

Інвертувальний підсилювач
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неінвертувальний підсилювач
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Сумувальний підсилювач
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Ідеальний ОП
V+ = V−, Iin = 0

Діоди й транзистори

Діод (постійний спад)
VD = 0,7 V when conducting
Активний режим
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Фіксоване зміщення
IB = (VCC − 0,7)/RB
Зміщення дільником
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Еквівалент Тевенена дільника
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Колекторний контур
VCE = VCC − ICRC − IERE
Насичення
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Системи числення

Ваги розрядів
двійкова 2k, вісімкова 8k, шістнадцяткова 16k
У десяткову
Σ dk·bk
З десяткової
діліть на основу, остачі читайте знизу вгору
Шістнадцяткова ↔ двійкова
одна шістнадцяткова цифра = 4 біти
Додатковий код
інвертуйте біти й додайте 1

Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери

Базові вентилі
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевої алгебри
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Закони де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карті Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Група з 2ᵏ клітинок
втрачає k змінних
Мультиплексор 4-до-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Тригери
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Лічильники
n-розрядний: 2ⁿ станів; за модулем N: найменше n з 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Послідовний лічильник
fmax = 1/(n·tpd)
Кільцевий лічильник і лічильник Джонсона
n і 2n станів

Метод

  1. Для схеми рухайтеся від входів до виходу вентиль за вентилем і записуйте значення на кожному дроті, або запишіть її вираз і заповніть таблицю істинності.
  2. Для спрощення занесіть одиниці (а байдужі стани як X) на карту Карно з рядками й стовпцями в коді Грея: 00, 01, 11, 10.
  3. Покрийте одиниці якомога меншою кількістю якомога більших груп по 1, 2, 4, 8 або 16 клітинок, з переходом через краї; кожна група — це один добуток зі змінних, що лишаються сталими. Для форми POS групуйте нулі.
  4. Для тригерів і лічильників читайте входи на кожному активному фронті такту, записуйте стан після кожного фронту й пам’ятайте, що n-розрядний лічильник переходить через максимум після 2ⁿ станів.

Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Стійкість
усі корені характеристичного полінома в лівій півплощині
таблиця Рауса, елемент s¹ кубічного полінома
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Корені в правій півплощині
кількість змін знака в першому стовпці
Кубічний поліном s³ + a₂s² + a₁s + a₀
стійкий, коли всі a > 0 і a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Характеристичне рівняння
1 + K·G(s) = 0
Асимптоти
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Точки відходу й входу
dK/ds = 0
Умова модуля
K = 1/|G(s)|
Кут відходу
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Метод

  1. Запишіть характеристичний поліном замкненої системи: знаменник рівняння 1 + K·G(s) = 0, розкритий до кінця.
  2. Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса й побудуйте решту рядків.
  3. Підрахуйте зміни знака в першому стовпці: кожна з них — це полюс у правій півплощині. Якщо в таблиці є K, вимагайте, щоб кожен елемент першого стовпця залишався додатним.
  4. Для кореневого годографа позначте полюси й нулі, ділянки дійсної осі, асимптоти з центра та точки розгалуження, де dK/ds = 0. Для коефіцієнта підсилення в точці скористайтеся K = 1/|G(s)|.

Усталена похибка та ПІД-регулювання

Тип системи
кількість полюсів G(s) у точці s = 0
Константи похибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Східчастий сигнал A
ess = A/(1 + Kp)
Лінійно наростальний сигнал A·t
ess = A/Kv
Параболічний сигнал A·t²/2
ess = A/Ka
ПІД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Цільова система другого порядку
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулювання та часові показники
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Підрахуйте полюси розімкненого контуру C(s)·G(s) у точці s = 0: це тип системи.
  2. Знайдіть константу похибки, що відповідає входу: Kp для східчастого, Kv для лінійно наростального, Ka для параболічного сигналу.
  3. Застосуйте ess = A/(1 + Kp), A/Kv або A/Ka, або розв’яжіть це відносно потрібного коефіцієнта підсилення.
  4. Для вимоги щодо демпфування чи швидкодії запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Задачі для практики

1.Послідовні й паралельні резисториСередня
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​5 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​15 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​4 Ω+−V1​30 VI1​R2​5 Ω+−V2​9 VR3​4 Ω+−V3​15 VA

Між вузлом A і землею ввімкнено три вітки, як показано на схемі. Методом вузлових потенціалів знайдіть струм I1 у вітці 1, що тече вгору у вузол A в напрямку стрілки.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩV2 = 9 VR2 = 5 ΩV3 = 15 VR3 = 4 Ω
I1 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​5 ΩAR5​30 ΩBIs​2,5 A+−V2​9 V

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти вузлову напругу VB (відносно землі).

V1 = 5 VIs = 2,5 AV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 30 Ω
VB = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩIR2​+−V1​10 VR3​2 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR2 через R2 у напрямку стрілки.

V1 = 10 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 30 ΩIR1​R2​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​6 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти струм IR1 через R1 у напрямку стрілки.

V1 = 30 VV2 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 30 Ω
IR1 = A
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩIR2​AR4​15 ΩBIs​2,5 A

За методом накладання знайдіть потужність PR2, яку споживає R2.

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
PR2 = W
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩIR3​AIs​4 AB+−V2​9 V

За методом накладання знайдіть потужність PR3, яку споживає R3.

