Теорія автоматичного керування 1: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 12 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Стійкість
усі корені характеристичного полінома в лівій півплощині
таблиця Рауса, елемент s¹ кубічного полінома
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Корені в правій півплощині
кількість змін знака в першому стовпці
Кубічний поліном s³ + a₂s² + a₁s + a₀
стійкий, коли всі a > 0 і a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Характеристичне рівняння
1 + K·G(s) = 0
Асимптоти
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Точки відходу й входу
dK/ds = 0
Умова модуля
K = 1/|G(s)|
Кут відходу
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Метод

  1. Запишіть характеристичний поліном замкненої системи: знаменник рівняння 1 + K·G(s) = 0, розкритий до кінця.
  2. Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса й побудуйте решту рядків.
  3. Підрахуйте зміни знака в першому стовпці: кожна з них — це полюс у правій півплощині. Якщо в таблиці є K, вимагайте, щоб кожен елемент першого стовпця залишався додатним.
  4. Для кореневого годографа позначте полюси й нулі, ділянки дійсної осі, асимптоти з центра та точки розгалуження, де dK/ds = 0. Для коефіцієнта підсилення в точці скористайтеся K = 1/|G(s)|.

Усталена похибка та ПІД-регулювання

Тип системи
кількість полюсів G(s) у точці s = 0
Константи похибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Східчастий сигнал A
ess = A/(1 + Kp)
Лінійно наростальний сигнал A·t
ess = A/Kv
Параболічний сигнал A·t²/2
ess = A/Ka
ПІД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Цільова система другого порядку
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулювання та часові показники
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Підрахуйте полюси розімкненого контуру C(s)·G(s) у точці s = 0: це тип системи.
  2. Знайдіть константу похибки, що відповідає входу: Kp для східчастого, Kv для лінійно наростального, Ka для параболічного сигналу.
  3. Застосуйте ess = A/(1 + Kp), A/Kv або A/Ka, або розв’яжіть це відносно потрібного коефіцієнта підсилення.
  4. Для вимоги щодо демпфування чи швидкодії запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Задачі для практики

1.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−5−10−15−20−25

F(s) = (s + 23)/(s² + 6s + 5). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−t + B·e−5t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (s + 23)/(s² + 6s + 5)
A =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 7y′ + 6y = 0 при y(0) = 10 і y′(0) = 15 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,5).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 10y′(0) = 15t = 0,5 s
y(0.5) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+K(s + 4)(s + 10)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/((s + 4)(s + 10)) охоплено одиничним від’ємним зворотним зв’язком. Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого замкнена система критично загасаюча (два рівні дійсні полюси).

G(s) = K/((s + 4)(s + 10))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
K =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+K(s + 3)(s + 6)(s + 7)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/((s + 3)(s + 6)(s + 7)) охоплено одиничним від’ємним зворотним зв’язком. За найбільшого стійкого коефіцієнта підсилення контур коливається. Знайдіть частоту коливань ω в rad/s.

G(s) = K/((s + 3)(s + 6)(s + 7))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
ω = rad/s
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 46/(s² + 6s + 46) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 46/(s² + 6s + 46)
ts = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
k = 100 N/mc = 7 N·s/mm = 5 kgF = 5 Nx(t)

Маса m = 5 kg висить на пружині k = 100 N/m з в’язким демпфером c = 7 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 5 N. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS зміщення.

m = 5 kgk = 100 N/mc = 7 N·s/mF = 5 N
%OS = %
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+Ks + 9s(s + 2)(s + 4)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має L(s) = K(s + 9)/(s(s + 2)(s + 4)), K > 0. Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 2)(s + 4))
Kmax =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReImζ = 0,4−2−4j2j4

Показано кореневий годограф L(s) = K/(s(s + 4)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого полюси замкненої системи мають коефіцієнт демпфування ζ = 0,4.

