Теория управления 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (12) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
таблица Рауса, элемент s¹ кубического полинома
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Корни в правой полуплоскости
число смен знака в первом столбце
Кубический полином s³ + a₂s² + a₁s + a₀
устойчив, когда все a > 0 и a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Характеристическое уравнение
1 + K·G(s) = 0
Асимптоты
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Точки отрыва и входа
dK/ds = 0
Условие по модулю
K = 1/|G(s)|
Угол выхода
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Метод

  1. Запишите характеристический полином замкнутой системы: знаменатель уравнения 1 + K·G(s) = 0 после раскрытия скобок.
  2. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
  3. 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.
  4. 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

  1. Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
  2. Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
  3. Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
  4. 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
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Найдите f(t) для F(s) = (2s + 5)/(s² + 6s + 9) и вычислите f(0,4).

F(s) = (2s + 5)/(s² + 6s + 9)t = 0,4 s
f(0.4) =
2.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t), где y(0) = 5 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 10. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,5).

y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,5 s
y(0.5) =
3.Структурные схемыСредняя
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/(s(s + 5)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. Найдите коэффициент K, при котором замкнутая система демпфирована критически (два равных вещественных полюса).

G(s) = K/(s(s + 5))единичная отрицательная обратная связь
K =
4.Структурные схемыСложная
R(s)+76s(s + 9)G(s)C(s)1H−

Объект G(s) = 76/(s(s + 9)) охвачен отрицательной обратной связью с коэффициентом датчика H = 1. Полюсы замкнутой системы комплексные. Найдите их вещественную часть σ.

G(s) = 76/(s(s + 9))H = 1
σ =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3

Система имеет передаточную функцию G(s) = 219/(s² + 7s + 73) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите собственную частоту ωn в rad/s.

G(s) = 219/(s² + 7s + 73)
ωn = rad/s
6.Переходная характеристикаСложная
R(s)+260s(s + 4)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 260/(s(s + 4)). Найдите время установления ts переходной характеристики замкнутой системы по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 260/(s(s + 4))
ts = s
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K = 551s(s + 1)(s + 10)C(s)−

Контур на схеме работает при K = 55, L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10)). Во сколько раз m можно увеличить коэффициент усиления, прежде чем замкнутая система станет неустойчивой?

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))K = 55
m =
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−40,5j0,5j1

Для L(s) = K/((s + 3)(s² + 2s + 2)) найдите угол выхода θd корневого годографа из комплексного полюса в верхней полуплоскости, отсчитываемый от положительного направления вещественной оси.

L(s) = K/((s + 3)(s² + 2s + 2))
θd = °
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 1t+Ks(s + 10)C(s)−

Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 10)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 1t с установившейся ошибкой 0,02. Найдите коэффициент усиления K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0,02
K =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+8 + Kd​s4s(s + 2)C(s)−

ПД-регулятор C(s) = 8 + Kd·s управляет объектом G(s) = 4/(s(s + 2)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите дифференциальный коэффициент Kd, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,707.

G(s) = 4/(s(s + 2))Kp = 8ζ = 0,707
Kd = s
11.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​C = 22 nFR = 1 kΩvout​

Изображённый RC-фильтр верхних частот имеет R = 1 kΩ, C = 22 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 3,6 kHz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.

R = 1 kΩC = 22 nFf = 3,6 kHz
|H| = dB
12.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 64/(s(s + 1)(s + 9)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 64/(s(s + 1)(s + 9))
GM = dB

3Растворы

1.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.4) = 0,4819

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).

Разложение знаменателя на множители

s² + 6s + 9 = (s + 3)²

Простые дроби

2s + 5 = 2(s + 3) + −1
F(s) = 2/(s + 3) − 1/(s + 3)²

Обратное преобразование

f(t) = 2·e−3t − t·e−3t
f(0,4) = (2 − 1·0,4)·e−3·0,4 = 0,4819

Ответ

f(0,4) = 0,4819
2.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.5) = 10,04

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 + 4s + 3)·Y(s) = 5s + 20 + 90/s
Y(s) = (5s² + 20s + 90)/(s(s + 1)(s + 3))

Простые дроби

A = 90/(1·3) = 30
B = 75/((−1)·2) = −37,5
C = 75/((−3)·(−2)) = 12,5

Результат

y(t) = 30 − 37,5·e−t + 12,5·e−3t
y(0,5) = 10,04

Ответ

y(0,5) = 10,04

Проверка: y(0) = A + B + C = 5.

3.Структурные схемы

Ответ: K = 6,25

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

1 + K/(s(s + 5)) = 0 → s² + 5s + K = 0

Кратный корень

Квадратный трёхчлен s² + βs + γ имеет двойной корень, когда β² = 4γ.

5² = 4K → K = 25/4 = 6,25

Ответ

K = 6,25
Тогда оба полюса замкнутой системы находятся в s = −2,5.
4.Структурные схемы

Ответ: σ = −4,5

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 + 9) + 76·1 = 0 → s² + 9s + 76 = 0

Корни

s = −4,5 ± j·√(76 − 20,25) = −4,5 ± j7,467
σ = −4,5

Ответ

σ = −4,5
5.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 8,544 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 = 73 → ωₙ = 8,544 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8,544) = 0,4096

Результат

ωₙ = 8,544 rad/s

Ответ

ωn = 8,544 rad/s
6.Переходная характеристика

Ответ: ts = 2 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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = 260/(s² + 4s + 260): ωₙ = 16,12 rad/s, ζ = 0,124

Время установления

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

Ответ

ts = 2 s

Для этого контура ζωₙ = a/2 при любом K: увеличение K усиливает перерегулирование, но не сокращает время установления.

7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: m = 2

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 + 11s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 11, K
s¹: (11·10 − K)/11
s⁰: K

Наибольший устойчивый коэффициент усиления

Kmax = 11·10 = 110

Множитель

m = 110/55 = 2

Ответ

m = 2

Этот множитель — запас по усилению в разах: 6,021 dB.

8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: θd = 63,43 °

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.

Положения полюсов

s² + 2s + 2 = 0 → s = −1 ± j1
s = −3

Углы от остальных полюсов

∠(−1 + j1 + 3) = atan2(1, 2) = 26,57°
∠(−1 + j1 − (−1 − j1)) = ∠(j2) = 90°

Угол выхода

θd = 180° − 26,57° − 90° = 63,43°

Ответ

θd = 63,43°
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 500

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 = 1/0,02 = 50

Коэффициент усиления

K = 10·Kv = 500

Ответ

K = 500

Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,2236. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.

10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Kd = 1,5 s

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 + 2) + 4(8 + Kds) = s² + (2 + 4Kd)s + 32

Собственная частота

ωₙ = √32 = 5,657 rad/s

Коэффициент усиления дифференциальной составляющей

2 + 4Kd = 2·0,707·5,657 = 7,999
Kd = 1,5 s

Ответ

Kd = 1,5 s

Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование, не меняя ωₙ.

11.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |H| = −7,023 dB

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.

Частота среза

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·2,2 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 3600/7234 = 0,4976

Коэффициент усиления

|H| = 0,4976/√(1 + 0,4976²) = 0,4455
20·log₁₀(0,4455) = −7,023 dB

Ответ

|H| = −7,023 dB
12.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 2,961 dB

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.

Частота перехода фазы

(ω/1)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(1·9) = 3 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 81)) = K/(1·9·(1 + 9)) = K/90

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(90/64) = 2,961 dB

Ответ

GM = 2,961 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1