V1 = 12 VIs = 4 AV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
PR3 = W
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩARL​12 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 12 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABRL​4 ΩIL​

До a–b підключено навантаження RL = 4 Ω. За допомогою еквівалента Тевенена знайдіть потужність PL, що передається навантаженню.

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩRL = 4 Ω
PL = W
11.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 15 Ωt = 0L150 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 0,5 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть напругу vR на R при t = 5 ms.

i(0) = 0,5 AR = 15 ΩL = 150 mHt = 5 ms
vR = V
12.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​9 VR1​ = 5 ΩR2​ = 47 Ωрозмикається при t = 0L33 mHi(t)

Ключ паралельно R2 був замкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм котушки i при t = 1 ms.

Vs = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
13.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
24 V200 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Послідовне коло RLC підключено до мережі 24 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть коефіцієнт потужності cos φ кола.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 10 µF
cos φ =
14.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
12 V200 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF+−VC​

Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть діюче значення напруги VC на конденсаторі.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
VC = V
15.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
P = 13 kWQ = ?Sφ

Однофазний двигун споживає 13 kW при коефіцієнті потужності 0,65 (індуктивному) від мережі 240 V. Знайдіть реактивну потужність Q, яку він споживає.

P = 13 kWpf = 0,65V = 240 V
Q = kvar
16.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазне навантаження споживає 35 kW при коефіцієнті потужності 0,8 (індуктивному) від мережі 230 V, 50 Hz. Паралельно підключений конденсатор підвищує коефіцієнт потужності до 0,92. Знайдіть новий струм лінії Inew.

P = 35 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.Трифазні системиСередня
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M55 kW, η = 95%cos φ = 0,82

Трифазний асинхронний двигун при повному навантаженні розвиває механічну потужність 55 kW. При цьому навантаженні його ККД становить 95%, а коефіцієнт потужності 0,82, відстаючий. Лінійна напруга мережі 690 V. Знайдіть лінійний струм IL.

Pout = 55 kWη = 95%cos φ = 0,82VL = 690 V
IL = A
18.Трифазні системиСкладна
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симетричне трифазне навантаження споживає 150 kW при коефіцієнті потужності 0,75 (відстаючому) від мережі 415 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,98 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Знайдіть сумарну реактивну потужність QC, яку має постачати конденсаторна батарея, у kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаториСередня
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​10 kVA

Однофазний трансформатор 10 kVA, 2400/240 V працює з номінальним навантаженням. Вважайте його ідеальним. Знайдіть струм IHV в обмотці вищої напруги.

S = 10 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
20.ТрансформаториСкладна
pf 0,9150 kVA, η = 98%

Однофазний трансформатор 150 kVA має втрати в сталі 450 W. При номінальному навантаженні й коефіцієнті потужності 0,9 (відстаючому) його ККД становить 98%. Знайдіть втрати в міді при повному навантаженні Pcu,fl у ватах.

S = 150 kVAPcore = 450 Wpf = 0,9η = 98%
Pcu,fl = W
21.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 51.

R1 = 4,7 kΩAv = 51
Rf = kΩ
22.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = 0,4 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −1,5 VR3​ = 22 kΩR4​ = 1 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Відношення опорів не узгоджені. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = 0,4 VV2 = −1,5 VR1 = 4,7 kΩR2 = 2 kΩR3 = 22 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
23.Діоди й транзисториСередня
+−24 VR = ?2 × 2,2 V20 mA

2 зелені світлодіодів (пряма напруга 2,2 В кожен) з’єднано послідовно з резистором до джерела 24 В. Знайдіть опір R, що задає струм 20 мА.

Vs = 24 VVF = 2,2 Vn = 2I = 20 mA
R = Ω
24.Діоди й транзисториСкладна
+−≤ 23 V330 Ω5,1 V

Стабілізатор на стабілітроні 5,1 В має послідовний резистор 330 Ом. Вхідна напруга може зрости до 23 В, а навантаження може бути відключене. Знайдіть найбільшу потужність PZ,max, яку має розсіювати стабілітрон.

Vin,max = 23 VVZ = 5,1 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
25.Системи численняСередня
8-бітовий додатковий код?−128?64?32?16?8?4?2?1

Запишіть −77 як 8-бітовий шаблон у додатковому коді. Прочитайте шаблон як беззнакове двійкове число: яке його значення U у десятковій системі?

N = −778 bit
U =
26.Системи численняСкладна
10-бітний доповняльний код, N = ??знак?????????

Яке найменше (найбільш від'ємне) ціле число N можна записати 10-бітовим додатковим кодом?

10 bit
N =
27.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
ABCD00011110000111101111

На цій карті Карно рівно одна 1 не має сусідньої 1, тож у мінімальній формі SOP вона лишається групою з однієї клітинки (повний мінтерм із чотирьох літералів). Сусіди через краї карти враховуються. Клікніть цю клітинку.

F = Σm(0, 3, 4, 5)
  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.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
CLKJK123456

JK-тригер, що спрацьовує за переднім фронтом, починає з Q = 0 і отримує показані входи. Клікніть перший фронт такту, на якому Q переходить з 1 назад у 0.

