Koeficientus pakaitomis surašykite į pirmąsias dvi Rauso lentelės eilutes ir sudarykite likusias eilutes.
Suskaičiuokite pirmojo stulpelio ženklo kaitas: kiekviena yra vienas polius dešiniojoje pusplokštumėje. Kai lentelėje yra K, reikalaukite, kad kiekvienas pirmojo stulpelio elementas liktų teigiamas.
Šaknų geometrinei vietai pažymėkite polius ir nulius, realiosios ašies ruožus, asimptotes iš centroido ir lūžio taškus, kur dK/ds = 0. Stiprinimui taške naudokite K = 1/|G(s)|.
Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Sistemos tipas
G(s) polių ties s = 0 skaičius
Paklaidos konstantos
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Šuolis A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parabolė A·t²/2
ess = A/Ka
PID reguliatorius
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Antrosios eilės tikslas
s² + 2ζωns + ωn²
Viršijimas ir laiko rodikliai
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Metodas
Suskaičiuokite atvirojo kontūro C(s)·G(s) polius ties s = 0: tai yra sistemos tipas.
Taikykite ess = A/(1 + Kp), A/Kv arba A/Ka arba išspręskite jį reikiamam stiprinimui.
Slopinimo ar greičio reikalavimui užrašykite uždarojo kontūro charakteristinį daugianarį ir sulyginkite jį su s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Uždaviniai
1.Laplaso transformacijosVidutinis
Raskite f(t), kai F(s) = (4s + 27)/(s² + 6s + 9), ir apskaičiuokite f(0,3).
F(s) = (4s + 27)/(s² + 6s + 9)t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 7y′ + 6y = 2u′ + 9u, kurios įėjimas u(t), o išėjimas y(t). Raskite jos perdavimo funkciją G(s) = Y(s)/U(s) (pradinės sąlygos nulinės) ir apskaičiuokite impulsinę reakciją g(t) ties t = 0,4 s. Raskite g(0,4).
y″ + 7y′ + 6y = 2u′ + 9ut = 0,4 s
g(0.4) =
3.Struktūrinės schemosVidutinis
Objektas G(s) = 4/(s + 1) valdomas neigiamo grįžtamojo ryšio kontūru, kurio jutiklio stiprinimas H = 0,5. Prie R prijungiamas 24 dydžio šuolis. Raskite nusistovėjusį išėjimą css.
G(s) = 4/(s + 1)H = 0,5R = 24
css =
4.Struktūrinės schemosSunkus
Objektas G(s) = 42/(s(s + 9)) įtrauktas į neigiamo grįžtamojo ryšio kontūrą su jutiklio stiprinimu H = 2. Uždarosios sistemos poliai kompleksiniai. Raskite jų realiąją dalį σ.
G(s) = 42/(s(s + 9))H = 2
σ =
5.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 24/(s² + 3s + 48), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 24/(s² + 3s + 48)
tp = s
6.Šuolinė reakcijaSunkus
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/(s(s + 6)). Raskite stiprinimą K, kuriam esant šuolinė reakcija turi 25 % viršijimą.
G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 25 %
K =
7.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vietaVidutinis
Schemoje pavaizduotame kontūre naudojamas teigiamas grįžtamasis ryšys, L(s) = 2/(s(s + 5)(s + 8)). Kiek uždarojo kontūro polių N yra dešiniojoje pusplokštumėje?
L(s) = 2/(s(s + 5)(s + 8))
N =
8.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vietaSunkus
Pavaizduota kontūro L(s) = K/(s(s + 8)) šaknų geometrinė vieta. Raskite stiprinimą K, kuriam esant uždarojo kontūro polių slopinimo koeficientas yra ζ = 0,6.
L(s) = K/(s(s + 8))ζ = 0,6
K =
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = K/((s + 2)(s + 5)). Raskite stiprinimą K, su kuriuo šuolio įėjimo nusistovėjusioji paklaida yra 5 %.
G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 5 %
K =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 25 valdo objektą G(s) = 4/(s(s + 4)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.
G(s) = 4/(s(s + 4))K = 25
%OS = %
11.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
Parodytas RL aukštųjų dažnių filtras turi R = 100 Ω, L = 10 mH. Taikoma sinusinė įvestis 320 Hz. Raskite vout fazės poslinkį φ vin atžvilgiu laipsniais.
