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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​2 ΩB

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.Послідовні й паралельні резисториСкладна
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​25 ΩBR6​2 Ω

Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩR5 = 15 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.Метод вузлових потенціалівСередня
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Скористайтеся методом вузлових потенціалів, щоб знайти струм IR3 через R3 у напрямку стрілки.

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
4.Метод вузлових потенціалівСкладна
R1​ = 2 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​5 ΩAR5​3 ΩBIs​1,5 A−+V2​36 V

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

V1 = 12 VIs = 1,5 AV2 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 ΩR5 = 3 Ω
VA = V
5.Метод контурних струмівСередня
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩIR2​+−V1​10 VR3​6 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
IR2 = A
6.Метод контурних струмівСкладна
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−VR3​+−V1​5 VR4​3 ΩAR5​8 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Скористайтеся методом контурних струмів, щоб знайти напругу VR3 на R3 з указаною полярністю.

V1 = 5 VV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 8 Ω
VR3 = V
7.Метод накладанняСередня
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 Ω+−VR2​AR4​2 ΩBIs​2 A

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
VR2 = V
8.Метод накладанняСкладна
R1​ = 30 ΩR2​ = 25 Ω−+VR2​R4​ = 30 Ω+−V1​5 VR3​12 ΩAIs​2,5 AB+−V2​24 V

Скористайтеся методом накладання, щоб знайти напругу VR2 на R2 з указаною полярністю.

V1 = 5 VIs = 2,5 AV2 = 24 VR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 30 Ω
VR2 = V
9.Тевенен і НортонСередня
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩARL​10 ΩIL​B

До a–b підключено навантаження RL = 10 Ω. Замініть решту кола еквівалентом Тевенена і знайдіть струм навантаження IL.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Тевенен і НортонСкладна
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAIs​3 ABab

Знайдіть струм Нортона IN: струм, що тече від a до b, якщо затискачі закоротити.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
11.Перехідні процеси RC і RLСередня
R = 33 Ωt = 0L33 mHi(t)

Через котушку тече сталий струм 1,5 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 0,75 A? Знайдіть t.

i(0) = 1,5 AR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
12.Перехідні процеси RC і RLСкладна
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 12 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 7,2 V, рівно через 25 ms після старту. При C = 22 µF знайдіть потрібний опір R.

Vs = 12 VVth = 7,2 VT = 25 msC = 22 µF
R = kΩ
13.Повний опір і комплексні амплітудиСередня
120 V50 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µFI

Послідовне коло RLC підключено до мережі 120 V (діюче значення), 50 Hz. Знайдіть коефіцієнт потужності cos φ кола.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF
cos φ =
14.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна
10 V100 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 100 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
15.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСередня
240 VR + jXP = 1248 W6,5 A

Індуктивне навантаження споживає 6,5 A і 1248 W від однофазної мережі 240 V (діюче значення). Подайте його як активний опір R, послідовно з’єднаний з реактивним опором X. Знайдіть R.

V = 240 VI = 6,5 AP = 1248 W
R = Ω
16.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужностіСкладна
P1​ = 74 kWQ1​S1​φ

Однофазний трансформатор потужністю 200 kVA живить навантаження 74 kW з коефіцієнтом потужності 0,8 (індуктивним). Яку додаткову активну потужність ΔP можна під’єднати у вигляді активного навантаження (коефіцієнт потужності 1), перш ніж трансформатор досягне номінальної потужності в kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 74 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
17.Трифазні системиСередня
ABCVL​ = 400 VZ = 8 + j6 Ωна фазу

Симетричне навантаження, з’єднане трикутником, з повним опором 8 + j6 Ω на фазу підключене до симетричної трифазної мережі з лінійною напругою 400 V. Знайдіть сумарну активну потужність P, яку поглинає навантаження, у kW.

VL = 400 VZ = 8 + j6 Ω на фазу
P = kW
18.Трифазні системиСкладна
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симетричне трифазне навантаження споживає 150 kW при коефіцієнті потужності 0,72 (відстаючому) від мережі 415 V (лінійна напруга), 50 Hz. Трифазна конденсаторна батарея, підключена паралельно до навантаження, має підвищити загальний коефіцієнт потужності до 0,95 (відстаючого). Активна потужність не змінюється. Конденсатори з’єднано зіркою. Знайдіть ємність Cph кожного конденсатора в µF.