Q₀ = 0JK
  1. 1фронт такту 1
  2. 2фронт такту 2
  3. 3фронт такту 3
  4. 4фронт такту 4
  5. 5фронт такту 5
  6. 6фронт такту 6
29.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = 33/(s² + 10s + 21). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−3t + B·e−7t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = 33/(s² + 10s + 21)
A =
30.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 10y = 0 при y(0) = 8 і y′(0) = −5 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,1).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 8y′(0) = −5t = 0,1 s
y(0.1) =
31.Блок-схемиСередня
R(s)+6s + 9G(s)C(s)0,5H−

Об’єкт G(s) = 6/(s + 9) керується в контурі від’ємного зворотного зв’язку, датчик якого має коефіцієнт підсилення H = 0,5. Знайдіть сталу часу τ замкненої системи.

G(s) = 6/(s + 9)H = 0,5
τ = s
32.Блок-схемиСкладна
R(s)+Kрегулятор+D(s)+7s + 6об’єктC(s)−

Пропорційний регулятор K керує об’єктом G(s) = 7/(s + 6) в одиничному від’ємному зворотному зв’язку. Сходинка збурення розміром 10 діє на вході об’єкта за R = 0. Знайдіть найменший коефіцієнт підсилення K, за якого усталений вихід не перевищує 1,167.

G(s) = 7/(s + 6)D = 10css ≤ 1,167
K =
33.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)2?

Система має передатну функцію G(s) = 12/(s² + 4s + 6) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 12/(s² + 4s + 6)
%OS = %
34.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = K/(s(s + 5)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого перехідна характеристика має перерегулювання 15 %.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 15 %
K =
35.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​C = 100 nFR = 1 kΩvout​

RC-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 1 kΩ, C = 100 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 4,8 kHz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.

R = 1 kΩC = 100 nFf = 4,8 kHz
|H| = dB
36.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)). Знайдіть підсилення K, що дає запас за підсиленням 4 dB.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))GM = 4 dB
K =
37.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+Ks + 8s(s + 1)(s + 3)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має L(s) = K(s + 8)/(s(s + 1)(s + 3)), K > 0. Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 1)(s + 3))
Kmax =
38.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2sb​

Показано кореневий годограф L(s) = K/((s + 6)(s + 8)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K у точці відходу sb, де два полюси замкненої системи зустрічаються на дійсній осі.

L(s) = K/((s + 6)(s + 8))
K =
39.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K(s + 1)(s + 5)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має G(s) = K/((s + 1)(s + 5)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого усталена похибка для східчастого входу становить 10 %.

G(s) = K/((s + 1)(s + 5))ess = 10 %
K =
40.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 4C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 1/(s + 4) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 8 rad/s і ζ = 0,8. Знайдіть пропорційний коефіцієнт Kp.

G(s) = 1/(s + 4)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,8
Kp =

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 8,429 Ω

Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.

R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​5 ΩB

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.

R3 + R4 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Req = R1 + 3,429 = 5 + 3,429 = 8,429 Ω

Відповідь

Req = 8,429 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 16,91 Ω

Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.

R1​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​15 Ω

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.

R5 + R6 = 30 + 15 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 11,25 Ω
R3 + 11,25 = 41,25 Ω
R2 ∥ 41,25 = 1,908 Ω
Req = R1 + 1,908 = 15 + 1,908 = 16,91 Ω

Відповідь

Req = 16,91 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: I1 = 2,839 A

Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.

ЗСК для вузла A

Нижній провід візьміть за землю. Кожна вітка проводить від A струм (VA − Vk)/Rk, де Vk — напруга її джерела (нуль для простого резистора). Сума струмів, що виходять з A, дорівнює нулю.

(VA − 30)/4 + (VA − 9)/5 + (VA − 15)/4 = 0

Знайдіть VA

VA = (30/4 + 9/5 + 15/4) / (1/4 + 1/5 + 1/4) = 13,05/0,7 = 18,64 V

Струм гілки

Стрілка спрямована вгору вздовж вітки, у вузол A.

I1 = (30 − VA)/R1 = (30 − 18,64)/4 = 2,839 A

Відповідь

I1 = 2,839 A

Від’ємний результат означає, що дійсний струм тече проти стрілки.

4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VB = 1,789 V

Метод вузлових потенціалів: оберіть опорний вузол, позначте невідомі вузлові напруги, запишіть закон струмів Кірхгофа для кожного невідомого вузла за законом Ома (I = ΔV/R) і розв’яжіть отримані рівняння.

R1​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​5 ΩAR5​30 ΩBIs​2,5 A+−V2​9 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 5 V, V2 = 9 V). Невідомі: VA, VB.

ЗСК у вузлі A

Струми, що виходять із A через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у A.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/5 + (VA − 5)/2 + (VA − VB)/10 = 0
0,8·VA − 0,1·VB = 2,5

ЗСК у вузлі B

Струми, що виходять із B через резистори, дорівнюють струму, який джерела подають у B.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/30 + (VB − VA)/10 + (VB − 9)/3 = (−2,5)
−0,1·VA + 0,4667·VB = 0,5

Розв’яжіть

Δ = (0,8)(0,4667) − (−0,1)(−0,1) = 0,3633
VA = Δ1/Δ = 1,217/0,3633 = 3,349 V
VB = Δ2/Δ = 0,65/0,3633 = 1,789 V

Відповідь

VB = 1,789 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −0,7831 A

Метод контурних струмів: дайте кожному вікну плоского кола власний контурний струм, запишіть закон напруг Кірхгофа для кожного контуру (сума спадів = сума зростань) і розв’яжіть. Струми гілок — це контурний струм або різниця двох контурних струмів у спільній гілці.

