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)2tp​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 28/(s² + 2s + 14) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время пика tp переходной характеристики.

G(s) = 28/(s² + 2s + 14)
tp = s
2.Переходная характеристикаСложная
t (s)y(t)110 %

Переходная характеристика системы второго порядка без нулей должна иметь перерегулирование 10 %. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

%OS = 10 %
ζ =
3.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​R = 22 kΩC = 2,2 nFvout​

Изображённый RC-фильтр нижних частот имеет R = 22 kΩ, C = 2,2 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 1,6 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 22 kΩC = 2,2 nFf = 1,6 kHz
φ = °
4.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 354/(s(s + 4)(s + 10)). Найдите запас по усилению GM в dB.

L(s) = 354/(s(s + 4)(s + 10))
GM = dB
5.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K1s(s + 4)(s + 8)C(s)−

Контур на схеме имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)). Коэффициент усиления повышают до тех пор, пока замкнутая система не окажется на границе устойчивости. Найдите частоту ω незатухающих колебаний.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))
ω = rad/s
6.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReImζ = 0,4−5−10j5j10

Показан корневой годограф L(s) = K/(s(s + 10)). Найдите коэффициент усиления K, при котором полюса замкнутой системы имеют коэффициент демпфирования ζ = 0,4.

L(s) = K/(s(s + 10))ζ = 0,4
K =
7.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 2t+5s(s + 2)(s + 4)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 5/(s(s + 2)(s + 4)) подано линейное воздействие r(t) = 2t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 5/(s(s + 2)(s + 4))r(t) = 2t
ess =
8.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 2C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s управляет объектом G(s) = 5/(s + 2) в контуре с единичной обратной связью. Замкнутая система должна иметь ωₙ = 6 rad/s и ζ = 0,7. Найдите интегральный коэффициент Ki.

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,7
Ki =
9.Структурные схемыСредняя
R(s)+48s(s + 5)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = 48/(s(s + 5)). Задающее воздействие — линейно нарастающий сигнал r(t) = 10·t. Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 48/(s(s + 5))r(t) = 10·t
ess =
10.Структурные схемыСложная
R(s)+K(s + 1)(s + 3)(s + 6)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6)) 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 + 1)(s + 3)(s + 6))единичная отрицательная обратная связь
Kmax =

3Растворы

1.Переходная характеристика

Ответ: tp = 0,8713 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 = 14 → ωₙ = 3,742 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·3,742) = 0,2673

Результат

ωd = 3,742·√(1 − 0,2673²) = 3,606 rad/s → tp = π/ωd = 0,8713 s

Ответ

tp = 0,8713 s
2.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,5912

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).

Коэффициент демпфирования

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 2,303/√(9,87 + 5,302) = 0,5912

Ответ

ζ = 0,5912
3.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = −25,95 °

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/(22000·2,2 × 10⁻⁹) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 1600/3288 = 0,4866

Фаза

φ = − atan(0,4866) = −25,95°

Ответ

φ = −25,95°
4.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: GM = 3,984 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 перехода фазы

(ω/4)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(4·10) = 6,325 rad/s

Модуль на частоте перехода фазы

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 100)) = K/(4·10·(4 + 10)) = K/560

Запас по усилению

GM = 20·log₁₀(560/354) = 3,984 dB

Ответ

GM = 3,984 dB
5.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: ω = 5,657 rad/s

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 + 12s² + 32s + K = 0
s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K

Критический коэффициент усиления

K = 12·32 = 384

Вспомогательное уравнение

При критическом коэффициенте усиления строка s¹ равна нулю; строка s² даёт полюса на мнимой оси.

12s² + 384 = 0 → s = ±j√32
ω = 5,657 rad/s

Ответ

ω = 5,657 rad/s
6.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: K = 156,2

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 + 10s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,4·ωₙ = 10 → ωₙ = 12,5 rad/s

Коэффициент усиления

K = ωₙ² = 12,5² = 156,2

Ответ

K = 156,2

Полюса замкнутой системы находятся там, где линия ζ пересекает вертикальную ветвь при s = −5.

7.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 3,2

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 скоростной ошибки

Kv = lim s·G(s) = 0,625

Ошибка по линейному воздействию

ess = 2/0,625 = 3,2

Ответ

ess = 3,2
8.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Ki = 7,2

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 + 2).

s² + (2 + 5Kp)s + 5Ki

Целевой полином

s² + 2·0,7·6s + 6² = s² + 8,4s + 36

Приравняйте коэффициенты

5Ki = 36 → Ki = 7,2

Ответ

Ki = 7,2

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

9.Структурные схемы

Ответ: ess = 1,042

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) = 48/5 = 9,6

Установившаяся ошибка

ess = A/Kᵥ = 10/9,6 = 1,042

Ответ

ess = 1,042
10.Структурные схемы

Ответ: Kmax = 252

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 + 10s² + 27s + 18 + K = 0

Таблица Рауса

s³ | 1 27
s² | 10 18 + K
s¹ | (10·27 − 18 − K)/10
s⁰ | 18 + K

Граница устойчивости

Все элементы первого столбца должны быть положительными.

Kmax = 10·27 − 18 = 252

Ответ

Kmax = 252

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