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)0,5

Система имеет передаточную функцию G(s) = 40/(s² + 13s + 80) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите собственную частоту ωn в rad/s.

G(s) = 40/(s² + 13s + 80)
ωn = rad/s
2.Переходная характеристикаСложная
+−12 VR = 9 ΩL = 10 mHC = 47 µFvC​

Последовательная RLC-цепь с R = 9 Ω, L = 10 mH и C = 47 µF подключается к ступеньке 12 V при t = 0. Конденсатор не заряжен, и до ступеньки ток не течёт. Найдите пиковое напряжение vC,max на конденсаторе.

R = 9 ΩL = 10 mHC = 47 µFV = 12 V
vC,max = V
3.Диаграммы Боде и запасыСредняя
vin​C = 1 nFR = 3,3 kΩvout​

Изображённый RC-фильтр верхних частот имеет R = 3,3 kΩ, C = 1 nF. На вход подаётся синусоидальный сигнал 24 kHz. Найдите фазовый сдвиг φ напряжения vout относительно vin в градусах.

R = 3,3 kΩC = 1 nFf = 24 kHz
φ = °
4.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 22,5/(s(s + 5)). Найдите частоту среза усиления ωc, где |L(jω)| = 1.

L(s) = 22,5/(s(s + 5))
ωc = rad/s
5.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K = 3001s(s + 5)(s + 10)C(s)−

Контур на схеме работает при K = 300, L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)). Во сколько раз m можно увеличить коэффициент усиления, прежде чем замкнутая система станет неустойчивой?

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))K = 300
m =
6.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

Корневой годограф L(s) = K(s + 11)/(s(s + 7)) покидает вещественную ось между s = 0 и s = −7, огибает нуль по окружности и снова выходит на вещественную ось левее нуля. Найдите точку отрыва sb.

L(s) = K(s + 11)/(s(s + 7))
sb =
7.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 2 + 4t+10s(s + 1)(s + 10)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 10/(s(s + 1)(s + 10)) подан вход r(t) = 2 + 4t (ступенька плюс линейное воздействие). Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 10/(s(s + 1)(s + 10))r(t) = 2 + 4t
ess =
8.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+4 + Kd​s5s(s + 3)C(s)−

ПД-регулятор C(s) = 4 + Kd·s управляет объектом G(s) = 5/(s(s + 3)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите дифференциальный коэффициент Kd, при котором замкнутая система имеет коэффициент демпфирования ζ = 0,8.

G(s) = 5/(s(s + 3))Kp = 4ζ = 0,8
Kd = s
9.Структурные схемыСредняя
R(s)+17s + 9G(s)C(s)0,5H−

Объект G(s) = 17/(s + 9) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 0,5. Найдите постоянную времени τ замкнутой системы.

G(s) = 17/(s + 9)H = 0,5
τ = s
10.Структурные схемыСложная
R(s)+60s(s + 5)G(s)C(s)0,5H−

Объект G(s) = 60/(s(s + 5)) охвачен отрицательной обратной связью с коэффициентом датчика H = 0,5. Полюсы замкнутой системы комплексные. Найдите их вещественную часть σ.

G(s) = 60/(s(s + 5))H = 0,5
σ =

3Растворы

1.Переходная характеристика

Ответ: ωn = 8,944 rad/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 = 80 → ωₙ = 8,944 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·8,944) = 0,7267

Результат

ωₙ = 8,944 rad/s

Ответ

ωn = 8,944 rad/s
2.Переходная характеристика

Ответ: vC,max = 16,33 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).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·4,7 × 10⁻⁵) = 1459 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (9/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,01) = 0,3085

Результат

%OS = 36,1 %
vC,max = 12·(1 + 0,361) = 16,33 V

Ответ

vC,max = 16,33 V
3.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: φ = 63,54 °

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/(3300·1 × 10⁻⁹) = 303030 rad/s
fc = 48229 Hz → f/fc = 24000/48229 = 0,4976

Фаза

φ = 90° − atan(0,4976) = 63,54°

Ответ

φ = 63,54°
4.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ωc = 3,639 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.

Частота среза усиления

ω⁴ + 25ω² − 506,3 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·506,3))/2 = 13,24
ωc = 3,639 rad/s

Ответ

ωc = 3,639 rad/s
5.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: m = 2,5

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 + 15s² + 50s + K = 0
s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K

Наибольший устойчивый коэффициент усиления

Kmax = 15·50 = 750

Множитель

m = 750/300 = 2,5

Ответ

m = 2,5

Этот множитель — запас по усилению в разах: 7,959 dB.

6.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: sb = −4,367

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) = −(s² + 7s)/(s + 11)

Стационарные точки

Продифференцируйте по правилу для частного и приравняйте числитель к нулю.

(2s + 7)(s + 11) − (s² + 7s) = s² + 22s + 77 = 0
s = −11 ± √44 = −4,367, −17,63

Точка отрыва

sb = −4,367

Ответ

sb = −4,367

Между двумя точками годограф представляет собой окружность с центром в нуле и радиусом √44 = 6,633.

7.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 4

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) = 1

Ступенчатая часть

Kp = ∞ → estep = 0

Ошибка по линейному воздействию

ess = 4/1 = 4

Ответ

ess = 4
8.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: Kd = 0,8311 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 + 3) + 5(4 + Kds) = s² + (3 + 5Kd)s + 20

Собственная частота

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s

Коэффициент усиления дифференциальной составляющей

3 + 5Kd = 2·0,8·4,472 = 7,155
Kd = 0,8311 s

Ответ

Kd = 0,8311 s

Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование, не меняя ωₙ.

9.Структурные схемы

Ответ: τ = 0,05714 s

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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = G/(1 + G·H) = 17/(s + 9 + 8,5) = 17/(s + 17,5)

Результат

τ = 1/17,5 = 0,05714 s

Ответ

τ = 0,05714 s
10.Структурные схемы

Ответ: σ = −2,5

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

s(s + 5) + 60·0,5 = 0 → s² + 5s + 30 = 0

Корни

s = −2,5 ± j·√(30 − 6,25) = −2,5 ± j4,873
σ = −2,5

Ответ

σ = −2,5

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