R1​ = 8 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

Призначте контурні струми

У кожному вікні намалюйте струм за годинниковою стрілкою: I1, I2. Резистор, спільний для двох контурів, проводить різницю їхніх струмів.

ЗНК для контуру 1

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
8·I1 + 2(I1 − I2) = 10
10·I1 − 2·I2 = 10

ЗНК для контуру 2

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 2(I2 − I1) = (−15)
−2·I1 + 17·I2 = −15

Розв’яжіть

Δ = (10)(17) − (−2)(−2) = 166
I1 = Δ1/Δ = 140/166 = 0,8434 A
I2 = Δ2/Δ = −130/166 = −0,7831 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,7831 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: IR1 = 0,625 A

Метод контурних струмів: дайте кожному вікну плоского кола власний контурний струм, запишіть закон напруг Кірхгофа для кожного контуру (сума спадів = сума зростань) і розв’яжіть. Струми гілок — це контурний струм або різниця двох контурних струмів у спільній гілці.

R1​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​6 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Призначте контурні струми

У кожному вікні намалюйте струм за годинниковою стрілкою: I1, I2, I3. Резистор, спільний для двох контурів, проводить різницю їхніх струмів.

ЗНК для контуру 1

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
30·I1 + 6(I1 − I2) = 30
36·I1 − 6·I2 = 30

ЗНК для контуру 2

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 6(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 46·I2 − 30·I3 = 0

ЗНК для контуру 3

Обходячи за годинниковою стрілкою, спади напруги на резисторах дорівнюють зростанням напруги джерел (від − до + у напрямку обходу).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
6·I3 + 30(I3 − I2) = (−36)
−30·I2 + 36·I3 = −36

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 25920
I1 = Δ1/Δ = 16200/25920 = 0,625 A
I2 = Δ2/Δ = −32400/25920 = −1,25 A
I3 = Δ3/Δ = −52920/25920 = −2,042 A

Відповідь

IR1 = I1 = 0,625 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: PR2 = 16,38 W

Метод накладання: у лінійному колі будь-яка напруга чи струм дорівнює сумі відгуків на кожне незалежне джерело, що діє окремо. Щоб вимкнути джерело, замініть ідеальне джерело напруги коротким замиканням, а ідеальне джерело струму — розривом. Резистори залишаються на місці.

R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBОБРИВ

Випадок 1 · діє лише V1

Iₛ стає розривом, тож R₃ і R₄ утворюють одну послідовну гілку від A до землі, паралельну R₂.

R3+R4 = 4+15 = 19 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·19/(4+19) = 3,304 Ω
VA = 10·3,304/(4+3,304) = 4,524 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,524·15/19 = 3,571 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (4,524 − 0)/4 = 1,131 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​4 ΩAR4​15 ΩBIs​2,5 A

Випадок 2 · діє лише Is

V₁ стає коротким замиканням, тож R₁ паралельний R₂. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ і шляхом через R₃.

R1 ∥ R2 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 6 = 4,286 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4,286 = 10,71 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,71·2/6 = 3,571 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3,571 − 0)/4 = 0,8929 A

Додайте внески струму

IR2 = IR2′ + IR2″ = 1,131 + 0,8929 = 2,024 A

Потужність у резисторі

Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.

PR2 = IR2²·R2 = 2,024²·4 = 16,38 W

Відповідь

PR2 = 16,38 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 8,305 W, а це неправильно.

8.Метод накладання

Відповідь: PR3 = 9,474 W

Метод накладання: у лінійному колі будь-яка напруга чи струм дорівнює сумі відгуків на кожне незалежне джерело, що діє окремо. Щоб вимкнути джерело, замініть ідеальне джерело напруги коротким замиканням, а ідеальне джерело струму — розривом. Резистори залишаються на місці.

R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩAОБРИВBКЗ

Випадок 1 · діє лише V1

V₂ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. З боку A резистор R₃ паралельний послідовній парі R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 8 ∥ 30 = 6,316 Ω
VA = 12·6,316/(8+6,316) = 5,294 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,294·5/30 = 0,8824 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (5,294 − 0)/8 = 0,6618 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​8 ΩAIs​4 ABКЗ

Випадок 2 · діє лише Is

Обидва джерела напруги стають короткими замиканнями. Iₛ у точці B розгалужується між R₄ (тепер до землі) і R₂, послідовним із R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 4 Ω, тож лівий шлях — R2+4 = 29 Ω
Req = R4 ∥ 29 = 4,265 Ω
VB = Is·Req = 4·4,265 = 17,06 V
VA = VB·4/29 = 2,353 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (2,353 − 0)/8 = 0,2941 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 5 ΩКЗR3​8 ΩAОБРИВB+−V2​9 V

Випадок 3 · діє лише V2

V₁ стає коротким замиканням, а Iₛ — розривом. R₁ ∥ R₃ відходить від A, послідовно з R₂ назад до B.

R1 ∥ R3 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·29/34 = 7,676 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 7,676·4/29 = 1,059 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,059 − 0)/8 = 0,1324 A

Додайте внески струму

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,6618 + 0,2941 + 0,1324 = 1,088 A

Потужність у резисторі

Потужність залежить від квадрата струму, тож метод накладання до неї не застосовний: спочатку додайте струми, потім піднесіть до квадрата.

