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 = 0,5f(0,5) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 25/(s(s + 3)(s + 6)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,5).

F(s) = 25/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,5 s
f(0.5) =
2.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Решите y″ + 11y′ + 30y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = −13 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 2y′(0) = −13t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Структурные схемыСредняя
R(s)+50s(s + 10)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 50/(s(s + 10)). Задающее воздействие — линейно нарастающий сигнал r(t) = 5·t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 50/(s(s + 10))r(t) = 5·t
ess =
4.Структурные схемыСложная
R(s)+K(s + 2)(s + 3)(s + 5)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. При наибольшем устойчивом коэффициенте в контуре возникают колебания. Найдите частоту колебаний ω в rad/s.

G(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5))единичная отрицательная обратная связь
ω = rad/s
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 24/(s² + 2s + 48) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 24/(s² + 2s + 48)
tp = s
6.Переходная характеристикаСложная
k = 800 N/mc = 8 N·s/mm = 1 kgF = 25 Nx(t)

Масса m = 1 kg подвешена на пружине k = 800 N/m с вязким демпфером c = 8 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 25 N. Найдите момент времени tp, когда смещение наибольшее.

m = 1 kgk = 800 N/mc = 8 N·s/mF = 25 N
tp = s
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K = 1321s(s + 5)(s + 6)C(s)−

Контур на схеме работает при K = 132, L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6)). Во сколько раз m можно увеличить коэффициент усиления, прежде чем замкнутая система станет неустойчивой?

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))K = 132
m =
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−1−2−3−4−5−6j1j2

Для L(s) = K/((s + 5)(s² + 8s + 20)) найдите угол выхода θd корневого годографа из комплексного полюса в верхней полуплоскости, отсчитываемый от положительного направления вещественной оси.

L(s) = K/((s + 5)(s² + 8s + 20))
θd = °
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
R(s)+K = 250,5s + 1C(s)−

Процесс G(s) = 5/(0,5s + 1) управляется пропорциональным коэффициентом усиления K = 2 в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess по ступеньке в процентах от величины ступеньки.

G(s) = 5/(0,5s + 1)K = 2
ess = %
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
r(t) = 1t+2 + 5/s10(s + 1)(s + 10)C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = 2 + 5/s управляет объектом G(s) = 10/((s + 1)(s + 10)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess для линейного входа r(t) = 1t.

C(s) = 2 + 5/sG(s) = 10/((s + 1)(s + 10))r(t) = 1t
ess =
11.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 3,3 kΩC = 1 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 3,3 kΩ, C = 1 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 140 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 3,3 kΩC = 1 nFf = 140 kHz
φ = °
12.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 50/(s(s + 10)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.

L(s) = 50/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Растворы

1.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.5) = 0,8382

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).

Простые дроби

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 6)
A = 25/(3·6) = 1,389
B = 25/((−3)·3) = −2,778
C = 25/((−6)·(−3)) = 1,389

Обратное преобразование

f(t) = 1,389 − 2,778·e−3t + 1,389·e−6t

Вычислите

f(0,5) = 1,389 − 2,778·e−3·0,5 + 1,389·e−6·0,5 = 0,8382

Ответ

f(0,5) = 0,8382
2.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.2) = 0,5357

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

s²Y − 2s − (−13) + 11(sY − 2) + 30Y = 0
Y(s) = (2s + 9)/((s + 5)(s + 6))

Простые дроби

A = −1/1 = −1
B = −3/(−1) = 3

Результат

y(t) = −e−5t + 3·e−6t
y(0,2) = 0,5357

Ответ

y(0,2) = 0,5357

Проверка: y(0) = A + B = 2.

3.Структурные схемы

Ответ: ess = 1

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).

Коэффициент ошибки по скорости

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 50/10 = 5

Установившаяся ошибка

ess = A/Kᵥ = 5/5 = 1

Ответ

ess = 1
4.Структурные схемы

Ответ: ω = 5,568 rad/s

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

s³ + 10s² + 31s + 30 + K = 0

Таблица Рауса

s³ | 1 31
s² | 10 30 + K
s¹ | (10·31 − 30 − K)/10
s⁰ | 30 + K

Граница устойчивости

Все элементы первого столбца должны быть положительными.

Kmax = 10·31 − 30 = 280

Частота колебаний

10·(jω)² + 30 + 280 = 0 → ω² = 310/10 = 31
ω = 5,568 rad/s

Ответ

ω = 5,568 rad/s
5.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,4582 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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6,928) = 0,1443

Результат

ωd = 6,928·√(1 − 0,1443²) = 6,856 rad/s → tp = π/ωd = 0,4582 s

Ответ

tp = 0,4582 s
6.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,1122 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).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = √(k/m) = √(800/1) = 28,28 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 8/(2·√(800·1)) = 0,1414

Результат

ωd = 28 rad/s
tp = π/ωd = 0,1122 s

Ответ

tp = 0,1122 s
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: m = 2,5

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 + 11s² + 30s + K = 0
s³: 1, 30
s²: 11, K
s¹: (11·30 − K)/11
s⁰: K

Наибольший устойчивый коэффициент усиления

Kmax = 11·30 = 330

Множитель

m = 330/132 = 2,5

Ответ

m = 2,5

Этот множитель — запас по усилению в разах: 7,959 dB.

8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: θd = 26,57 °

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 + 8s + 20 = 0 → s = −4 ± j2
s = −5

Углы от остальных полюсов

∠(−4 + j2 + 5) = atan2(2, 1) = 63,43°
∠(−4 + j2 − (−4 − j2)) = ∠(j4) = 90°

Угол выхода

θd = 180° − 63,43° − 90° = 26,57°

Ответ

θd = 26,57°
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 9,091 %

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.

Коэффициент позиционной ошибки

Kp = 2·5 = 10

Ошибка по ступеньке

ess = 100/(1 + 10) = 9,091 %

Ответ

ess = 9,091 %
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,2

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).

Коэффициент скоростной ошибки

s·C(s) = 2s + 5 → 5 при s → 0.

Kv = 5·10/10 = 5

Ошибка по линейному воздействию

ess = 1/5 = 0,2

Ответ

ess = 0,2

ПИ-регулятор полностью устраняет ошибку по ступеньке; линейное воздействие отслеживается с постоянным отставанием.

11.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = −70,99 °

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/(3300·1 × 10⁻⁹) = 303030 rad/s
fc = 48229 Hz → f/fc = 140000/48229 = 2,903

Фаза

φ = − atan(2,903) = −70,99°

Ответ

φ = −70,99°
12.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ωc = 4,551 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.

Частота среза усиления

ω⁴ + 100ω² − 2500 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·2500))/2 = 20,71
ωc = 4,551 rad/s

Ответ

ωc = 4,551 rad/s

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