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
Запишіть характеристичний поліном замкненої системи: знаменник рівняння 1 + K·G(s) = 0, розкритий до кінця.
Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса й побудуйте решту рядків.
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.
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
Підрахуйте полюси розімкненого контуру C(s)·G(s) у точці s = 0: це тип системи.
Знайдіть константу похибки, що відповідає входу: Kp для східчастого, Kv для лінійно наростального, Ka для параболічного сигналу.
Застосуйте ess = A/(1 + Kp), A/Kv або A/Ka, або розв’яжіть це відносно потрібного коефіцієнта підсилення.
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
Знайдіть f(t) для F(s) = (6s + 20)/(s² + 2s + 1) і обчисліть f(0,75).
F(s) = (6s + 20)/(s² + 2s + 1)t = 0,75 s
f(0.75) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
Розв’яжіть y″ + 6y′ + 5y = 0 при y(0) = −2 і y′(0) = 0 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,25).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = −2y′(0) = 0t = 0,25 s
y(0.25) =
3.Блок-схемиСередня
Об’єкт G(s) = K/((s + 1)(s + 6)) охоплено одиничним від’ємним зворотним зв’язком. Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого замкнена система критично загасаюча (два рівні дійсні полюси).
Пропорційний регулятор K = 20 керує об’єктом G(s) = 2/(s + 10) в одиничному від’ємному зворотному зв’язку. Збурення D діє на вході об’єкта (додається до виходу регулятора). Одночасно подають сходинку задавального сигналу розміром 2 і сходинку збурення розміром 0,5. Знайдіть усталений вихід css.
K = 20G(s) = 2/(s + 10)D = 0,5R = 2
css =
5.Перехідна характеристикаСередня
Система має передатну функцію G(s) = 13/(s² + 4s + 13) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.
G(s) = 13/(s² + 4s + 13)
ζ =
6.Перехідна характеристикаСкладна
Маса m = 10 kg висить на пружині k = 2000 N/m з в’язким демпфером c = 57 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 20 N. Знайдіть момент tp, коли зміщення найбільше.
m = 10 kgk = 2000 N/mc = 57 N·s/mF = 20 N
tp = s
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
Контур на схемі має від’ємний зворотний зв’язок, L(s) = 2880/(s(s + 6)(s + 10)). Скільки полюсів N замкненої системи лежить у правій півплощині?
L(s) = 2880/(s(s + 6)(s + 10))
N =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
Кореневий годограф L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10)) відходить від дійсної осі між s = 0 і s = −1. Знайдіть точку відходу sb.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))
sb =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
Контур з одиничним зворотним зв’язком має G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого усталена похибка для східчастого входу становить 25 %.
G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 25 %
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 10/(s + 1) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 8 rad/s і ζ = 0,6. Знайдіть інтегральний коефіцієнт Ki.
G(s) = 10/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,6
Ki =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
RL-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 220 Ω, L = 47 mH. На вхід подають синусоїдний сигнал 1,5 kHz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.
R = 220 ΩL = 47 mHf = 1,5 kHz
φ = °
12.Діаграми Боде та запасиСкладна
Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 304/(s(s + 9)(s + 10)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.
L(s) = 304/(s(s + 9)(s + 10))
GM = dB
3Розчини
1.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.75) = 7,794
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 + 2s + 1 = (s + 1)²
Простіші дроби
6s + 20 = 6(s + 1) + 14
F(s) = 6/(s + 1) + 14/(s + 1)²
Обернене перетворення
f(t) = 6·e−t + 14·t·e−t
f(0,75) = (6 + 14·0,75)·e−0,75 = 7,794
Відповідь
f(0,75) = 7,794
2.Перетворення Лапласа
Відповідь: y(0.25) = −1,804
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 − (−2)s − 0 + 6(sY − (−2)) + 5Y = 0
Y(s) = (−2s − 12)/((s + 1)(s + 5))
Простіші дроби
A = −10/4 = −2,5
B = −2/(−4) = 0,5
Результат
y(t) = −2,5·e−t + 0,5·e−5t
y(0,25) = −1,804
Відповідь
y(0,25) = −1,804
Перевірка: y(0) = A + B = −2.
3.Блок-схеми
Відповідь: K = 6,25
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 + 1)(s + 6)) = 0 → s² + 7s + 6 + K = 0
Кратний корінь
Квадратний тричлен s² + βs + γ має подвійний корінь, коли β² = 4γ.
7² = 4(6 + K) → K = 49/4 − 6 = 6,25
Відповідь
K = 6,25
Обидва полюси замкненої системи тоді лежать у s = −3,5.
4.Блок-схеми
Відповідь: css = 1,62
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).
Передатні функції
C/D = G/(1 + K·G) = 2/(s + 10 + 40)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 40/(s + 10 + 40)
Усталений режим
css = 2·40/50 + 0,5·2/50 = 1,62
Відповідь
css = 1,62
Більше K зменшує вплив збурення, але з пропорційним регулятором ніколи не до нуля.
5.Перехідна характеристика
Відповідь: ζ = 0,5547
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 = 13 → ωₙ = 3,606 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,606) = 0,5547
Результат
ζ = 0,5547
Відповідь
ζ = 0,5547
6.Перехідна характеристика
Відповідь: tp = 0,2268 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).
Власна частота й коефіцієнт демпфування
ωₙ = √(k/m) = √(2000/10) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 57/(2·√(2000·10)) = 0,2015
Результат
ωd = 13,85 rad/s
tp = π/ωd = 0,2268 s
Відповідь
tp = 0,2268 s
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф
Відповідь: N = 2
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
s³ + 16s² + 60s + 2880 = 0
Таблиця Рауса
s³: 1, 60
s²: 16, 2880
s¹: −120
s⁰: 2880
Зміни знака в першому стовпці
1 → 16 → −120 → 2880
N = 2
Відповідь
N = 2
Коефіцієнт підсилення вищий за межу K = 960, тож комплексна пара перейшла в праву півплощину.
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф
Відповідь: sb = −0,4869
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.
Коефіцієнт підсилення вздовж дійсної осі
K(s) = −s(s + 1)(s + 10) = −(s³ + 11s² + 10s)
Стаціонарні точки
dK/ds = −(3s² + 22s + 10) = 0
s = (−22 ± √(484 − 120))/6 = −0,4869, −6,846
Оберіть точку на годографі
Годограф лежить на дійсній осі між 0 і −1; другий корінь годографу не належить.
sb = −0,4869
Відповідь
sb = −0,4869
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання
Відповідь: K = 150
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) = 0,25 → Kp = 3
Коефіцієнт підсилення
K/50 = 3 → K = 150
Відповідь
K = 150
Перевірте також стійкість замкненої системи: для цього контуру другого порядку будь-яке K > 0 стійке.
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання
Відповідь: Ki = 6,4
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 + 1).
s² + (1 + 10Kp)s + 10Ki
Цільовий поліном
s² + 2·0,6·8s + 8² = s² + 9,6s + 64
Зіставте коефіцієнти
10Ki = 64 → Ki = 6,4
Відповідь
Ki = 6,4
Інтегральна складова робить контур типу 1, тож східчастий сигнал відпрацьовується без усталеної похибки.
11.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: φ = 26,41 °
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 = R/L = 220/0,047 = 4681 rad/s
fc = 745 Hz → f/fc = 1500/745 = 2,013
Фаза
φ = 90° − atan(2,013) = 26,41°
Відповідь
φ = 26,41°
12.Діаграми Боде та запаси
Відповідь: GM = 15 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.