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) = (s + 19)/(s² + 8s + 16) и вычислите f(0,4).
F(s) = (s + 19)/(s² + 8s + 16)t = 0,4 s
f(0.4) =
2.Преобразования ЛапласаСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t), где y(0) = 3 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 5. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,3).
Объект G(s) = 11/(s + 7) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 0,1. Найдите постоянную времени τ замкнутой системы.
G(s) = 11/(s + 7)H = 0,1
τ = s
4.Структурные схемыСложная
Объект G(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 6)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. При наибольшем устойчивом коэффициенте в контуре возникают колебания. Найдите частоту колебаний ω в rad/s.
Система имеет передаточную функцию G(s) = 222/(s² + 3s + 74) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.
G(s) = 222/(s² + 3s + 74)
σ =
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 0,5 kg подвешена на пружине k = 1000 N/m с вязким демпфером c = 18 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 5 N. Найдите перерегулирование %OS смещения в процентах.
m = 0,5 kgk = 1000 N/mc = 18 N·s/mF = 5 N
%OS = %
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме работает при K = 165, 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 = 165
m =
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Для контура L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)) найдите коэффициент усиления K, при котором полюс замкнутой системы находится в точке s = −1.
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))s = −1
K =
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Процесс G(s) = 0,5/(10s + 1) управляется пропорциональным коэффициентом усиления K = 1 в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess по ступеньке в процентах от величины ступеньки.
G(s) = 0,5/(10s + 1)K = 1
ess = %
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 2/(s + 4) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 6 rad/s и ζ = 0,5. Найдите пропорциональный коэффициент Kp.
G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,5
Kp =
11.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 47 kΩ, C = 47 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 220 Hz. Найдите коэффициент усиления |H| = |vout/vin| в dB.
R = 47 kΩC = 47 nFf = 220 Hz
|H| = dB
12.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 332/(s(s + 4)(s + 9)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 332/(s(s + 4)(s + 9))
GM = dB
3Растворы
1.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.4) = 1,413
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 + 8s + 16 = (s + 4)²
Простые дроби
s + 19 = 1(s + 4) + 15
F(s) = 1/(s + 4) + 15/(s + 4)²
Обратное преобразование
f(t) = e−4t + 15·t·e−4t
f(0,4) = (1 + 15·0,4)·e−4·0,4 = 1,413
Ответ
f(0,4) = 1,413
2.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.3) = 3,468
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 + 7s + 10)·Y(s) = 3s + 21 + 50/s
Y(s) = (3s² + 21s + 50)/(s(s + 2)(s + 5))
Простые дроби
A = 50/(2·5) = 5
B = 20/((−2)·3) = −3,333
C = 20/((−5)·(−3)) = 1,333
Результат
y(t) = 5 − 3,333·e−2t + 1,333·e−5t
y(0,3) = 3,468
Ответ
y(0,3) = 3,468
Проверка: y(0) = A + B + C = 3.
3.Структурные схемы
Ответ: τ = 0,1235 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).
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 + 9s² + 20s + 12 + K = 0
Таблица Рауса
s³ | 1 20
s² | 9 12 + K
s¹ | (9·20 − 12 − K)/9
s⁰ | 12 + K
Граница устойчивости
Все элементы первого столбца должны быть положительными.
Kmax = 9·20 − 12 = 168
Частота колебаний
9·(jω)² + 12 + 168 = 0 → ω² = 180/9 = 20
ω = 4,472 rad/s
Ответ
ω = 4,472 rad/s
5.Переходная характеристика
Ответ: σ = −1,5
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 = 74 → ωₙ = 8,602 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,602) = 0,1744
Результат
σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5
Ответ
σ = −1,5
6.Переходная характеристика
Ответ: %OS = 25,13 %
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) = √(1000/0,5) = 44,72 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 18/(2·√(1000·0,5)) = 0,4025
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 25,13 %
Ответ
%OS = 25,13 %
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 + 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 = 330/165 = 2
Ответ
m = 2
Этот множитель — запас по усилению в разах: 6,021 dB.
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: K = 9
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.
Условие по модулю
K = |s|·|s + 2|·|s + 10|
Вычислите в этой точке
K = 1·1·9 = 9
Ответ
K = 9
Проверка: s(s + 2)(s + 10) + K равно нулю при s = −1.
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 66,67 %
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 = 1·0,5 = 0,5
Ошибка по ступеньке
ess = 100/(1 + 0,5) = 66,67 %
Ответ
ess = 66,67 %
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: Kp = 1
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
1 + C(s)G(s) = 0, умноженное на s(s + 4).
s² + (4 + 2Kp)s + 2Ki
Целевой полином
s² + 2·0,5·6s + 6² = s² + 6s + 36
Приравняйте коэффициенты
4 + 2Kp = 6 → Kp = 1
Ответ
Kp = 1
Интегральная составляющая делает контур типа 1, поэтому ступенька отслеживается без установившейся ошибки.
11.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: |H| = −10,14 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/(47000·4,7 × 10⁻⁸) = 452,7 rad/s
fc = 72,05 Hz → f/fc = 220/72,05 = 3,054
Коэффициент усиления
|H| = 1/√(1 + 3,054²) = 0,3112
20·log₁₀(0,3112) = −10,14 dB
Ответ
|H| = −10,14 dB
12.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: GM = 2,982 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.