Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.
Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Метод
Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Тренировочные задачи
1.Преобразования ЛапласаСредняя
Найдите f(t) для F(s) = (5s + 25)/(s² + 6s + 25) выделением полного квадрата и вычислите f(0,4).
F(s) = (5s + 25)/(s² + 6s + 25)t = 0,4 s
f(0.4) =
2.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t), где y(0) = 5 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 5. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,1).
Объект G(s) = 7/(s + 6) охвачен внутренним (малым) контуром отрицательной обратной связи с коэффициентом H₁ = 1. Коэффициент регулятора K = 10, и система замыкается внешним контуром единичной отрицательной обратной связи. Найдите полюс замкнутой системы p.
G(s) = 7/(s + 6)H₁ = 1K = 10
p =
4.Структурные схемыСложная
Объект G(s) = 12/(s(s + 4)) охвачен отрицательной обратной связью с коэффициентом датчика H = 0,5. Полюсы замкнутой системы комплексные. Найдите их вещественную часть σ.
G(s) = 12/(s(s + 4))H = 0,5
σ =
5.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 97/(s² + 12s + 97) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите собственную частоту ωn в rad/s.
G(s) = 97/(s² + 12s + 97)
ωn = rad/s
6.Переходная характеристикаСложная
Последовательная RLC-цепь с R = 120 Ω, L = 10 mH и C = 1 µF подключается к ступеньке 12 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите пиковое напряжение vC,max на конденсаторе.
R = 120 ΩL = 10 mHC = 1 µFV = 12 V
vC,max = V
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме работает при K = 6, L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)). Во сколько раз m можно увеличить коэффициент усиления, прежде чем замкнутая система станет неустойчивой?
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))K = 6
m =
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Эскиз корневого годографа для L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 6)). Найдите частоту ω, на которой годограф пересекает мнимую ось.
L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 6))
ω = rad/s
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 2)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 2t с установившейся ошибкой 0,02. Найдите коэффициент усиления K.
G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 2tess = 0,02
K =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K = 16 управляет объектом G(s) = 4/(s(s + 8)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 4/(s(s + 8))K = 16
%OS = %
11.Диаграммы Боде и запасыСредняя
В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 10 Ω при L = 5 mH и C = 0,1 µF. Найдите полосу пропускания по уровню −3 dB BW в Hz.
R = 10 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
BW = Hz
12.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 18/(s(s + 2)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.
L(s) = 18/(s(s + 2))
ωc = rad/s
3Растворы
1.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.4) = 0,7087
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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 сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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 сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Преобразование уравнения
(s² + 5s + 6)·Y(s) = 5s + 25 + 120/s
Y(s) = (5s² + 25s + 120)/(s(s + 2)(s + 3))
Простые дроби
A = 120/(2·3) = 20
B = 90/((−2)·1) = −45
C = 90/((−3)·(−1)) = 30
Результат
y(t) = 20 − 45·e−2t + 30·e−3t
y(0,1) = 5,382
Ответ
y(0,1) = 5,382
Проверка: y(0) = A + B + C = 5.
3.Структурные схемы
Ответ: p = −83
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).
Характеристическое уравнение
s(s + 4) + 12·0,5 = 0 → s² + 4s + 6 = 0
Корни
s = −2 ± j·√(6 − 4) = −2 ± j1,414
σ = −2
Ответ
σ = −2
5.Переходная характеристика
Ответ: ωn = 9,849 rad/s
Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).
Сравните со стандартной формой
Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9,849) = 0,6092
Результат
ωₙ = 9,849 rad/s
Ответ
ωn = 9,849 rad/s
6.Переходная характеристика
Ответ: vC,max = 13,14 V
Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).
Собственная частота и коэффициент демпфирования
ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (120/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,01) = 0,6
Результат
%OS = 9,478 %
vC,max = 12·(1 + 0,09478) = 13,14 V
Ответ
vC,max = 13,14 V
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: m = 5
Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.
Таблица Рауса
s³ + 6s² + 5s + K = 0
s³: 1, 5
s²: 6, K
s¹: (6·5 − K)/6
s⁰: K
Наибольший устойчивый коэффициент усиления
Kmax = 6·5 = 30
Множитель
m = 30/6 = 5
Ответ
m = 5
Этот множитель — запас по усилению в разах: 13,98 dB.
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: ω = 4,472 rad/s
Корневой годограф: при изменении коэффициента усиления K от 0 до ∞ полюса замкнутой системы, то есть корни уравнения 1 + K·G(s) = 0, перемещаются от полюсов разомкнутой системы к её нулям или в бесконечность. Точка на вещественной оси принадлежит годографу, если число вещественных полюсов и нулей правее неё нечётно. Ветви, уходящие в бесконечность (их n − m), идут вдоль асимптот под углами (2q + 1)·180°/(n − m), выходящих из центра асимптот σₐ = (Σ полюсов − Σ нулей)/(n − m). Ветви покидают вещественную ось или возвращаются на неё там, где dK/ds = 0. Условие по углу ∠G(s) = 180° определяет форму годографа, а условие по модулю K = 1/|G(s)| даёт коэффициент усиления в любой точке годографа.
Критический коэффициент усиления
s³ + 9s² + 20s + 12 + K = 0
s¹: (9·20 − 12 − K)/9 = 0 → K = 168
Частота пересечения
9s² + 12 + 168 = 9s² + 180 = 0 → s² = −20
ω = √20 = 4,472 rad/s
Ответ
ω = 4,472 rad/s
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 200
Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.
Требуемый коэффициент скоростной ошибки
Kv = A/ess = 2/0,02 = 100
Коэффициент усиления
K = 2·Kv = 200
Ответ
K = 200
Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,07071. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: %OS = 16,3 %
П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).
Характеристический полином
s(s + 8) + 16·4 = s² + 8s + 64
ωₙ и ζ
ωₙ = √64 = 8 rad/s
ζ = 8/(2·8) = 0,5
Перерегулирование
%OS = 100·e−0,5π/√(1 − 0,5²) = 16,3 %
Ответ
%OS = 16,3 %
11.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: BW = 318,3 Hz
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.
Резонансная частота
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·1 × 10⁻⁷) = 44721 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7118 Hz
Полоса пропускания
BW = R/L = 10/0,005 = 2000 rad/s = 318,3 Hz
Ответ
BW = 318,3 Hz
12.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ωc = 4,014 rad/s
Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.