L(s) = K/(s(s + 4))ζ = 0,4
K =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K(s + 2)(s + 4)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має G(s) = K/((s + 2)(s + 4)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого усталена похибка для східчастого входу становить 10 %.

G(s) = K/((s + 2)(s + 4))ess = 10 %
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 5C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 1/(s + 5) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 3 rad/s і ζ = 1. Знайдіть пропорційний коефіцієнт Kp.

G(s) = 1/(s + 5)ωₙ = 3 rad/sζ = 1
Kp =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,010,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 0,5

Знайдіть точний модуль |G(jω)| функції G(s) = 380/((s + 2)(s + 19)) за ω = 0,5 rad/s, у dB.

G(s) = 380/((s + 2)(s + 19))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
12.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.

L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2))
GM = dB

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 5,5

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Розкладіть знаменник на множники

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 5)

Правило закривання

Помножте на (s + 1) і покладіть s = −1: доданок із B зникає.

A = (s + 23)/(s + 5) |s = −1 = 22/4 = 5,5

Відповідь

A = 5,5
(B = −4,5, тож f(t) = 5,5·e−t − 4,5·e−5t)
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.5) = 8,849

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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 зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Перетворіть рівняння

s²Y − 10s − 15 + 7(sY − 10) + 6Y = 0
Y(s) = (10s + 85)/((s + 1)(s + 6))

Простіші дроби

A = 75/5 = 15
B = 25/(−5) = −5

Результат

y(t) = 15·e−t − 5·e−6t
y(0,5) = 8,849

Відповідь

y(0,5) = 8,849

Перевірка: y(0) = A + B = 10.

3.Блок-схеми

Відповідь: K = 9

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Характеристичне рівняння

1 + K/((s + 4)(s + 10)) = 0 → s² + 14s + 40 + K = 0

Кратний корінь

Квадратний тричлен s² + βs + γ має подвійний корінь, коли β² = 4γ.

14² = 4(40 + K) → K = 196/4 − 40 = 9

Відповідь

K = 9
Обидва полюси замкненої системи тоді лежать у s = −7.
4.Блок-схеми

Відповідь: ω = 9 rad/s

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Характеристичне рівняння

s³ + 16s² + 81s + 126 + K = 0

Таблиця Рауса

s³ | 1 81
s² | 16 126 + K
s¹ | (16·81 − 126 − K)/16
s⁰ | 126 + K

Межа стійкості

Усі елементи першого стовпця мають бути додатними.

Kmax = 16·81 − 126 = 1170

Частота коливань

16·(jω)² + 126 + 1170 = 0 → ω² = 1296/16 = 81
ω = 9 rad/s

Відповідь

ω = 9 rad/s
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 1,333 s

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 46 → ωₙ = 6,782 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,782) = 0,4423

Результат

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Відповідь

ts = 1,333 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 60,78 %

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = √(k/m) = √(100/5) = 4,472 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 7/(2·√(100·5)) = 0,1565

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 60,78 %

Відповідь

%OS = 60,78 %
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 16

Критерій Рауса–Гурвіца: лінійна система стійка, коли всі корені її характеристичного полінома лежать у лівій півплощині s-площини. Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса. Кожен елемент нового рядка отримують із двох рядків над ним; для кубічного a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ елемент рядка s¹ дорівнює b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Кількість змін знака в першому стовпці дорівнює кількості коренів у правій півплощині. Якщо коефіцієнти містять коефіцієнт підсилення K, усі елементи першого стовпця мають залишатися додатними: значення K, за якого елемент рядка s¹ обертається на нуль, — це межа стійкості, а рядок s² тоді дає частоту незатухних коливань.