P = 150 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаториСередня
RL​ = 30 Ω2012400 VV2​I1​ = ?I2​

До первинної обмотки ідеального трансформатора з коефіцієнтом трансформації N₁:N₂ = 20:1 прикладено 2400 V. До вторинної обмотки підключено резистор 30 Ω. Знайдіть первинний струм I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.ТрансформаториСкладна
50 kVA

Однофазний трансформатор 50 kVA має втрати в сталі 400 W і втрати в міді 1200 W при номінальному навантаженні. При якому навантаженні Sη,max, у kVA, його ККД найвищий?

S = 50 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
21.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 4 VRa​ = 47 kΩRb​ = 47 kΩ

ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

Vin = 4 VRa = 47 kΩRb = 47 kΩR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = 0,8 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0,9 VR2​ = 10 kΩ

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.

V1 = 0,8 VV2 = 0,9 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
23.Діоди й транзисториСередня
RC​ = 2,7 kΩβ = 120RE​ = 680 ΩVCC​ = 15 VR1​ = 56 kΩR2​ = 12 kΩ

NPN-транзистор з β = 120 має зміщення дільником напруги від VCC = 15 V: R₁ = 56 kΩ від VCC до бази й R₂ = 12 kΩ від бази до землі. Колекторний резистор RC = 2,7 kΩ, емітерний резистор RE = 680 Ω. Візьміть VBE = 0,7 V і використайте еквівалент Тевенена дільника (не нехтуйте струмом бази). Знайдіть напругу колектор–емітер VCE.

VCC = 15 VR1 = 56 kΩR2 = 12 kΩRC = 2,7 kΩRE = 680 Ωβ = 120
VCE = V
24.Діоди й транзисториСкладна
RC​ = 680 Ωβ = 50VCC​ = 12 V3,3 VRB​ = ?

NPN-транзистор з β = 50 комутує резистор навантаження 680 Ω, увімкнений між VCC = 12 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 3,3 V через базовий резистор RB. Візьміть VBE = 0,7 V і VCE(sat) = 0,2 V. Для надійного перемикання розрахуйте струм бази в 5 разів більшим за мінімально потрібний для насичення. Знайдіть RB у kΩ.

VCC = 12 VRC = 680 Ωβ = 50Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vкоефіцієнт перенасичення = 5
RB = kΩ
25.Системи численняСередня
ваги розрядів у додатковому коді0−12806403201608140211

8-бітовий шаблон 0000 0101 зберігає ціле число зі знаком у додатковому коді. Яке його значення N у десятковій системі?

0000 01018 bit
N =
26.Системи численняСкладна
клацайте біти, щоб встановити їх012806403201608040201

Встановіть біти за 8-бітовим результатом 0001 1110 OR 0110 1000. Яке значення R результату в десятковій системі?

0001 1110OR0110 1000
R =
27.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
ABCD000111100001111010011312041507061121130151140809011110

Скористайтеся картою Карно, щоб знайти мінімальну форму суми добутків (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 5, 10, 12, 13, 14). Скільки всього літералів L вона містить (змінна зі штрихом рахується як один літерал)?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 5, 10, 12, 13, 14)
L =
28.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
CLKT1234567

T-тригер, що спрацьовує за переднім фронтом, починає з Q = 0 і отримує показані входи на 7 передніх фронтах такту. Скільки разів N змінюється стан Q?

Q₀ = 0T
N =
29.Перетворення ЛапласаСередня
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = (2s + 13)/(s² + 8s + 16) і обчисліть f(0,5).

