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
F(s) = 19/(s² + 12s + 32). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−4t + B·e−8t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.
F(s) = 19/(s² + 12s + 32)
A =
2.Преобразования ЛапласаСложная
Решите y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 2 и y′(0) = 9 с помощью преобразования Лапласа и найдите y(0,6).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = 9t = 0,6 s
y(0.6) =
3.Структурные схемыСредняя
Объект G(s) = K/(s(s + 13)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. Найдите коэффициент K, при котором замкнутая система демпфирована критически (два равных вещественных полюса).
G(s) = K/(s(s + 13))единичная отрицательная обратная связь
K =
4.Структурные схемыСложная
Объект G(s) = K/(s(s + 4)(s + 9)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. С помощью критерия Рауса–Гурвица найдите наибольший коэффициент Kmax, при котором замкнутая система устойчива.
G(s) = K/(s(s + 4)(s + 9))единичная отрицательная обратная связь
Kmax =
5.Переходная характеристикаСредняя
Система имеет передаточную функцию G(s) = 12,5/(s² + 7s + 25) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.
G(s) = 12,5/(s² + 7s + 25)
%OS = %
6.Переходная характеристикаСложная
Последовательная RLC-цепь с R = 4 Ω, L = 50 mH и C = 100 µF подключается к ступеньке 24 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите пиковое напряжение vC,max на конденсаторе.
R = 4 ΩL = 50 mHC = 100 µFV = 24 V
vC,max = V
7.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
Объект G(s) = (s + 5)/((s − 3)(s + 1)) имеет неустойчивый полюс в точке s = 3. 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 − 3)(s + 1))
Kmin =
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
Корневой годограф L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)) покидает вещественную ось между s = 0 и s = −5. Найдите точку отрыва sb.
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))
sb =
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
Контур с единичной обратной связью и G(s) = K/(s(s + 2)) должен отслеживать линейное воздействие r(t) = 2t с установившейся ошибкой 0,02. Найдите коэффициент усиления K.
G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 2tess = 0,02
K =
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
Пропорциональный регулятор K = 1 управляет объектом G(s) = 5/(s(s + 2)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 5/(s(s + 2))K = 1
ts = s
11.Диаграммы Боде и запасыСредняя
Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 10 kΩ, C = 47 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 170 Hz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.
R = 10 kΩC = 47 nFf = 170 Hz
φ = °
12.Диаграммы Боде и запасыСложная
Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 140/(s(s + 2)(s + 9)). Найдите запас по усилению GM в dB.
L(s) = 140/(s(s + 2)(s + 9))
GM = dB
3Растворы
1.Преобразования Лапласа
Ответ: A = 4,75
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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)
Правило закрытия
Умножьте на (s + 4) и положите s = −4: слагаемое с B обращается в нуль.
A = 19/(s + 8) |s = −4 = 19/4 = 4,75
Ответ
A = 4,75
(B = −4,75, поэтому f(t) = 4,75·e−4t − 4,75·e−8t)
2.Преобразования Лапласа
Ответ: y(0.6) = 2,369
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 − 9 + 5(sY − 2) + 6Y = 0
Y(s) = (2s + 19)/((s + 2)(s + 3))
Простые дроби
A = 15/1 = 15
B = 13/(−1) = −13
Результат
y(t) = 15·e−2t − 13·e−3t
y(0,6) = 2,369
Ответ
y(0,6) = 2,369
Проверка: y(0) = A + B = 2.
3.Структурные схемы
Ответ: K = 42,25
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
1 + K/(s(s + 13)) = 0 → s² + 13s + K = 0
Кратный корень
Квадратный трёхчлен s² + βs + γ имеет двойной корень, когда β² = 4γ.
13² = 4K → K = 169/4 = 42,25
Ответ
K = 42,25
Тогда оба полюса замкнутой системы находятся в s = −6,5.
4.Структурные схемы
Ответ: Kmax = 468
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 + 13s² + 36s + K = 0
Таблица Рауса
s³ | 1 36
s² | 13 K
s¹ | (13·36 − K)/13
s⁰ | K
Граница устойчивости
Все элементы первого столбца должны быть положительными.
Kmax = 13·36 = 468
Ответ
Kmax = 468
5.Переходная характеристика
Ответ: %OS = 4,599 %
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 = 25 → ωₙ = 5 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5) = 0,7
Результат
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,079 = 4,599 %
Ответ
%OS = 4,599 %
6.Переходная характеристика
Ответ: vC,max = 42,1 V
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).
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.
Для s² + c₁s + c₀ все корни лежат в левой полуплоскости ровно тогда, когда c₁ > 0 и c₀ > 0.
-2 + K > 0 → K > 2
5K − 3 > 0 → K > 0,6
Kmin = 2
Ответ
Kmin = 2
8.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф
Ответ: sb = −2,113
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) = −s(s + 5)(s + 10) = −(s³ + 15s² + 50s)
Стационарные точки
dK/ds = −(3s² + 30s + 50) = 0
s = (−30 ± √(900 − 600))/6 = −2,113, −7,887
Выберите точку на годографе
Годограф лежит на вещественной оси между 0 и −5; другой корень годографу не принадлежит.
sb = −2,113
Ответ
sb = −2,113
9.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: K = 200
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 скоростной ошибки
Kv = A/ess = 2/0,02 = 100
Коэффициент усиления
K = 2·Kv = 200
Ответ
K = 200
Большой коэффициент усиления делает этот контур очень слабо демпфированным: ζ = 0,07071. Именно из-за такого противоречия применяют корректирующие устройства.
10.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование
Ответ: ts = 4 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 + 2) + 1·5 = s² + 2s + 5
ωₙ и ζ
ωₙ = √5 = 2,236 rad/s
ζ = 2/(2·2,236) = 0,4472
Время установления
ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/1 = 4 s
Ответ
ts = 4 s
Время установления здесь не зависит от K: увеличение K лишь делает отклик более колебательным.
11.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: φ = −26,66 °
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/(10000·4,7 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 170/338,6 = 0,502
Фаза
φ = − atan(0,502) = −26,66°
Ответ
φ = −26,66°
12.Диаграммы Боде и запасы
Ответ: GM = 3,011 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.