R = 100 ΩL = 10 mHf = 320 Hz
φ = °
12.Bode grafikai ir atsargosSunkus
Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 100/(s(s + 2)(s + 8)). Raskite fazės kirtimo dažnį ω180, kai ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 100/(s(s + 2)(s + 8))
ω180 = rad/s
3Tirpalai
1.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.3) = 3,456
Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 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), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Išskaidykite vardiklį dauginamaisiais
s² + 6s + 9 = (s + 3)²
Paprastosios trupmenos
4s + 27 = 4(s + 3) + 15
F(s) = 4/(s + 3) + 15/(s + 3)²
Atvirkštinė transformacija
f(t) = 4·e−3t + 15·t·e−3t
f(0,3) = (4 + 15·0,3)·e−3·0,3 = 3,456
Atsakymas
f(0,3) = 3,456
2.Laplaso transformacijos
Atsakymas: g(0.4) = 0,9929
Laplaso transformacija: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt išvestines paverčia daugyba iš s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standartinės poros: 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), o postūmis s → s + σ laiko funkciją padaugina iš e−σt. Norėdami atlikti racionaliosios F(s) atvirkštinę transformaciją, išskaidykite ją į paprastąsias trupmenas: paprastojo poliaus p reziduumas yra A = [(s − p)·F(s)] ties s = p. Galutinės vertės teorema: f(∞) = lims→0 s·F(s), galioja tik tada, kai visi s·F(s) poliai yra kairiojoje pusplokštumėje. Pradinės vertės teorema: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Perdavimo funkcija
G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 9)/(s² + 7s + 6)
Paprastosios trupmenos
s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 1,4, B = 0,6
Impulsinė reakcija
g(t) = 1,4·e−t + 0,6·e−6t
g(0,4) = 0,9929
Atsakymas
g(0,4) = 0,9929
3.Struktūrinės schemos
Atsakymas: css = 32
Struktūrinių schemų algebra: nuosekliai sujungti blokai dauginami (G₁·G₂), lygiagrečiai sujungti blokai sudedami (G₁ + G₂), o kontūras su tiesioginiu keliu G ir grįžtamuoju ryšiu H sutrumpinamas iki T = G/(1 + G·H) neigiamam grįžtamajam ryšiui ir G/(1 − G·H) teigiamam grįžtamajam ryšiui. Pirmiausia sutrumpinkite vidinius kontūrus, tada eikite į išorę. Uždarosios sistemos poliai yra charakteristinės lygties 1 + G(s)H(s) = 0 šaknys. Stabilioje sistemoje A dydžio šuolinis įėjimas duoda nusistovėjusį išėjimą A·T(0); esant vienetiniam grįžtamajam ryšiui nusistovėjusi paklaida šuoliui yra A/(1 + Kp), kur Kp = G(0).
Uždarosios sistemos perdavimo funkcija
T(s) = G/(1 + G·H) = 4/(s + 1 + 2) = 4/(s + 3)
Rezultatas
css = R·T(0) = 24·4/3 = 32
Atsakymas
css = 32
4.Struktūrinės schemos
Atsakymas: σ = −4,5
Struktūrinių schemų algebra: nuosekliai sujungti blokai dauginami (G₁·G₂), lygiagrečiai sujungti blokai sudedami (G₁ + G₂), o kontūras su tiesioginiu keliu G ir grįžtamuoju ryšiu H sutrumpinamas iki T = G/(1 + G·H) neigiamam grįžtamajam ryšiui ir G/(1 − G·H) teigiamam grįžtamajam ryšiui. Pirmiausia sutrumpinkite vidinius kontūrus, tada eikite į išorę. Uždarosios sistemos poliai yra charakteristinės lygties 1 + G(s)H(s) = 0 šaknys. Stabilioje sistemoje A dydžio šuolinis įėjimas duoda nusistovėjusį išėjimą A·T(0); esant vienetiniam grįžtamajam ryšiui nusistovėjusi paklaida šuoliui yra A/(1 + Kp), kur Kp = G(0).
Charakteringoji lygtis
s(s + 9) + 42·2 = 0 → s² + 9s + 84 = 0
Šaknys
s = −4,5 ± j·√(84 − 20,25) = −4,5 ± j7,984
σ = −4,5
Atsakymas
σ = −4,5
5.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 0,4645 s
Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).
Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).
Uždarosios sistemos perdavimo funkcija
T(s) = K/(s² + 6s + K)
Slopinimo koeficientas iš viršijimo
ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037
Stiprinimas
ωₙ = 6/(2ζ) = 7,431 rad/s
K = ωₙ² = 55,22
Atsakymas
K = 55,22
7.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vieta
Atsakymas: N = 1
Rauso–Hurvico kriterijus: tiesinė sistema yra stabili, kai visos jos charakteristinio daugianario šaknys yra kairiojoje s plokštumos pusėje. Koeficientus pakaitomis surašykite į pirmąsias dvi Rauso lentelės eilutes. Kiekvienas naujos eilutės elementas apskaičiuojamas iš dviejų aukščiau esančių eilučių; kubiniam daugianariui a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ elementas s¹ eilutėje yra b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Ženklo kaitų skaičius pirmajame stulpelyje lygus šaknų skaičiui dešiniojoje pusplokštumėje. Kai koeficientuose yra stiprinimas K, visi pirmojo stulpelio elementai turi likti teigiami: stiprinimas, kuriam esant s¹ eilutės elementas lygus nuliui, yra stabilumo riba, o s² eilutė tuomet duoda nuolatinių svyravimų dažnį.