F(s) = (2s + 13)/(s² + 8s + 16)t = 0,5 s
f(0.5) =
30.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−1−2−3−4−51

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 6y′ + 5y = 3u′ + 15u із входом u(t) і виходом y(t). Знайдіть її передатну функцію G(s) = Y(s)/U(s) (нульові початкові умови) і обчисліть імпульсну характеристику g(t) при t = 0,2 s. Знайдіть g(0,2).

y″ + 6y′ + 5y = 3u′ + 15ut = 0,2 s
g(0.2) =
31.Блок-схемиСередня
R(s)+20s + 10G(s)C(s)0,1H−

Об’єкт G(s) = 20/(s + 10) керується в контурі від’ємного зворотного зв’язку, датчик якого має коефіцієнт підсилення H = 0,1. Знайдіть сталу часу τ замкненої системи.

G(s) = 20/(s + 10)H = 0,1
τ = s
32.Блок-схемиСкладна
R(s)+K(s + 2)(s + 4)(s + 8)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 8)) охоплено одиничним від’ємним зворотним зв’язком. За найбільшого стійкого коефіцієнта підсилення контур коливається. Знайдіть частоту коливань ω в rad/s.

G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 8))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
ω = rad/s
33.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)3

Система має передатну функцію G(s) = 51/(s² + 2s + 17) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 51/(s² + 2s + 17)
ωn = rad/s
34.Перехідна характеристикаСкладна
k = 400 N/mc = 27 N·s/mm = 5 kgF = 5 Nx(t)

Маса m = 5 kg висить на пружині k = 400 N/m з в’язким демпфером c = 27 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 5 N. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS зміщення.

m = 5 kgk = 400 N/mc = 27 N·s/mF = 5 N
%OS = %
35.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 20

Знайдіть точний модуль |G(jω)| функції G(s) = 1881/((s + 9)(s + 11)) за ω = 20 rad/s, у dB.

G(s) = 1881/((s + 9)(s + 11))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = 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) = 122/(s(s + 4)(s + 7)). Знайдіть частоту перетину за фазою ω180, де ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 122/(s(s + 4)(s + 7))
ω180 = rad/s
37.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+2401s(s + 2)(s + 8)C(s)−

Контур на схемі має від’ємний зворотний зв’язок, L(s) = 240/(s(s + 2)(s + 8)). Скільки полюсів N замкненої системи лежить у правій півплощині?

L(s) = 240/(s(s + 2)(s + 8))
N =
38.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−5j5

Накреслено кореневий годограф L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6)). Знайдіть частоту ω, за якої годограф перетинає уявну вісь.

L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6))
ω = rad/s
39.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 2 + 1t+10s(s + 5)(s + 10)C(s)−

Вхід r(t) = 2 + 1t (східчастий сигнал плюс лінійно наростальний) подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 10/(s(s + 5)(s + 10)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 10/(s(s + 5)(s + 10))r(t) = 2 + 1t
ess =
40.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 1C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 1/(s + 1) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 8 rad/s і ζ = 0,7. Знайдіть пропорційний коефіцієнт Kp.

G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,7
Kp =

3Розчини

1.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 10,4 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​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​2 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Req = R1 + 2,4 = 8 + 2,4 = 10,4 Ω

Відповідь

Req = 10,4 Ω
2.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: Req = 12,21 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​25 ΩBR6​2 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 10,12 Ω
R3 + 10,12 = 14,12 Ω
R2 ∥ 14,12 = 4,211 Ω
Req = R1 + 4,211 = 8 + 4,211 = 12,21 Ω

Відповідь

Req = 12,21 Ω
3.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: IR3 = 2,408 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.

R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 24 V). Невідомі: VA, VB.

ЗСК у вузлі A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/2 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/12 = 0
0,6333·VA − 0,08333·VB = 1,2

ЗСК у вузлі B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/12 = (−5)
−0,08333·VA + 0,1667·VB = −5

Розв’яжіть

Δ = (0,6333)(0,1667) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,09861
VA = Δ1/Δ = −0,2167/0,09861 = −2,197 V
VB = Δ2/Δ = −3,067/0,09861 = −31,1 V

Відповідь

IR3 = (VA − VB)/R3 = (−2,197 − −31,1)/12 = 2,408 A
4.Метод вузлових потенціалів

Відповідь: VA = 5,27 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​ = 4 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​5 ΩAR5​3 ΩBIs​1,5 A−+V2​36 V