Характеристичний поліном

s(s + 2)(s + 4) + K(s + 9) = s³ + 6s² + (8 + K)s + 9K

Таблиця Рауса

s³: 1, 8 + K
s²: 6, 9K
s¹: (6·(8 + K) − 9K)/6
s⁰: 9K

Умова

48 − 3K > 0
K < 48/3 = 16

Відповідь

Kmax = 16

Якби нуль лежав праворуч від s = −6, контур залишався б стійким за будь-якого K > 0.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: K = 25

Кореневий годограф: зі зростанням коефіцієнта підсилення K від 0 до ∞ полюси замкненої системи, тобто корені рівняння 1 + K·G(s) = 0, рухаються від полюсів розімкненої системи до її нулів або до нескінченності. Точка дійсної осі належить годографу, коли кількість дійсних полюсів і нулів праворуч від неї непарна. n − m віток, що йдуть у нескінченність, прямують уздовж асимптот під кутами (2q + 1)·180°/(n − m), які виходять із центра σₐ = (Σ полюсів − Σ нулів)/(n − m). Гілки відходять від дійсної осі або сходяться на ній там, де dK/ds = 0. Умова кута ∠G(s) = 180° визначає форму годографа, а умова модуля K = 1/|G(s)| дає значення K у будь-якій точці годографа.

Порівняйте зі стандартною формою

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

Коефіцієнт підсилення

K = ωₙ² = 5² = 25

Відповідь

K = 25

Полюси замкненої системи лежать там, де лінія ζ перетинає вертикальну гілку s = −2.

9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 72

Усталена похибка: у контурі з одиничним зворотним зв’язком і передавальною функцією розімкненої системи G(s) похибка дорівнює E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а за теоремою про кінцеве значення ess = lims→0 s·E(s). Тип системи — це кількість полюсів G(s) у точці s = 0. Константи похибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) і Ka = lim s²·G(s), усі при s → 0. Східчастий сигнал величини A дає ess = A/(1 + Kp), лінійно наростальний A·t дає A/Kv, а параболічний A·t²/2 дає A/Ka. Контур типу 0 відпрацьовує східчастий сигнал зі скінченною похибкою, контур типу 1 відпрацьовує його точно, а лінійно наростальний — зі скінченною похибкою.

Потрібна константа похибки

1/(1 + Kp) = 0,1 → Kp = 9

Коефіцієнт підсилення

K/8 = 9 → K = 72

Відповідь

K = 72

Перевірте також стійкість замкненої системи: для цього контуру другого порядку будь-яке K > 0 стійке.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kp = 1

П-, ПІ- і ПІД-регулювання: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s діє на похибку. Пропорційний коефіцієнт підсилення робить контур швидшим і зменшує похибку об’єкта типу 0, але ніколи не усуває її. Інтегральна складова додає полюс у точці s = 0: тип системи зростає на одиницю, і східчастий сигнал відпрацьовується без похибки. Диференціальна складова додає демпфування. Щоб підібрати коефіцієнти, запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζωns + ωn². Тоді %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd при ωd = ωn√(1 − ζ²), а ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристичний поліном

1 + C(s)G(s) = 0, помножене на s(s + 5).

s² + (5 + 1Kp)s + 1Ki

Цільовий поліном

s² + 2·1·3s + 3² = s² + 6s + 9

Зіставте коефіцієнти

5 + 1Kp = 6 → Kp = 1

Відповідь

Kp = 1

Інтегральна складова робить контур типу 1, тож східчастий сигнал відпрацьовується без усталеної похибки.

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |G(jω)| = 19,73 dB

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перемножте модулі

|G(j0,5)| = 380/(√(0,5² + 2²)·√(0,5² + 19²)) = 380/(2,062·19,01) = 9,698

Результат

20·log₁₀(9,698) = 19,73 dB

Відповідь

|G(jω)| = 19,73 dB
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: GM = 9,542 dB

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перетин за фазою

(ω/1)·(ω/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1,414 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 4)) = K/(1·2·(1 + 2)) = K/6

Запас за підсиленням

GM = 20·log₁₀(6/2) = 9,542 dB

Відповідь

GM = 9,542 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1