PR3 = IR3²·R3 = 1,088²·8 = 9,474 W

Відповідь

PR3 = 9,474 W

Сума потужностей окремих випадків дала б 4,336 W, а це неправильно.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,07692 A

Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩКЗR2​6 ΩAabRth​

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.

R1 ∥ R2 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 10 = 14 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, через R₃ струм не тече, тож спаду на ньому немає і V_b = V_A. R₁ і R₂ утворюють дільник напруги.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·6/(12+6) = 2 V
Rth​ = 14 Ω+−Vth​2 VRL​12 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 2/(14 + 12) = 0,07692 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: PL = 13,63 W

Теорема Тевенена: будь-яке лінійне двополюсне коло поводиться як одне джерело напруги Vth, послідовне з опором Rth. Теорема Нортона подає те саме коло як джерело струму IN = Vth/Rth, паралельне Rth.

R1​ = 3 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​12 ΩAОБРИВBabRth​

Знайдіть Rth з усіма вимкненими джерелами

Замініть джерела напруги короткими замиканнями, а джерела струму — розривами, а тоді подивіться на коло з боку a–b.

R1 ∥ R2 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 4 = 6,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

Знайдіть Vth — напругу холостого ходу

Коли a–b розімкнені, Iₛ може текти лише через R₃ у вузол A. Знайдіть V_A накладанням V₁ та Iₛ, потім додайте спад на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 9,6 + 1,5·2,4 = 13,2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,2 + 1,5·4 = 19,2 V
Rth​ = 6,4 Ω+−Vth​19,2 VRL​4 ΩIL​

Підключіть навантаження до еквівалента Тевенена

Джерело Тевенена і послідовний R_th поводяться на a–b точно як початкове коло, тож навантаження бачить простий послідовний контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 19,2/(6,4 + 4) = 1,846 A
PL = IL²·RL = 1,846²·4 = 13,63 W
11.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: vR = 4,549 V

Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.

Стала часу

τ = L/R = 150 mH / 15 Ω = 10 ms

Спадання струму

i(t) = 0,5·e−5/10 = 0,3033 A
vR = R·i = 15·0,3033 = 4,549 V

Відповідь

vR = 4,549 V
12.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,5096 A

Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

До t = 0 замкнений ключ шунтує R₂; після цього в контурі обидва резистори, R₁ і R₂.

i(0) = 9/5 = 1,8 A
i(∞) = 9/(5 + 47) = 0,1731 A
τ = L/R = 33/52 = 0,6346 ms
i(t) = 0,1731 + (1,8 − 0,1731)·e−t/τ

Струм у заданий момент

i(1) = 0,1731 + (1,627)·e−1/0,6346 = 0,5096 A

Відповідь

i = 0,5096 A
13.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: cos φ = 0,8308

Кола змінного струму й комплексний метод: резистори, котушки й конденсатори мають повні опори R, jωL і 1/(jωC), де ω = 2πf. Послідовно повні опори додаються як опори, але як комплексні числа. Діючі значення струму й напруги підкоряються закону Ома з |Z|.

Реактивні опори

XL = 62,83 Ω, XC = 79,58 Ω

Повний опір

|Z| = √(25² + (−16,75)²) = 30,09 Ω

Коефіцієнт потужності

cos φ = R/|Z| = 25/30,09 = 0,8308
Коло ємнісне, тож коефіцієнт потужності ємнісний (струм випереджає).

Відповідь

cos φ = 0,8308
14.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: VC = 13,26 V

Кола змінного струму й комплексний метод: резистори, котушки й конденсатори мають повні опори R, jωL і 1/(jωC), де ω = 2πf. Послідовно повні опори додаються як опори, але як комплексні числа. Діючі значення струму й напруги підкоряються закону Ома з |Z|.

Реактивні опори

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

Повний опір

Послідовно повні опори додаються як комплексні числа: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (144,8)²) = 153,2 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 12/153,2 = 0,07831 A

Напруга на конденсаторі

VC = I·XC = 0,07831·169,3 = 13,26 V

Відповідь

VC = 13,26 V
15.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: Q = 15,2 kvar

Потужність змінного струму: повна потужність S = V·I (VA) складається з активної потужності P = S·cos φ (W), що виконує корисну роботу, і реактивної потужності Q = S·sin φ (var), що коливається між джерелом і навантаженням. Коефіцієнт потужності — cos φ. Паралельний конденсатор постачає реактивну потужність на місці, тож струм лінії зменшується за тієї самої активної потужності.

Кут

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Реактивна потужність

Q = P·tan φ = 13·1,169 = 15,2 kvar

Відповідь

Q = 15,2 kvar
16.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: Inew = 165,4 A

Потужність змінного струму: повна потужність S = V·I (VA) складається з активної потужності P = S·cos φ (W), що виконує корисну роботу, і реактивної потужності Q = S·sin φ (var), що коливається між джерелом і навантаженням. Коефіцієнт потужності — cos φ. Паралельний конденсатор постачає реактивну потужність на місці, тож струм лінії зменшується за тієї самої активної потужності.

Реактивна потужність до і після

Активна потужність P не змінюється; змінюється лише реактивна потужність із мережі.

Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(36,87°) = 26,25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23,07°) = 14,91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11,34 kvar

Новий струм лінії

Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(230·0,92) = 165,4 A

Відповідь

Inew = 165,4 A
17.Трифазні системи

Відповідь: IL = 59,08 A

Симетричні трифазні системи: у з’єднанні зіркою (Y) лінійна напруга в √3 разів більша за фазну, VL = √3·Vph, а лінійний струм дорівнює фазному. У з’єднанні трикутником (Δ) лінійна напруга дорівнює фазній, а лінійний струм у √3 разів більший за фазний, IL = √3·Iph. Сумарна потужність утричі більша за потужність однієї фази: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Електрична вхідна потужність

Pin = Pout/η = 55/0,95 = 57,89 kW

Струм лінії

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 57895/(√3·690·0,82) = 59,08 A

Відповідь

IL = 59,08 A
18.Трифазні системи

Відповідь: QC = 101,8 kvar

Симетричні трифазні системи: у з’єднанні зіркою (Y) лінійна напруга в √3 разів більша за фазну, VL = √3·Vph, а лінійний струм дорівнює фазному. У з’єднанні трикутником (Δ) лінійна напруга дорівнює фазній, а лінійний струм у √3 разів більший за фазний, IL = √3·Iph. Сумарна потужність утричі більша за потужність однієї фази: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсація реактивної потужності: конденсатори постачають реактивну потужність на місці, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Кожен із трьох конденсаторів дає QC/3 = V²·ω·C, де V — напруга на цьому конденсаторі: VL у батареї, з’єднаній трикутником, VL/√3 — у батареї, з’єднаній зіркою.

Реактивна потужність до і після

Активна потужність не змінюється, тож кожен коефіцієнт потужності визначає реактивну потужність: Q = P·tan φ.

Q1 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Реактивна потужність від конденсаторів

QC = Q1 − Q2 = 101,8 kvar

Відповідь

QC = 101,8 kvar
19.Трансформатори

Відповідь: IHV = 4,167 A

Ідеальний трансформатор: напруги відносяться як кількості витків, а струми — обернено: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a і I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, тож вхідна потужність дорівнює вихідній, V₁·I₁ = V₂·I₂. Опір навантаження Z у вторинному колі з боку первинної обмотки виглядає як a²·Z.

Номінальний струм

Обидві обмотки передають однакову повну потужність.

IHV = S/V = 10000/2400 = 4,167 A

Відповідь

IHV = 4,167 A
20.Трансформатори

Відповідь: Pcu,fl = 2305 W

Втрати в трансформаторі: втрати в сталі (гістерезис і вихрові струми) залежать від напруги й однакові за будь-якого навантаження. Втрати в міді обмоток пропорційні квадрату струму, тож при частці навантаження x від номінального вони становлять x²·Pcu,fl. ККД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), де Pout = x·S·pf. ККД максимальний при навантаженні, за якого втрати в міді дорівнюють втратам у сталі.

Вихідна й вхідна потужність

Pout = 150·0,9 = 135 kW
Pin = 135000/0,98 = 137755 W

Сумарні втрати й втрати в міді

Ploss = 137755 − 135000 = 2755 W
Pcu,fl = 2755 − 450 = 2305 W

Відповідь

Pcu,fl = 2305 W
21.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Rf = 235 kΩ

Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.

Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (51 − 1)·4,7 = 235 kΩ

Відповідь

Rf = 235 kΩ
22.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −0,2632 V

Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.

Напруга на вході +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −1,5·1/(22 + 1) = −0,06522 V

Накладіть дію двох входів

При V₂ = 0 для V₁ схема — інвертувальний підсилювач. При V₁ = 0 V₊ підсилюється з коефіцієнтом неінвертувального підсилювача 1 + R₂/R₁.

Vout = −(2/4,7)·0,4 + (1 + 2/4,7)·(−0,06522) = −0,1702 + (−0,09297) = −0,2632 V

Відповідь

Vout = −0,2632 V
23.Діоди й транзистори

Відповідь: R = 980 Ω

Кола зі світлодіодами та діодами: світлодіод, увімкнений у прямому напрямку, має падіння напруги приблизно VF (близько 2 В для червоного, 3 В для синього чи білого) незалежно від струму. Послідовний резистор задає струм: R = (Vs − n·VF)/I для n світлодіодів послідовно. За точнішою моделлю діода V = V₀ + I·rd робоча точка лежить там, де пряма діода перетинає лінію навантаження I = (Vs − V)/R, тож I = (Vs − V₀)/(R + rd).

Напруга на резисторі

VR = 24 − 2·2,2 = 19,6 V

Опір

R = 19,6/0,02 = 980 Ω

Відповідь

R = 980 Ω

Резистор розсіює 392 мВт.

24.Діоди й транзистори

Відповідь: PZ,max = 276,6 mW

Стабілізатор на стабілітроні: стабілітрон, увімкнений у зворотному напрямку, тримає напругу VZ, поки його струм вищий за мінімальний IZ,min. Послідовний резистор R бере різницю між вхідною та вихідною напругою: IR = (Vin − VZ)/R. Цей струм ділиться між навантаженням, IL = VZ/RL, і стабілітроном: IZ = IR − IL. Проєктуйте за найгіршими випадками: найнижча вхідна напруга при найбільшому навантаженні має все ж лишати IZ,min, а найвища вхідна напруга без навантаження дає найбільшу потужність стабілітрона PZ = VZ·IZ.