Визначте вузли

Земля — нижній провід. Відомі вузлові напруги беруться прямо з джерел (V1 = 12 V, V2 = −36 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 − 12)/2 + (VA − VB)/4 = 0
0,95·VA − 0,25·VB = 6

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/3 + (VB − VA)/4 + (VB − (−36))/15 = (−1,5)
−0,25·VA + 0,65·VB = −3,9

Розв’яжіть

Δ = (0,95)(0,65) − (−0,25)(−0,25) = 0,555
VA = Δ1/Δ = 2,925/0,555 = 5,27 V
VB = Δ2/Δ = −2,205/0,555 = −3,973 V

Відповідь

VA = 5,27 V
5.Метод контурних струмів

Відповідь: IR2 = −0,9444 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​ = 3 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​10 VR3​6 ΩA+−V2​18 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
3·I1 + 6(I1 − I2) = 10
9·I1 − 6·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
10·I2 + 6(I2 − I1) = (−18)
−6·I1 + 16·I2 = −18

Розв’яжіть

Δ = (9)(16) − (−6)(−6) = 108
I1 = Δ1/Δ = 52/108 = 0,4815 A
I2 = Δ2/Δ = −102/108 = −0,9444 A

Відповідь

IR2 = I2 = −0,9444 A

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

6.Метод контурних струмів

Відповідь: VR3 = −10,89 V

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​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​5 VR4​3 ΩAR5​8 ΩB+−V2​15 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
5·I1 + 3(I1 − I2) = 5
8·I1 − 3·I2 = 5

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
2·I2 + 3(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 13·I2 − 8·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
10·I3 + 8(I3 − I2) = (−15)
−8·I2 + 18·I3 = −15

Розв’яжіть

Δ = визначник матриці коефіцієнтів = 1198
I1 = Δ1/Δ = 490/1198 = 0,409 A
I2 = Δ2/Δ = −690/1198 = −0,576 A
I3 = Δ3/Δ = −1305/1198 = −1,089 A

Відповідь

IR3 = I3 = −1,089 A
VR3 = IR3·R3 = −1,089·10 = −10,89 V

Від’ємний контурний струм тече проти годинникової стрілки.

7.Метод накладання

Відповідь: VR2 = 17,89 V

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​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​2 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 = 15+2 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·17/(8+17) = 5,44 Ω
VA = 24·5,44/(2+5,44) = 17,55 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 17,55·2/17 = 2,065 V
VR2′ = VA − 0 = 17,55 − 0 = 17,55 V
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩКЗR2​8 ΩAR4​2 ΩBIs​2 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 16,6 = 1,785 Ω
VB = Is·Req = 2·1,785 = 3,57 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3,57·1,6/16,6 = 0,3441 V
VR2″ = VA − 0 = 0,3441 − 0 = 0,3441 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 17,55 + 0,3441 = 17,89 V

Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.

8.Метод накладання

Відповідь: VR2 = 38,37 V

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​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​5 VR3​12 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) = 12 ∥ 55 = 9,851 Ω
VA = 5·9,851/(30+9,851) = 1,236 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,236·30/55 = 0,6742 V
VR2′ = VB − VA = 0,6742 − 1,236 = −0,5618 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​12 ΩAIs​2,5 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 = 8,571 Ω, тож лівий шлях — R2+8,571 = 33,57 Ω
Req = R4 ∥ 33,57 = 15,84 Ω
VB = Is·Req = 2,5·15,84 = 39,61 V
VA = VB·8,571/33,57 = 10,11 V
VR2″ = VB − VA = 39,61 − 10,11 = 29,49 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 ΩКЗR3​12 ΩAОБРИВB+−V2​24 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 24·33,57/63,57 = 12,67 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 12,67·8,571/33,57 = 3,236 V
VR2‴ = VB − VA = 12,67 − 3,236 = 9,438 V

Додайте складові

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−0,5618) + 29,49 + 9,438 = 38,37 V

Від’ємний результат означає, що насправді полярність протилежна вказаній.

