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 = 0,3f(0,3) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 50/(s(s + 2)(s + 6)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,3).

F(s) = 50/(s(s + 2)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Решите y″ + 4y′ + 3y = 0 при y(0) = 4 и y′(0) = −8 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 4y′(0) = −8t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Структурные схемыСредняя
R(s)+10K+10s + 3G(s)C(s)4H₁−−

Объект G(s) = 10/(s + 3) охвачен внутренним (малым) контуром отрицательной обратной связи с коэффициентом H₁ = 4. Коэффициент регулятора K = 10, и система замыкается внешним контуром единичной отрицательной обратной связи. Найдите статический коэффициент передачи замкнутой системы T(0).

G(s) = 10/(s + 3)H₁ = 4K = 10
T(0) =
4.Структурные схемыСложная
R(s)+12s + 4G₁+4s + 4G₂C(s)4H₁−1H₂−

Упростите структурную схему, где G₁ = 12/(s + 4), G₂ = 4/(s + 4), внутренняя отрицательная обратная связь H₁ = 4 охватывает G₂, а внешняя отрицательная обратная связь H₂ = 1. Найдите статический коэффициент передачи T(0) C(s)/R(s).

G₁ = 12/(s + 4)G₂ = 4/(s + 4)H₁ = 4H₂ = 1
T(0) =
5.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)1

Система имеет передаточную функцию G(s) = 86/(s² + 8s + 86) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите собственную частоту ωn в rad/s.

G(s) = 86/(s² + 8s + 86)
ωn = rad/s
6.Переходная характеристикаСложная
+−24 VR = 130 ΩL = 500 mHC = 4,7 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 130 Ω, L = 500 mH и C = 4,7 µF подключается к ступеньке 24 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите собственную частоту ωn без затухания в rad/s.

R = 130 ΩL = 500 mHC = 4,7 µFV = 24 V
ωn = rad/s
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+Ks + 5(s − 4)(s + 2)C(s)−

Объект G(s) = (s + 5)/((s − 4)(s + 2)) имеет неустойчивый полюс в точке s = 4. Пропорциональный коэффициент усиления K замыкает вокруг него контур с единичной обратной связью. Найдите наименьший коэффициент усиления Kmin, при котором замкнутая система устойчива.

G(s) = (s + 5)/((s − 4)(s + 2))
Kmin =
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−162j2j4

Корневой годограф L(s) = K(s + 14)/(s(s + 8)) покидает вещественную ось между s = 0 и s = −8, огибает нуль по окружности и снова выходит на вещественную ось левее нуля. Найдите точку входа si.

L(s) = K(s + 14)/(s(s + 8))
si =
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 1t+20(s + 2)s(s + 4)(s + 10)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 20(s + 2)/(s(s + 4)(s + 10)) подано линейное воздействие r(t) = 1t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 20(s + 2)/(s(s + 4)(s + 10))r(t) = 1t
ess =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
r(t) = 2t+1 + 2/s4(s + 5)(s + 10)C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = 1 + 2/s управляет объектом G(s) = 4/((s + 5)(s + 10)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess для линейного входа r(t) = 2t.

C(s) = 1 + 2/sG(s) = 4/((s + 5)(s + 10))r(t) = 2t
ess =
11.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)1101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 10

Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 600/((s + 10)(s + 12)) при ω = 10 rad/s в dB.

G(s) = 600/((s + 10)(s + 12))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
12.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 2/(s(s + 2)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 2/(s(s + 2))
PM = °

3Растворы

1.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.3) = 1,081

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 + 2) + C/(s + 6)
A = 50/(2·6) = 4,167
B = 50/((−2)·4) = −6,25
C = 50/((−6)·(−4)) = 2,083

Обратное преобразование

f(t) = 4,167 − 6,25·e−2t + 2,083·e−6t

Вычислите

f(0,3) = 4,167 − 6,25·e−2·0,3 + 2,083·e−6·0,3 = 1,081

Ответ

f(0,3) = 1,081
2.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.2) = 2,735

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 − 4s − (−8) + 4(sY − 4) + 3Y = 0
Y(s) = (4s + 8)/((s + 1)(s + 3))

Простые дроби

A = 4/2 = 2
B = −4/(−2) = 2

Результат

y(t) = 2·e−t + 2·e−3t
y(0,2) = 2,735

Ответ

y(0,2) = 2,735

Проверка: y(0) = A + B = 4.

3.Структурные схемы

Ответ: T(0) = 0,6993

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).

Внутренний контур

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 10/(s + 3 + 10·4) = 10/(s + 43)

Внешний контур

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 100/(s + 43 + 100) = 100/(s + 143)

Результат

T(0) = 100/143 = 0,6993

Ответ

T(0) = 0,6993
4.Структурные схемы

Ответ: T(0) = 0,375

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).

Внутренний контур

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 4/(s + 20)

Внешний контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 48/((s + 4)(s + 20) + 48)

Статический коэффициент передачи

T(0) = 48/(4·20 + 48) = 48/128 = 0,375

Ответ

T(0) = 0,375
5.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 9,274 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 = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·9,274) = 0,4313

Результат

ωₙ = 9,274 rad/s

Ответ

ωn = 9,274 rad/s
6.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 652,3 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).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·4,7 × 10⁻⁶) = 652,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (130/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,5) = 0,1993

Результат

ωₙ = 652,3 rad/s

Ответ

ωn = 652,3 rad/s
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmin = 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.

Характеристический полином

(s − 4)(s + 2) + K(s + 5) = s² + (-2 + K)s + (5K − 8)

Условия

Для s² + c₁s + c₀ все корни лежат в левой полуплоскости ровно тогда, когда c₁ > 0 и c₀ > 0.

-2 + K > 0 → K > 2
5K − 8 > 0 → K > 1,6
Kmin = 2

Ответ

Kmin = 2
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: si = −23,17

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.

Коэффициент усиления вдоль вещественной оси

K(s) = −(s² + 8s)/(s + 14)

Стационарные точки

Продифференцируйте по правилу для частного и приравняйте числитель к нулю.

(2s + 8)(s + 14) − (s² + 8s) = s² + 28s + 112 = 0
s = −14 ± √84 = −4,835, −23,17

Точка входа

si = −23,17

Ответ

si = −23,17

Между двумя точками годограф представляет собой окружность с центром в нуле и радиусом √84 = 9,165.

9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 1

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 скоростной ошибки

Kv = lim s·G(s) = 1

Ошибка по линейному воздействию

ess = 1/1 = 1

Ответ

ess = 1
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 12,5

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) = 1s + 2 → 2 при s → 0.

Kv = 2·4/50 = 0,16

Ошибка по линейному воздействию

ess = 2/0,16 = 12,5

Ответ

ess = 12,5

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

11.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |G(jω)| = 8,679 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.

Перемножьте модули

|G(j10)| = 600/(√(10² + 10²)·√(10² + 12²)) = 600/(14,14·15,62) = 2,716

Результат

20·log₁₀(2,716) = 8,679 dB

Ответ

|G(jω)| = 8,679 dB
12.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 65,53 °

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 + 4ω² − 4 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·4))/2 = 0,8284
ωc = 0,9102 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(0,9102/2) = −114,5°
PM = 180° + ∠L = 65,53°

Ответ

PM = 65,53°

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