Струм стабілітрона в найгіршому випадку

IZ = 17,9/330 = 54,24 mA

Потужність стабілітрона

PZ = 5,1·54,24 = 276,6 mW

Відповідь

PZ,max = 276,6 mW
25.Системи числення

Відповідь: U = 179

Позиційні системи числення: кожна цифра варта свого значення, помноженого на степінь основи. У двійковій системі розряди варті 1, 2, 4, 8, 16, …, у шістнадцятковій 1, 16, 256, …, де A–F означають 10–15. У 8-бітовому додатковому коді крайній лівий біт вартий −128 замість +128; так зберігаються від'ємні числа.

Інвертуйте і додайте одиницю

77 = 0100 1101
інвертовано: 1011 0010
+1 → 1011 0011

Прочитайте як беззнакове

1011 0011₂ = 256 − 77 = 179

Відповідь

U = 179
26.Системи числення

Відповідь: N = −512

Позиційні системи числення: кожна цифра варта свого значення, помноженого на степінь основи. У двійковій системі розряди варті 1, 2, 4, 8, 16, …, у шістнадцятковій 1, 16, 256, …, де A–F означають 10–15. У 8-бітовому додатковому коді крайній лівий біт вартий −128 замість +128; так зберігаються від'ємні числа.

Найбільш від'ємне значення

−29 = −512

Відповідь

N = −512
27.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери

Відповідь: AB = 00, CD = 11

Карти Карно: клітинки впорядковано за кодом Грея (00, 01, 11, 10), тож сусідні клітинки, зокрема через краї, відрізняються рівно однією змінною. Групуйте одиниці в прямокутники по 1, 2, 4, 8 або 16 клітинок, якомога більші й у якомога меншій кількості, доки кожну 1 не буде покрито. Кожна група — це один добуток: змінні, що лишаються сталими всередині неї. Група з 2ᵏ клітинок втрачає k змінних. Байдужі стани (X) можна використовувати, щоб групи були більшими, але їх не обов’язково покривати. Групування нулів замість одиниць дає мінімальну форму POS.

Сусіди кожної 1

1 із сусідньою 1 може приєднатися до групи з двох або більше.

m3: m2, m1, m7, m11 → 0
ABCD00011110000111101111

Ізольована 1

m3 = A′B′CD → AB = 00, CD = 11

Відповідь

AB = 00, CD = 11
28.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери

Відповідь: фронт такту 3

Тригери та лічильники: тригер змінюється лише за активним фронтом такту. D копіює свій вхід (Q⁺ = D); T перемикається, коли T = 1; JK зберігає стан за 00, скидає за 01, встановлює за 10 і перемикає за 11. n-розрядний двійковий лічильник має 2ⁿ станів і рахує за модулем 2ⁿ; лічильник за модулем N рахує 0, 1, …, N − 1 і повертається до 0, і йому потрібне найменше n, для якого 2ⁿ ≥ N тригерів. Кожен ступінь послідовного лічильника ділить частоту навпіл, тож останній вихід лічильника за модулем N має частоту fclk/N. Лічильник Джонсона з n тригерів має 2n станів, кільцевий — n.

Q після кожного фронту

JK-тригер: 00 зберігає, 01 скидає (Q = 0), 10 встановлює (Q = 1), 11 перемикає.

1: J = 0, K = 0 → Q = 0
2: J = 1, K = 0 → Q = 1
3: J = 0, K = 1 → Q = 0
4: J = 0, K = 0 → Q = 0
5: J = 0, K = 1 → Q = 0
6: J = 1, K = 0 → Q = 1

Перша зміна з 1 на 0

фронт такту 3

Відповідь

фронт такту 3
29.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 8,25

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Розкладіть знаменник на множники

s² + 10s + 21 = (s + 3)(s + 7)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 7)

Правило закривання

Помножте на (s + 3) і покладіть s = −3: доданок із B зникає.

A = 33/(s + 7) |s = −3 = 33/4 = 8,25

Відповідь

A = 8,25
(B = −8,25, тож f(t) = 8,25·e−3t − 8,25·e−7t)
30.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.1) = 7,328

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Перетворіть рівняння

s²Y − 8s − (−5) + 7(sY − 8) + 10Y = 0
Y(s) = (8s + 51)/((s + 2)(s + 5))

Простіші дроби

A = 35/3 = 11,67
B = 11/(−3) = −3,667

Результат

y(t) = 11,67·e−2t − 3,667·e−5t
y(0,1) = 7,328

Відповідь

y(0,1) = 7,328

Перевірка: y(0) = A + B = 8.

31.Блок-схеми

Відповідь: τ = 0,08333 s

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = G/(1 + G·H) = 6/(s + 9 + 3) = 6/(s + 12)

Результат

τ = 1/12 = 0,08333 s

Відповідь

τ = 0,08333 s
32.Блок-схеми

Відповідь: K = 7,714

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Відгук на збурення

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·7/(6 + 7K)

Розв’яжіть відносно K

6 + 7K = 10·7/1,167 = 60
K = (60 − 6)/7 = 7,714

Відповідь

K = 7,714
33.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 1,176 %

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 6 → ωₙ = 2,449 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·2,449) = 0,8165

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−4,443 = 1,176 %

Відповідь

%OS = 1,176 %
34.Перехідна характеристика

Відповідь: K = 23,39

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = K/(s² + 5s + K)