9.Тевенен і Нортон

Відповідь: IL = 0,2647 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​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩКЗR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 5 = 7 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​4 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) = 9·4/(4+4) = 4,5 V
Rth​ = 7 Ω+−Vth​4,5 VRL​10 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) = 4,5/(7 + 10) = 0,2647 A
10.Тевенен і Нортон

Відповідь: IN = 3,24 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩКЗR2​30 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 = 3·30/(3+30) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 20 = 22,73 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAIs​3 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) = 5,455 + 3·2,727 = 13,64 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,64 + 3·20 = 73,64 V
IN​3,24 ARth​22,73 Ωab

Еквівалент Нортона

Джерело Нортона — те саме коло, подане як джерело струму, паралельне R_th. Його струм — це струм короткого замикання на a–b.

IN = Vth/Rth = 73,64/22,73 = 3,24 A
11.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 0,6931 ms

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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms

Виразіть час

0,75 = 1,5·e−t/τ → t = τ·ln(1,5/0,75)
t = 1·ln(2) = 0,6931 ms

Відповідь

t = 0,6931 ms
12.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: R = 1,24 kΩ

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.

Потрібна стала часу

7,2 = 12·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(12/(12 − 7,2))
τ = 25/0,9163 = 27,28 ms

Опір

kΩ помножити на µF дає мілісекунди.

R = τ/C = 27,28/22 = 1,24 kΩ

Відповідь

R = 1,24 kΩ
13.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: cos φ = 0,3977

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 = 6,283 Ω, XC = 144,7 Ω

Повний опір

|Z| = √(60² + (−138,4)²) = 150,8 Ω

Коефіцієнт потужності

cos φ = R/|Z| = 60/150,8 = 0,3977
Коло ємнісне, тож коефіцієнт потужності ємнісний (струм випереджає).

Відповідь

cos φ = 0,3977
14.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: I = 0,03031 A

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Повний опір

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−326,1)²) = 329,9 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 10/329,9 = 0,03031 A

Відповідь

I = 0,03031 A
15.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: R = 29,54 Ω

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.

Активний опір з активної потужності

R = P/I² = 1248/6,5² = 29,54 Ω

Відповідь

R = 29,54 Ω
16.Потужність змінного струму й коефіцієнт потужності

Відповідь: ΔP = 118,1 kW

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 наявного навантаження

Q1 = 74·tan(arccos 0,8) = 55,5 kvar

Найбільша сумарна активна потужність

За повного навантаження S = Smax, а Q від активного навантаження не змінюється.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 55,5²) = 192,1 kW

Додаткова активна потужність

ΔP = 192,1 − 74 = 118,1 kW

Відповідь

ΔP = 118,1 kW
17.Трифазні системи

Відповідь: P = 38,4 kW

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.

Фазна напруга

Vph = VL = 400 V

Фазний струм

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 400/10 = 40 A

Сумарна активна потужність

Активну потужність поглинає лише активна складова кожного опору.

P = 3·Iph²·R = 3·40²·8 = 38,4 kW

Відповідь

P = 38,4 kW

Перевірка: cos φ = R/|Z| = 0,8, і √3·VL·IL·cos φ дає ту саму потужність.

18.Трифазні системи

Відповідь: Cph = 1761 µF

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 0,72) = 150·0,9639 = 144,6 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Реактивна потужність від конденсаторів

QC = Q1 − Q2 = 95,28 kvar

Ємність на фазу

У батареї, з’єднаній зіркою, кожен конденсатор увімкнено між лінійним проводом і нейтральною точкою.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 31758/(314,2·239,6²) = 1761 µF

Відповідь

Cph = 1761 µF
19.Трансформатори

Відповідь: I1 = 0,2 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.

Вторинні напруга й струм

V2 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/30 = 4 A

Первинний струм

Ідеальний трансформатор не має втрат: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/20 = 0,2 A

Відповідь

I1 = 0,2 A

Перевірка: навантаження з боку первинної обмотки a²·RL = 12000 Ω, і 2400/12000 дає той самий струм.

20.Трансформатори

Відповідь: Sη,max = 28,87 kVA

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.

