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) = (4s + 16)/(s² + 6s + 9) и вычислите f(0,25).
F(s) = (4s + 16)/(s² + 6s + 9)t = 0,25 s
f(0.25) =
2.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 7y′ + 12y = 0 при y(0) = −8 и y′(0) = −14 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,2).
Пропорциональный регулятор K управляет объектом G(s) = 10/(s + 8) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Ступенька возмущения величиной 5 действует на входе объекта при R = 0. Найдите наименьший коэффициент K, при котором установившийся выход не превышает 0,0625.
G(s) = 10/(s + 8)D = 5css ≤ 0,0625
K =
5.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 68/(s² + 8s + 68) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
G(s) = 68/(s² + 8s + 68)
ζ =
6.Переходная характеристикаСложная
Масса m = 2 kg подвешена на пружине k = 2000 N/m с вязким демпфером c = 13 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 25 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.
m = 2 kgk = 2000 N/mc = 13 N·s/mF = 25 N
ζ =
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4)). Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4))
Kmax =
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Показан корневой годограф L(s) = K/(s(s + 5)). Найдите коэффициент усиления K, при котором полюса замкнутой системы имеют коэффициент демпфирования ζ = 0,5.
L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0,5
K =
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Контур с единичной обратной связью имеет G(s) = K/((s + 2)(s + 5)). Найдите коэффициент усиления K, при котором установившаяся ошибка по ступеньке составляет 4 %.
G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 4 %
K =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K = 25 управляет объектом G(s) = 2/(s(s + 6)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время пика tp переходной характеристики.
G(s) = 2/(s(s + 6))K = 25
tp = s
11.Диаграммы Боде и запасыСредняя
В показанном последовательном RLC-полосовом фильтре выход берётся на R = 50 Ω при L = 50 mH и C = 4,7 µF. Найдите добротность Q.
R = 50 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
Q =
12.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 800/(s(s + 20)). Найдите запас по фазе PM в градусах.
L(s) = 800/(s(s + 20))
PM = °
3Растворы
1.Преобразования Лапласа
Ответ: f(0.25) = 2,362
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
4s + 16 = 4(s + 3) + 4
F(s) = 4/(s + 3) + 4/(s + 3)²
Обратное преобразование
f(t) = 4·e−3t + 4·t·e−3t
f(0,25) = (4 + 4·0,25)·e−3·0,25 = 2,362
Ответ
f(0,25) = 2,362
2.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.2) = −8,171
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 − (−8)s − (−14) + 7(sY − (−8)) + 12Y = 0
Y(s) = (−8s − 70)/((s + 3)(s + 4))
Простые дроби
A = −46/1 = −46
B = −38/(−1) = 38
Результат
y(t) = −46·e−3t + 38·e−4t
y(0,2) = −8,171
Ответ
y(0,2) = −8,171
Проверка: y(0) = A + B = −8.
3.Структурные схемы
Ответ: ess = 2
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) = 10/4 = 2,5
Установившаяся ошибка
ess = A/Kᵥ = 5/2,5 = 2
Ответ
ess = 2
4.Структурные схемы
Ответ: K = 79,2
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).
Реакция на возмущение
css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·10/(8 + 10K)
Решите относительно K
8 + 10K = 5·10/0,0625 = 800
K = (800 − 8)/10 = 79,2
Ответ
K = 79,2
5.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,4851
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 = 68 → ωₙ = 8,246 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,246) = 0,4851
Результат
ζ = 0,4851
Ответ
ζ = 0,4851
6.Переходная характеристика
Ответ: ζ = 0,1028
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) = √(2000/2) = 31,62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 13/(2·√(2000·2)) = 0,1028
Результат
ζ = 0,1028
Ответ
ζ = 0,1028
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: Kmax = 20
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.
Характеристическое уравнение
s³ + 5s² + 4s + K = 0
Таблица Рауса
s³: 1, 4
s²: 5, K
s¹: (5·4 − K)/5
s⁰: K
Условия
Каждый элемент первого столбца должен быть положительным.
K > 0
5·4 − K > 0 → K < 20
Ответ
Kmax = 20
При K = 20 замкнутая система колеблется с частотой ω = √4 = 2 rad/s.
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: K = 25
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.
Сравните со стандартной формой
s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,5·ωₙ = 5 → ωₙ = 5 rad/s
Коэффициент усиления
K = ωₙ² = 5² = 25
Ответ
K = 25
Полюса замкнутой системы находятся там, где линия ζ пересекает вертикальную ветвь при s = −2,5.
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 240
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 ошибки
1/(1 + Kp) = 0,04 → Kp = 24
Коэффициент усиления
K/10 = 24 → K = 240
Ответ
K = 240
Проверьте и устойчивость замкнутой системы: для этого контура второго порядка устойчив любой K > 0.
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: tp = 0,4906 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 + 6) + 25·2 = s² + 6s + 50
ωₙ и ζ
ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 6/(2·7,071) = 0,4243
Время пика
ωd = 7,071·√(1 − 0,4243²) = 6,403 rad/s
tp = π/6,403 = 0,4906 s
Ответ
tp = 0,4906 s
11.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: Q = 2,063
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/√(0,05·4,7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 328,3 Hz
Добротность
BW = R/L = 50/0,05 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 2063/1000 = 2,063
Ответ
Q = 2,063
12.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: PM = 38,67 °
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.