Charakteristinis daugianaris
s³ + 13s² + 40s − 2 = 0
Raucho lentelė
s³: 1, 40
s²: 13, −2
s¹: 40,15
s⁰: −2
Pirmojo stulpelio ženklo kaitos
1 → 13 → 40,15 → −2
N = 1
Atsakymas
N = 1
Teigiamas grįžtamasis ryšys laisvąjį koeficientą padaro neigiamą: vienas realusis polius visada patenka į dešiniąją pusplokštumę.
8.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vieta
Atsakymas: K = 44,44
Šaknų geometrinė vieta: stiprinimui K didėjant nuo 0 iki ∞, uždarojo kontūro poliai, t. y. lygties 1 + K·G(s) = 0 šaknys, juda iš atvirojo kontūro polių į atvirojo kontūro nulius arba į begalybę. Realiosios ašies taškas priklauso geometrinei vietai, kai realiųjų polių ir nulių skaičius į dešinę nuo jo yra nelyginis. n − m šakų, einančių į begalybę, seka asimptotes kampais (2q + 1)·180°/(n − m), kurios išeina iš centroido σₐ = (Σ polių − Σ nulių)/(n − m). Šakos palieka realiąją ašį arba prie jos prisijungia ten, kur dK/ds = 0. Kampo sąlyga ∠G(s) = 180° nustato formą, o modulio sąlyga K = 1/|G(s)| duoda stiprinimą bet kuriame geometrinės vietos taške.
Palyginkite su standartine forma
s² + 8s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6,667 rad/s
Stiprinimas
K = ωₙ² = 6,667² = 44,44
Atsakymas
K = 44,44
Uždarojo kontūro poliai yra ten, kur ζ tiesė kerta vertikaliąją šaką ties s = −4.
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: K = 190
Nusistovėjusioji paklaida: vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre, kurio atvirojo kontūro perdavimo funkcija yra G(s), paklaida yra E(s) = R(s)/(1 + G(s)), o pagal galutinės reikšmės teoremą ess = lims→0 s·E(s). Sistemos tipas yra G(s) polių ties s = 0 skaičius. Paklaidos konstantos yra Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) ir Ka = lim s²·G(s), visos kai s → 0. A dydžio šuolis duoda ess = A/(1 + Kp), rampa A·t duoda A/Kv, o parabolė A·t²/2 duoda A/Ka. 0 tipo kontūras šuolį seka su baigtine paklaida, 1 tipo kontūras seka jį tiksliai, o rampą – su baigtine paklaida.
Reikiama paklaidos konstanta
1/(1 + Kp) = 0,05 → Kp = 19
Stiprinimas
K/10 = 19 → K = 190
Atsakymas
K = 190
Patikrinkite ir uždarojo kontūro stabilumą: šiam antrosios eilės kontūrui stabilus bet koks K > 0.
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: %OS = 52,66 %
P, PI ir PID valdymas: reguliatorius C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s veikia pagal paklaidą. Proporcinis stiprinimas pagreitina kontūrą ir sumažina 0 tipo objekto paklaidą, bet niekada jos nepanaikina. Integralinis narys prideda polių ties s = 0: sistemos tipas padidėja vienetu, o šuolis seka be paklaidos. Diferencialinis narys prideda slopinimo. Norėdami parinkti stiprinimus, užrašykite uždarojo kontūro charakteristinį daugianarį ir palyginkite jį su s² + 2ζωns + ωn². Tuomet %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, kur ωd = ωn√(1 − ζ²), o ts ≈ 4/(ζωn).
Charakteristinis daugianaris
s(s + 4) + 25·4 = s² + 4s + 100
ωₙ ir ζ
ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 4/(2·10) = 0,2
Viršijimas
%OS = 100·e−0,2π/√(1 − 0,2²) = 52,66 %
Atsakymas
%OS = 52,66 %
11.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: φ = 78,63 °
Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.
Lūžio dažnis
ωc = R/L = 100/0,01 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 320/1592 = 0,2011
Fazė
φ = 90° − atan(0,2011) = 78,63°
Atsakymas
φ = 78,63°
12.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: ω180 = 4 rad/s
Dažninė charakteristika: perdavimo funkcijoje įrašykite s = jω. Modulis decibelais yra 20·log₁₀|H(jω)|, o fazė yra skaitiklio dauginamųjų kampų suma minus vardiklio dauginamųjų kampų suma. Pirmos eilės RC ar RL filtras turi lūžio (−3 dB) dažnį ωc = 1/(RC) arba R/L, o fc = ωc/(2π); žemųjų dažnių filtras duoda |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ir φ = −atan(ω/ωc). Asimptotiniame (tiesių atkarpų) Bode grafike kiekvienas polius sulenkia modulį žemyn 20 dB/dekadai ties savo lūžio dažniu, kiekvienas nulis sulenkia jį aukštyn 20 dB/dekadai, o integratorius 1/s visais dažniais duoda −20 dB/dekadai. Stiprinimo kirtimo dažnis ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fazės atsarga PM = 180° + ∠L(jωc). Fazės kirtimo dažnis ω180: ∠L(jω) = −180°; stiprinimo atsarga GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Uždaroji kilpa stabili, kai abi atsargos teigiamos.