Втрати в міді дорівнюють втратам у сталі

x²·1200 = 400 → x = √(400/1200) = 0,5774

Навантаження при максимальному ККД

Sη,max = x·S = 0,5774·50 = 28,87 kVA

Відповідь

Sη,max = 28,87 kVA
21.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = 11,09 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₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 4·47/(47 + 47) = 2 V

Коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊, і струм через R₁ тече також через Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 2·(1 + 100/22) = 11,09 V

Відповідь

Vout = 11,09 V
22.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: Vout = −2,303 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.

Вхідні струми

V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.

I1 = V1/R1 = 0,8/2 = 0,4 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/10 = 0,09 mA
If = I1 + I2 = 0,49 mA

Вихідна напруга

Vout = −Rf·If = −4,7·0,49 = −2,303 V

Відповідь

Vout = −2,303 V
23.Діоди й транзистори

Відповідь: VCE = 6,417 V

Робоча точка БТ: в активному режимі VBE = 0,7 V, IC = β·IB і IE = (β + 1)·IB. Знайдіть IB з базового контуру за ЗНК, потім IC, потім VCE з контуру колектор–емітер. Дільник напруги в колі бази замінюють його еквівалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; емітерний резистор у базовому контурі виглядає в (β + 1) разів більшим.

Еквівалент Тевенена дільника

VTH = 15·12/(56 + 12) = 2,647 V
RTH = 56·12/(56 + 12) = 9,882 kΩ

Струм бази

ЗНК для базового контуру; струм емітера дорівнює (β + 1)·IB.

IB = (2,647 − 0,7)/(9,882 + 121·0,68) = 21,13 µA

Струм колектора

IC = 120·21,13 µA = 2,535 mA
IE = 121·21,13 µA = 2,556 mA

Напруга колектор–емітер

VCE = 15 − 2,535·2,7 − 2,556·0,68 = 6,417 V

Відповідь

VCE = 6,417 V
24.Діоди й транзистори

Відповідь: RB = 1,498 kΩ

БТ як ключ: щоб повністю ввімкнути навантаження, транзистор переводять у насичення, де VCE = VCE(sat), а струм колектора визначається навантаженням: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насичення потрібен струм бази щонайменше IB = IC(sat)/β. Якщо струм бази менший, транзистор залишається в активному режимі й IC = β·IB.

Струм колектора в насиченні

IC(sat) = (12 − 0,2)/680 = 17,35 mA

Мінімальний струм бази

IB(min) = IC(sat)/β = 17,35/50 = 347,1 µA

Розрахунковий струм бази

IB = 5·347,1 µA = 1735 µA

Базовий резистор

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/1,735 mA = 1,498 kΩ

Відповідь

RB = 1,498 kΩ
25.Системи числення

Відповідь: N = 5

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.

Додайте ваги

Інші біти зберігають свої звичайні додатні ваги.

4 + 1 = 5

Відповідь

N = 5
26.Системи числення

Відповідь: R = 126

Встановлення бітів: кожен біт має вагу степеня двійки (128, 64, …, 1). Одна шістнадцяткова цифра — це рівно чотири біти, а в 8-бітовому доповняльному коді крайній лівий біт має вагу −128. Порозрядні операції працюють з кожною позицією біта окремо.

Біт за бітом

OR дає 1, де принаймні один біт дорівнює 1.

0001 1110
OR 0110 1000
= 0111 1110

Значення результату

0111 1110₂ = 126

Відповідь

R = 126
27.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери

Відповідь: L = 15

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.

ABCD000111100001111010011312041507061121130151140809011110

Згрупуйте одиниці

Кожна група — це прямокутник із 2ᵏ клітинок; крайні клітинки є сусідами клітинок на протилежному краї.

B′CD′
BC′D
A′B′D′
ABD′
A′B′C

Мінімальна форма SOP

F = B′CD′ + BC′D + A′B′D′ + ABD′ + A′B′C
L = 15

Відповідь

L = 15

Існує інше групування того самого розміру; воно має таку саму кількість доданків і літералів.

