Теория управления 2: проектирование систем с обратной связью: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (10) 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.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)2ts​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 186/(s² + 5s + 93) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 186/(s² + 5s + 93)
ts = s
2.Переходная характеристикаСложная
k = 5000 N/mc = 179 N·s/mm = 10 kgF = 100 Nx(t)

Масса m = 10 kg подвешена на пружине k = 5000 N/m с вязким демпфером c = 179 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 100 N. Найдите момент времени tp, когда смещение наибольшее.

m = 10 kgk = 5000 N/mc = 179 N·s/mF = 100 N
tp = s
3.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 22 kΩC = 4,7 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 22 kΩ, C = 4,7 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 4,6 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 22 kΩC = 4,7 nFf = 4,6 kHz
φ = °
4.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 92/(s(s + 4)). Найдите запас по фазе PM в градусах.

L(s) = 92/(s(s + 4))
PM = °
5.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K = 20,251s(s + 3)(s + 6)C(s)−

Контур на схеме работает при K = 20,25, L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)). Во сколько раз m можно увеличить коэффициент усиления, прежде чем замкнутая система станет неустойчивой?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))K = 20,25
m =
6.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReImζ = 0,707−0,5−1−1,5−2−2,50,5j0,5j1

Показан корневой годограф L(s) = K/(s(s + 2)). Найдите коэффициент усиления K, при котором полюса замкнутой системы имеют коэффициент демпфирования ζ = 0,707.

L(s) = K/(s(s + 2))ζ = 0,707
K =
7.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
R(s)+K(s + 1)(s + 2)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет G(s) = K/((s + 1)(s + 2)). Найдите коэффициент усиления K, при котором установившаяся ошибка по ступеньке составляет 25 %.

G(s) = K/((s + 1)(s + 2))ess = 25 %
K =
8.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 4C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 10/(s + 4) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 6 rad/s и ζ = 0,7. Найдите интегральный коэффициент Ki.

G(s) = 10/(s + 4)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,7
Ki =
9.Структурные схемыСредняя
R(s)+16K+3s + 3G(s)C(s)3H₁−−

Объект G(s) = 3/(s + 3) охвачен внутренним (малым) контуром отрицательной обратной связи с коэффициентом H₁ = 3. Коэффициент регулятора K = 16, и система замыкается внешним контуром единичной отрицательной обратной связи. Найдите статический коэффициент передачи замкнутой системы T(0).

G(s) = 3/(s + 3)H₁ = 3K = 16
T(0) =
10.Структурные схемыСложная
R(s)+Kрегулятор+D(s)+2s + 6объектC(s)−

Пропорциональный регулятор K управляет объектом G(s) = 2/(s + 6) в контуре с единичной отрицательной обратной связью. Ступенька возмущения величиной 10 действует на входе объекта при R = 0. Найдите наименьший коэффициент K, при котором установившийся выход не превышает 0,03333.

G(s) = 2/(s + 6)D = 10css ≤ 0,03333
K =

3Растворы

1.Переходная характеристика

Ответ: ts = 1,6 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 = 93 → ωₙ = 9,644 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,644) = 0,2592

Результат

ζωₙ = 2,5 → ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Ответ

ts = 1,6 s
2.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,1533 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) = √(5000/10) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 179/(2·√(5000·10)) = 0,4003

Результат

ωd = 20,49 rad/s
tp = π/ωd = 0,1533 s

Ответ

tp = 0,1533 s
3.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = −71,5 °

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/(22000·4,7 × 10⁻⁹) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 4600/1539 = 2,989

Фаза

φ = − atan(2,989) = −71,5°

Ответ

φ = −71,5°
4.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: PM = 23,53 °

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 + 16ω² − 8464 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·8464))/2 = 84,35
ωc = 9,184 rad/s

Запас по фазе

∠L(jωc) = −90° − atan(9,184/4) = −156,5°
PM = 180° + ∠L = 23,53°

Ответ

PM = 23,53°
5.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: m = 8

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 + 9s² + 18s + K = 0
s³: 1, 18
s²: 9, K
s¹: (9·18 − K)/9
s⁰: K

Наибольший устойчивый коэффициент усиления

Kmax = 9·18 = 162

Множитель

m = 162/20,25 = 8

Ответ

m = 8

Этот множитель — запас по усилению в разах: 18,06 dB.

6.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: K = 2,001

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 + 2s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,707·ωₙ = 2 → ωₙ = 1,414 rad/s

Коэффициент усиления

K = ωₙ² = 1,414² = 2,001

Ответ

K = 2,001

Полюса замкнутой системы находятся там, где линия ζ пересекает вертикальную ветвь при s = −1.

7.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 6

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) = 0,25 → Kp = 3

Коэффициент усиления

K/2 = 3 → K = 6

Ответ

K = 6

Проверьте и устойчивость замкнутой системы: для этого контура второго порядка устойчив любой K > 0.

8.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Ki = 3,6

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 + 10Kp)s + 10Ki

Целевой полином

s² + 2·0,7·6s + 6² = s² + 8,4s + 36

Приравняйте коэффициенты

10Ki = 36 → Ki = 3,6

Ответ

Ki = 3,6

Интегральная составляющая делает контур типа 1, поэтому ступенька отслеживается без установившейся ошибки.

9.Структурные схемы

Ответ: T(0) = 0,8

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) = 3/(s + 3 + 3·3) = 3/(s + 12)

Внешний контур

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 48/(s + 12 + 48) = 48/(s + 60)

Результат

T(0) = 48/60 = 0,8

Ответ

T(0) = 0,8
10.Структурные схемы

Ответ: K = 297

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)) = 10·2/(6 + 2K)

Решите относительно K

6 + 2K = 10·2/0,03333 = 600
K = (600 − 6)/2 = 297

Ответ

K = 297

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-2