Коефіцієнт демпфування за перерегулюванням

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Коефіцієнт підсилення

ωₙ = 5/(2ζ) = 4,836 rad/s
K = ωₙ² = 23,39

Відповідь

K = 23,39
35.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |H| = −0,453 dB

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Частота зрізу

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 4800/1592 = 3,016

Коефіцієнт підсилення

|H| = 3,016/√(1 + 3,016²) = 0,9492
20·log₁₀(0,9492) = −0,453 dB

Відповідь

|H| = −0,453 dB
36.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: K = 242,3

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перетин за фазою

(ω/4)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(4·8) = 5,657 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 64)) = K/(4·8·(4 + 8)) = K/384

Потрібне підсилення

384/K = 104/20 = 1,585
K = 384/1,585 = 242,3

Відповідь

K = 242,3
37.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 3

Критерій Рауса–Гурвіца: лінійна система стійка, коли всі корені її характеристичного полінома лежать у лівій півплощині s-площини. Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса. Кожен елемент нового рядка отримують із двох рядків над ним; для кубічного a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ елемент рядка s¹ дорівнює b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Кількість змін знака в першому стовпці дорівнює кількості коренів у правій півплощині. Якщо коефіцієнти містять коефіцієнт підсилення K, усі елементи першого стовпця мають залишатися додатними: значення K, за якого елемент рядка s¹ обертається на нуль, — це межа стійкості, а рядок s² тоді дає частоту незатухних коливань.

Характеристичний поліном

s(s + 1)(s + 3) + K(s + 8) = s³ + 4s² + (3 + K)s + 8K

Таблиця Рауса

s³: 1, 3 + K
s²: 4, 8K
s¹: (4·(3 + K) − 8K)/4
s⁰: 8K

Умова

12 − 4K > 0
K < 12/4 = 3

Відповідь

Kmax = 3

Якби нуль лежав праворуч від s = −4, контур залишався б стійким за будь-якого K > 0.

38.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: K = 1

Кореневий годограф: зі зростанням коефіцієнта підсилення K від 0 до ∞ полюси замкненої системи, тобто корені рівняння 1 + K·G(s) = 0, рухаються від полюсів розімкненої системи до її нулів або до нескінченності. Точка дійсної осі належить годографу, коли кількість дійсних полюсів і нулів праворуч від неї непарна. n − m віток, що йдуть у нескінченність, прямують уздовж асимптот під кутами (2q + 1)·180°/(n − m), які виходять із центра σₐ = (Σ полюсів − Σ нулів)/(n − m). Гілки відходять від дійсної осі або сходяться на ній там, де dK/ds = 0. Умова кута ∠G(s) = 180° визначає форму годографа, а умова модуля K = 1/|G(s)| дає значення K у будь-якій точці годографа.

Точка відходу

dK/ds = 0 для K = −(s + 6)(s + 8) дає 2s + 14 = 0.

sb = −7

Умова модуля

K = |−7 + 6|·|−7 + 8| = 1·1 = 1

Відповідь

K = 1

За такого коефіцієнта підсилення замкнена система критично демпфована (ζ = 1).

39.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 45

Усталена похибка: у контурі з одиничним зворотним зв’язком і передавальною функцією розімкненої системи G(s) похибка дорівнює E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а за теоремою про кінцеве значення ess = lims→0 s·E(s). Тип системи — це кількість полюсів G(s) у точці s = 0. Константи похибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) і Ka = lim s²·G(s), усі при s → 0. Східчастий сигнал величини A дає ess = A/(1 + Kp), лінійно наростальний A·t дає A/Kv, а параболічний A·t²/2 дає A/Ka. Контур типу 0 відпрацьовує східчастий сигнал зі скінченною похибкою, контур типу 1 відпрацьовує його точно, а лінійно наростальний — зі скінченною похибкою.

Потрібна константа похибки

1/(1 + Kp) = 0,1 → Kp = 9

Коефіцієнт підсилення

K/5 = 9 → K = 45

Відповідь

K = 45

Перевірте також стійкість замкненої системи: для цього контуру другого порядку будь-яке K > 0 стійке.

40.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kp = 8,8

П-, ПІ- і ПІД-регулювання: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s діє на похибку. Пропорційний коефіцієнт підсилення робить контур швидшим і зменшує похибку об’єкта типу 0, але ніколи не усуває її. Інтегральна складова додає полюс у точці s = 0: тип системи зростає на одиницю, і східчастий сигнал відпрацьовується без похибки. Диференціальна складова додає демпфування. Щоб підібрати коефіцієнти, запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζωns + ωn². Тоді %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd при ωd = ωn√(1 − ζ²), а ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристичний поліном

1 + C(s)G(s) = 0, помножене на s(s + 4).

s² + (4 + 1Kp)s + 1Ki

Цільовий поліном

s² + 2·0,8·8s + 8² = s² + 12,8s + 64

Зіставте коефіцієнти

4 + 1Kp = 12,8 → Kp = 8,8

Відповідь

Kp = 8,8

Інтегральна складова робить контур типу 1, тож східчастий сигнал відпрацьовується без усталеної похибки.

Це незалежні навчальні матеріали. ExamProblems не пов’язаний з організацією, що проводить цей іспит, і не схвалений нею; назву іспиту вжито лише для опису змісту. Іспит FE exam проводить NCEES; ця організація не пов’язана з ExamProblems і не підтримує його.

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