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) = 15/(s(s + 5)(s + 6)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,2).
F(s) = 15/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,2 s
f(0.2) =
2.Преобразования ЛапласаСложная
Система описывается дифференциальным уравнением y″ + 2y′ + 26y = 18u, где u(t) — вход, y(t) — выход. Найдите её передаточную функцию G(s) = Y(s)/U(s) (при нулевых начальных условиях) и вычислите импульсную характеристику g(t) при t = 0,75 s. Найдите g(0,75).
y″ + 2y′ + 26y = 18ut = 0,75 s
g(0.75) =
3.Структурные схемыСредняя
Объект G(s) = 10/(s + 6) охвачен внутренним (малым) контуром отрицательной обратной связи с коэффициентом H₁ = 0,5. Коэффициент регулятора K = 4, и система замыкается внешним контуром единичной отрицательной обратной связи. Найдите полюс замкнутой системы p.
G(s) = 10/(s + 6)H₁ = 0,5K = 4
p =
4.Структурные схемыСложная
Объект G(s) = K/((s + 4)(s + 7)(s + 8)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. С помощью критерия Рауса–Гурвица найдите наибольший коэффициент Kmax, при котором замкнутая система устойчива.
Система имеет передаточную функцию G(s) = 90/(s² + 6s + 30) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
G(s) = 90/(s² + 6s + 30)
ζ =
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 5 kg подвешена на пружине k = 100 N/m с вязким демпфером c = 7 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 10 N. Найдите момент времени tp, когда смещение наибольшее.
m = 5 kgk = 100 N/mc = 7 N·s/mF = 10 N
tp = s
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме работает при K = 7,5, 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 = 7,5
m =
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Эскиз корневого годографа для L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6)). Найдите частоту ω, на которой годограф пересекает мнимую ось.
L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))
ω = rad/s
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Процесс G(s) = 4/(5s + 1) управляется пропорциональным коэффициентом усиления K = 19 в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess по ступеньке в процентах от величины ступеньки.
G(s) = 4/(5s + 1)K = 19
ess = %
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K = 50 управляет объектом G(s) = 4/(s(s + 4)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 4/(s(s + 4))K = 50
%OS = %
11.Диаграммы Боде и запасыСредняя
В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 5 Ω при L = 5 mH и C = 2,2 µF. Найдите полосу пропускания по уровню −3 dB BW в Hz.
R = 5 ΩL = 5 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
12.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 168/(s(s + 5)(s + 7)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 168/(s(s + 5)(s + 7))
ω180 = rad/s
3Растворы
1.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.2) = 0,1493
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 + 5) + C/(s + 6)
A = 15/(5·6) = 0,5
B = 15/((−5)·1) = −3
C = 15/((−6)·(−1)) = 2,5
Обратное преобразование
f(t) = 0,5 − 3·e−5t + 2,5·e−6t
Вычислите
f(0,2) = 0,5 − 3·e−5·0,2 + 2,5·e−6·0,2 = 0,1493
Ответ
f(0,2) = 0,1493
2.Преобразования Лапласа
Ответ: g(0.75) = −0,972
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).
Передаточная функция
G(s) = Y(s)/U(s) = 18/(s² + 2s + 26)
Простые дроби
s² + 2s + 26 = (s + 1)² + 5²
G(s) = (18/5)·5/((s + 1)² + 5²)
Импульсная характеристика
g(t) = e−t·(3,6·sin 5t)
g(0,75) = −0,972
Ответ
g(0,75) = −0,972
3.Структурные схемы
Ответ: p = −51
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 + 19s² + 116s + 224 + K = 0
Таблица Рауса
s³ | 1 116
s² | 19 224 + K
s¹ | (19·116 − 224 − K)/19
s⁰ | 224 + K
Граница устойчивости
Все элементы первого столбца должны быть положительными.
Kmax = 19·116 − 224 = 1980
Ответ
Kmax = 1980
5.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,5477
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 = 30 → ωₙ = 5,477 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,477) = 0,5477
Результат
ζ = 0,5477
Ответ
ζ = 0,5477
6.Переходная характеристика
Ответ: tp = 0,7112 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) = √(100/5) = 4,472 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 7/(2·√(100·5)) = 0,1565
Результат
ωd = 4,417 rad/s
tp = π/ωd = 0,7112 s
Ответ
tp = 0,7112 s
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: m = 4
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 = 30/7,5 = 4
Ответ
m = 4
Этот множитель — запас по усилению в разах: 12,04 dB.
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: ω = 6,633 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 + 12s² + 44s + 48 + K = 0
s¹: (12·44 − 48 − K)/12 = 0 → K = 480
Частота пересечения
12s² + 48 + 480 = 12s² + 528 = 0 → s² = −44
ω = √44 = 6,633 rad/s
Ответ
ω = 6,633 rad/s
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ess = 1,299 %
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 = 19·4 = 76
Ошибка по ступеньке
ess = 100/(1 + 76) = 1,299 %
Ответ
ess = 1,299 %
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: %OS = 63,84 %
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 + 4) + 50·4 = s² + 4s + 200
ωₙ и ζ
ωₙ = √200 = 14,14 rad/s
ζ = 4/(2·14,14) = 0,1414
Перерегулирование
%OS = 100·e−0,1414π/√(1 − 0,1414²) = 63,84 %
Ответ
%OS = 63,84 %
11.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: BW = 159,2 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/√(0,005·2,2 × 10⁻⁶) = 9535 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1517 Hz
Полоса пропускания
BW = R/L = 5/0,005 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Ответ
BW = 159,2 Hz
12.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: ω180 = 5,916 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.