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.Šuolinė reakcijaVidutinis
Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 5/(s² + 3s + 10), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 5/(s² + 3s + 10)
tp = s
2.Šuolinė reakcijaSunkus
8 kg masė kabo ant 5000 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 80 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 50 N. Raskite laiką tp, kai poslinkis didžiausias.
m = 8 kgk = 5000 N/mc = 80 N·s/mF = 50 N
tp = s
3.Bode grafikai ir atsargosVidutinis
Parodytame nuosekliajame RLC juostiniame filtre išėjimas imamas ant R = 10 Ω, kai L = 20 mH ir C = 0,1 µF. Raskite −3 dB juostos plotį BW Hz.
R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,1 µF
BW = Hz
4.Bode grafikai ir atsargosSunkus
Vienetinio grįžtamojo ryšio kilpos atvirosios kilpos perdavimo funkcija yra L(s) = 1000/(s(s + 20)). Raskite stiprinimo kirtimo dažnį ωc, kai |L(jω)| = 1.
L(s) = 1000/(s(s + 20))
ωc = rad/s
5.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vietaVidutinis
Objektas G(s) = (s + 1)/((s − 2)(s + 2)) turi nestabilų polių ties s = 2. Proporcinis stiprinimas K uždaro aplink jį vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą. Raskite mažiausią stiprinimą Kmin, su kuriuo uždarasis kontūras tampa stabilus.
G(s) = (s + 1)/((s − 2)(s + 2))
Kmin =
6.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vietaSunkus
Pavaizduota kontūro L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5)) šaknų geometrinė vieta. Raskite dažnį ω, kuriuo geometrinė vieta kerta menamąją ašį.
L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
7.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasVidutinis
Į vienetinio grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio G(s) = 50(s + 1)/(s(s + 4)), paduodamas signalas r(t) = 1 + 0,5t (šuolis ir rampa). Raskite nusistovėjusiąją paklaidą ess.
G(s) = 50(s + 1)/(s(s + 4))r(t) = 1 + 0,5t
ess =
8.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymasSunkus
Proporcinis reguliatorius K = 8 valdo objektą G(s) = 5/(s(s + 10)) vienetinio grįžtamojo ryšio kontūre. Raskite šuolinės reakcijos pikų laiką tp.
G(s) = 5/(s(s + 10))K = 8
tp = s
9.Struktūrinės schemosVidutinis
Objektas G(s) = 3/(s + 1) turi vidinį (mažąjį) neigiamo grįžtamojo ryšio kontūrą, kurio stiprinimas H₁ = 5. Valdiklio stiprinimas K = 7 ir išorinis vienetinio neigiamo grįžtamojo ryšio kontūras uždaro sistemą. Raskite uždarosios sistemos polių p.
G(s) = 3/(s + 1)H₁ = 5K = 7
p =
10.Struktūrinės schemosSunkus
Sutrumpinkite struktūrinę schemą su G₁ = 12/(s + 2), G₂ = 3/(s + 6), vidiniu neigiamu grįžtamuoju ryšiu H₁ = 2 aplink G₂ ir išoriniu neigiamu grįžtamuoju ryšiu H₂ = 1. Raskite C(s)/R(s) nuolatinės srovės stiprinimą T(0).
G₁ = 12/(s + 2)G₂ = 3/(s + 6)H₁ = 2H₂ = 1
T(0) =
3Tirpalai
1.Šuolinė reakcija
Atsakymas: tp = 1,128 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).
Savasis dažnis ir slopinimo koeficientas
ωₙ = √(k/m) = √(5000/8) = 25 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 80/(2·√(5000·8)) = 0,2
Rezultatas
ωd = 24,49 rad/s
tp = π/ωd = 0,1283 s
Atsakymas
tp = 0,1283 s
3.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: BW = 79,58 Hz
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.
Rezonansinis dažnis
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1 × 10⁻⁷) = 22361 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3559 Hz
Juostos plotis
BW = R/L = 10/0,02 = 500 rad/s = 79,58 Hz
Atsakymas
BW = 79,58 Hz
4.Bode grafikai ir atsargos
Atsakymas: ωc = 28,63 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.
Stiprinimo kirtimas
ω⁴ + 400ω² − 1 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1 × 10⁶))/2 = 819,8
ωc = 28,63 rad/s
Atsakymas
ωc = 28,63 rad/s
5.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vieta
Atsakymas: Kmin = 4
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.
Daugianariui s² + c₁s + c₀ visos šaknys yra kairiojoje pusplokštumėje tada ir tik tada, kai c₁ > 0 ir c₀ > 0.
0 + K > 0 → K > 0
1K − 4 > 0 → K > 4
Kmin = 4
Atsakymas
Kmin = 4
6.Stabilumas: Rauso–Hurvico kriterijus ir šaknų geometrinė vieta
Atsakymas: ω = 6,856 rad/s
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.
Kritinis stiprinimas
s³ + 12s² + 47s + 60 + K = 0
s¹: (12·47 − 60 − K)/12 = 0 → K = 504
Kirtimo dažnis
12s² + 60 + 504 = 12s² + 564 = 0 → s² = −47
ω = √47 = 6,856 rad/s
Atsakymas
ω = 6,856 rad/s
7.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: ess = 0,04
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) = 12,5
Šuolio dalis
Kp = ∞ → estep = 0
Rampos paklaida
ess = 0,5/12,5 = 0,04
Atsakymas
ess = 0,04
8.Nusistovėjusioji paklaida ir PID valdymas
Atsakymas: tp = 0,8112 s
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 + 10) + 8·5 = s² + 10s + 40
ωₙ ir ζ
ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906
Maksimumo laikas
ωd = 6,325·√(1 − 0,7906²) = 3,873 rad/s
tp = π/3,873 = 0,8112 s
Atsakymas
tp = 0,8112 s
9.Struktūrinės schemos
Atsakymas: p = −37
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).
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).