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
Pilnojo kvadrato išskyrimo būdu raskite f(t), kai F(s) = (s + 27)/(s² + 8s + 20), ir apskaičiuokite f(0,5).
F(s) = (s + 27)/(s² + 8s + 20)t = 0,5 s
f(0.5) =
2.Laplaso transformacijosSunkus
Sistema aprašoma diferencialine lygtimi y″ + 2y′ + 2y = 4u′ + 12u, 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 = 1,5 s. Raskite g(1,5).
y″ + 2y′ + 2y = 4u′ + 12ut = 1,5 s
g(1.5) =
3.Struktūrinės schemosVidutinis
Vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūre G(s) = 3(s + 5)/((s + 6)(s + 7)). Prie atskaitos signalo prijungiamas 2 dydžio šuolis. Raskite nusistovėjusią paklaidą ess.
G(s) = 3(s + 5)/((s + 6)(s + 7))R = 2
ess =
4.Struktūrinės schemosSunkus
Objektas G(s) = K/(s(s + 2)(s + 9)) įtrauktas į vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūrą. Raucho ir Hurvico kriterijumi raskite didžiausią stiprinimą Kmax, su kuriuo uždaroji sistema stabili.
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 92/(s² + 15s + 92), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite santykinį slopinimo koeficientą ζ.
G(s) = 92/(s² + 15s + 92)
ζ =
6.Šuolinė reakcijaSunkus
10 kg masė kabo ant 5000 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 45 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 50 N. Raskite didžiausią poslinkį xmax mm.
m = 10 kgk = 5000 N/mc = 45 N·s/mF = 50 N
xmax = mm
7.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vietaVidutinis
Schemoje pavaizduotas kontūras veikia, kai K = 125, o L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)). Kiek kartų m galima padidinti stiprinimą, kol uždarasis kontūras taps nestabilus?
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))K = 125
m =
8.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vietaSunkus
Kontūro L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8)) šaknų geometrinė vieta palieka realiąją ašį tarp s = 0 ir s = −5. Raskite atsiskyrimo tašką sb.
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))
sb =
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 50/(s(s + 10)), paduodamas signalas r(t) = 2 + 1t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 50/(s(s + 10))r(t) = 2 + 1t
ess =
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
PI reguliatorius C(s) = 2 + 4/s valdo objektą G(s) = 2/((s + 4)(s + 5)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess, kai įėjimas yra rampa r(t) = 2t.
C(s) = 2 + 4/sG(s) = 2/((s + 4)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
11.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
Parodytas RC žemųjų dažnių filtras turi R = 47 kΩ, C = 2,2 nF. Taikoma sinusinė įvestis 3,1 kHz. Raskite stiprinimą |H| = |vout/vin| dB.
R = 47 kΩC = 2,2 nFf = 3,1 kHz
|H| = dB
12.Bode grafikai ir atsargosSunkus
Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 64/(s(s + 8)). Raskite fazės atsargą PM laipsniais.
L(s) = 64/(s(s + 8))
PM = °
3Tirpalai
1.Laplaso transformacijos
Atsakymas: f(0.5) = 1,383
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).
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).
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).
Padėties paklaidos konstanta
Kₚ = G(0) = 3·5/(6·7) = 0,3571
Nusistovėjusi paklaida
ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0,3571) = 1,474
Atsakymas
ess = 1,474
4.Struktūrinės schemos
Atsakymas: Kmax = 198
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
s³ + 11s² + 18s + K = 0
Raucho lentelė
s³ | 1 18
s² | 11 K
s¹ | (11·18 − K)/11
s⁰ | K
Stabilumo riba
Visi pirmojo stulpelio elementai turi būti teigiami.
Kmax = 11·18 = 198
Atsakymas
Kmax = 198
5.Šuolinė reakcija
Atsakymas: ζ = 0,7819
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).
Palyginkite su standartine forma
Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 92 → ωₙ = 9,592 rad/s
2ζωₙ = 15 → ζ = 15/(2·9,592) = 0,7819
Rezultatas
ζ = 0,7819
Atsakymas
ζ = 0,7819
6.Šuolinė reakcija
Atsakymas: xmax = 17,28 mm
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).
Savasis dažnis ir slopinimo koeficientas
ωₙ = √(k/m) = √(5000/10) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 45/(2·√(5000·10)) = 0,1006
Rezultatas
xst = F/k = 50/5000 m = 10 mm
%OS = 72,78 %
xmax = 10·(1 + 0,7278) = 17,28 mm
Atsakymas
xmax = 17,28 mm
7.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vieta
Atsakymas: m = 6
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.
Raucho lentelė
s³ + 15s² + 50s + K = 0
s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K
Didžiausias stabilus stiprinimas
Kmax = 15·50 = 750
Koeficientas
m = 750/125 = 6
Atsakymas
m = 6
Šis koeficientas yra stiprinimo atsarga santykiu: 15,56 dB.
8.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vieta
Atsakymas: sb = −2
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.
Stiprinimas išilgai realiosios ašies
K(s) = −s(s + 5)(s + 8) = −(s³ + 13s² + 40s)
Stacionarieji taškai
dK/ds = −(3s² + 26s + 40) = 0
s = (−26 ± √(676 − 480))/6 = −2, −6,667
Pasirinkite geometrinės vietos tašką
Geometrinė vieta yra realiojoje ašyje tarp 0 ir −5; kita šaknis jai nepriklauso.
sb = −2
Atsakymas
sb = −2
9.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,2
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.
Greičio konstanta
Kv = lim s·G(s) = 5
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 1/5 = 0,2
Atsakymas
ess = 0,2
10.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 5
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).
Greičio konstanta
s·C(s) = 2s + 4 → 4, kai s → 0.
Kv = 4·2/20 = 0,4
Rampos paklaida
ess = 2/0,4 = 5
Atsakymas
ess = 5
PI reguliatorius visiškai panaikina šuolio paklaidą; rampa seka su pastoviu atsilikimu.
11.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: |H| = −7,038 dB
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 = 1/(RC) = 1/(47000·2,2 × 10⁻⁹) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 3100/1539 = 2,014
Stiprinimas
|H| = 1/√(1 + 2,014²) = 0,4447
20·log₁₀(0,4447) = −7,038 dB
Atsakymas
|H| = −7,038 dB
12.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: PM = 51,83 °
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.