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
ReIm5

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 6)/(s² + 8s + 52), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,4).

F(s) = (3s + 6)/(s² + 8s + 52)t = 0,4 s
f(0.4) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−1−2−3−4−512

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 2y′ + 5y = 4u′ + 19u із входом u(t) і виходом y(t). Знайдіть її передатну функцію G(s) = Y(s)/U(s) (нульові початкові умови) і обчисліть імпульсну характеристику g(t) при t = 0,75 s. Знайдіть g(0,75).

y″ + 2y′ + 5y = 4u′ + 19ut = 0,75 s
g(0.75) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+K(s + 5)(s + 8)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/((s + 5)(s + 8)) 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 + 5)(s + 8))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
K =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+Kрегулятор+D(s)+6s + 5об’єктC(s)−

Пропорційний регулятор K керує об’єктом G(s) = 6/(s + 5) в одиничному від’ємному зворотному зв’язку. Сходинка збурення розміром 1 діє на вході об’єкта за R = 0. Знайдіть найменший коефіцієнт підсилення K, за якого усталений вихід не перевищує 0,24.

G(s) = 6/(s + 5)D = 1css ≤ 0,24
K =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1

Система має передатну функцію G(s) = 46/(s² + 9s + 46) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 46/(s² + 9s + 46)
ωn = rad/s
6.Перехідна характеристикаСкладна
t (s)y(t)14,3 %

Система другого порядку без нулів має давати перехідну характеристику з перерегулюванням 4,3 %. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.

%OS = 4,3 %
ζ =
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1s(s + 2)(s + 5)C(s)−

Контур на схемі має передавальну функцію розімкненої системи L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))
Kmax =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,5−50,5j0,5j1

Контур з одиничним зворотним зв’язком має L(s) = K/(s(s + 4)(s + 1)). Знайдіть точку σa, у якій асимптоти кореневого годографа перетинають дійсну вісь.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 1))
σa =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 4·t²/2+2(s + 3)s²(s + 4)C(s)−

Параболічний вхід r(t) = 4·t²/2 подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 2(s + 3)/(s²(s + 4)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 2(s + 3)/(s²(s + 4))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 4C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 10/(s + 4) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 5 rad/s і ζ = 0,6. Знайдіть пропорційний коефіцієнт Kp.

G(s) = 10/(s + 4)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,6
Kp =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​C = 2,2 nFR = 1 kΩvout​

RC-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 1 kΩ, C = 2,2 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 18 kHz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.

R = 1 kΩC = 2,2 nFf = 18 kHz
|H| = dB
12.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 220/(s(s + 20)). Знайдіть запас за фазою PM у градусах.

L(s) = 220/(s(s + 20))
PM = °

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.4) = −0,583

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).

Виділення повного квадрата

s² + 8s + 52 = (s + 4)² + 36 = (s + 4)² + 6²

Зіставлення чисельника

F(s) = 3·(s + 4)/((s + 4)² + 6²) + (−6/6)·6/((s + 4)² + 6²)

Обернене перетворення

f(t) = e−4t·(3·cos 6t − sin 6t)
f(0,4) = e−4·0,4·(3·cos(6·0,4) − sin(6·0,4)) = −0,583

Відповідь

f(0,4) = −0,583
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.75) = 3,668

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).

Передатна функція

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 19)/(s² + 2s + 5)

Простіші дроби

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 2²
G(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (15/2)·2/((s + 1)² + 2²)

Імпульсна характеристика

g(t) = e−t·(4·cos 2t + 7,5·sin 2t)
g(0,75) = 3,668

Відповідь

g(0,75) = 3,668
3.Блок-схеми

Відповідь: K = 2,25

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 + 5)(s + 8)) = 0 → s² + 13s + 40 + K = 0

Кратний корінь

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

13² = 4(40 + K) → K = 169/4 − 40 = 2,25

Відповідь

K = 2,25
Обидва полюси замкненої системи тоді лежать у s = −6,5.
4.Блок-схеми

Відповідь: K = 3,333

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).

Відгук на збурення

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 1·6/(5 + 6K)

Розв’яжіть відносно K

5 + 6K = 1·6/0,24 = 25
K = (25 − 5)/6 = 3,333

Відповідь

K = 3,333
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 6,782 rad/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 = 9 → ζ = 9/(2·6,782) = 0,6635

Результат

ωₙ = 6,782 rad/s

Відповідь

ωn = 6,782 rad/s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: ζ = 0,7077

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).

Коефіцієнт демпфування

ζ = −ln(0,043)/√(π² + ln²(0,043)) = 3,147/√(9,87 + 9,901) = 0,7077

Відповідь

ζ = 0,7077
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 70

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.

Характеристичне рівняння

s³ + 7s² + 10s + K = 0

Таблиця Рауса

s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K

Умови

Кожен елемент першого стовпця має бути додатним.

K > 0
7·10 − K > 0 → K < 70

Відповідь

Kmax = 70

При K = 70 замкнена система коливається з частотою ω = √10 = 3,162 rad/s.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: σa = −1,667

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.

Полюси й нулі

полюси: 0, −4, −1
n − m = 3 − 0 = 3

Центр ваги

σa = (−5)/3 = −1,667

Відповідь

σa = −1,667

3 асимптот виходять із центра під кутами 60°, 180°, 300°.

9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 2,667

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.

Константа прискорення

Ka = 2·3/4 = 1,5

Похибка за параболічного сигналу

ess = 4/1,5 = 2,667

Відповідь

ess = 2,667
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kp = 0,2

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 + 4).

s² + (4 + 10Kp)s + 10Ki

Цільовий поліном

s² + 2·0,6·5s + 5² = s² + 6s + 25

Зіставте коефіцієнти

4 + 10Kp = 6 → Kp = 0,2

Відповідь

Kp = 0,2

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

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |H| = −12,34 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.

Частота зрізу

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·2,2 × 10⁻⁹) = 454545 rad/s
fc = 72343 Hz → f/fc = 18000/72343 = 0,2488

Коефіцієнт підсилення

|H| = 0,2488/√(1 + 0,2488²) = 0,2415
20·log₁₀(0,2415) = −12,34 dB

Відповідь

|H| = −12,34 dB
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: PM = 63,74 °

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.

Зріз за підсиленням

ω⁴ + 400ω² − 48400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·48400))/2 = 97,32
ωc = 9,865 rad/s

Запас за фазою

∠L(jωc) = −90° − atan(9,865/20) = −116,3°
PM = 180° + ∠L = 63,74°

Відповідь

PM = 63,74°

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