28.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери

Відповідь: N = 4

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

T-тригер перемикається за кожним переднім фронтом при T = 1 і зберігає стан при T = 0.

1: T = 0 → Q = 0
2: T = 1 → Q = 1
3: T = 0 → Q = 1
4: T = 1 → Q = 0
5: T = 1 → Q = 1
6: T = 0 → Q = 1
7: T = 1 → Q = 0

Порахуйте зміни

0 → 0 → 1 → 1 → 0 → 1 → 1 → 0
N = 4

Відповідь

N = 4
29.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.5) = 0,609

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

Простіші дроби

2s + 13 = 2(s + 4) + 5
F(s) = 2/(s + 4) + 5/(s + 4)²

Обернене перетворення

f(t) = 2·e−4t + 5·t·e−4t
f(0,5) = (2 + 5·0,5)·e−4·0,5 = 0,609

Відповідь

f(0,5) = 0,609
30.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.2) = 2,456

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).

Передатна функція

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 15)/(s² + 6s + 5)

Простіші дроби

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = 3, B = 0

Імпульсна характеристика

g(t) = 3·e−t
g(0,2) = 2,456

Відповідь

g(0,2) = 2,456
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) = 20/(s + 10 + 2) = 20/(s + 12)

Результат

τ = 1/12 = 0,08333 s

Відповідь

τ = 0,08333 s
32.Блок-схеми

Відповідь: ω = 7,483 rad/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).

Характеристичне рівняння

s³ + 14s² + 56s + 64 + K = 0

Таблиця Рауса

s³ | 1 56
s² | 14 64 + K
s¹ | (14·56 − 64 − K)/14
s⁰ | 64 + K

Межа стійкості

Усі елементи першого стовпця мають бути додатними.

Kmax = 14·56 − 64 = 720

Частота коливань

14·(jω)² + 64 + 720 = 0 → ω² = 784/14 = 56
ω = 7,483 rad/s

Відповідь

ω = 7,483 rad/s
33.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 4,123 rad/s

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 = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4,123) = 0,2425

Результат

ωₙ = 4,123 rad/s

Відповідь

ωn = 4,123 rad/s
34.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 36,98 %

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).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = √(k/m) = √(400/5) = 8,944 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 27/(2·√(400·5)) = 0,3019

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 36,98 %

Відповідь

%OS = 36,98 %
35.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |G(jω)| = 11,5 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.

Перемножте модулі

|G(j20)| = 1881/(√(20² + 9²)·√(20² + 11²)) = 1881/(21,93·22,83) = 3,757

Результат

20·log₁₀(3,757) = 11,5 dB

Відповідь

|G(jω)| = 11,5 dB
36.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ω180 = 5,292 rad/s

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/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

Відповідь

ω180 = 5,292 rad/s
37.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: N = 2

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

s³ + 10s² + 16s + 240 = 0

Таблиця Рауса

s³: 1, 16
s²: 10, 240
s¹: −8
s⁰: 240

Зміни знака в першому стовпці

1 → 10 → −8 → 240
N = 2

Відповідь

N = 2

Коефіцієнт підсилення вищий за межу K = 160, тож комплексна пара перейшла в праву півплощину.

38.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: ω = 8,602 rad/s

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.

Критичний коефіцієнт підсилення

s³ + 15s² + 74s + 120 + K = 0
s¹: (15·74 − 120 − K)/15 = 0 → K = 990

Частота перетину

15s² + 120 + 990 = 15s² + 1110 = 0 → s² = −74
ω = √74 = 8,602 rad/s

Відповідь

ω = 8,602 rad/s
39.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 5

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.

Швидкісна константа

Kv = lim s·G(s) = 0,2

Східчаста частина

Kp = ∞ → estep = 0

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 1/0,2 = 5

Відповідь

ess = 5
40.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kp = 10,2

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 + 1).

s² + (1 + 1Kp)s + 1Ki

Цільовий поліном

s² + 2·0,7·8s + 8² = s² + 11,2s + 64

Зіставте коефіцієнти

1 + 1Kp = 11,2 → Kp = 10,2

Відповідь

Kp = 10,2

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