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
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 30/(s(s + 4)(s + 6)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,3).

F(s) = 30/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t) при y(0) = 1 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 10. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(1).

y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 10t = 1 s
y(1) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+15s + 9G(s)C(s)0,25H−

Об’єкт G(s) = 15/(s + 9) керується в контурі від’ємного зворотного зв’язку, датчик якого має коефіцієнт підсилення H = 0,25. На R подано сходинку розміром 5. Знайдіть усталений вихід css.

G(s) = 15/(s + 9)H = 0,25R = 5
css =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+Ks(s + 6)(s + 7)G(s)C(s)−

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

Система має передатну функцію G(s) = 47/(s² + 11s + 47) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 47/(s² + 11s + 47)
%OS = %
6.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+20s(s + 2)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = 20/(s(s + 2)). Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики замкненої системи за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 20/(s(s + 2))
ts = s
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1(s + 1)(s + 5)(s + 6)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має L(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6)), K > 0. Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−2−4j2

Накреслено кореневий годограф L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 3)). Знайдіть частоту ω, за якої годограф перетинає уявну вісь.

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 3))
ω = rad/s
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 1t+Ks(s + 4)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = K/(s(s + 4)) має відпрацьовувати лінійно наростальний сигнал r(t) = 1t з усталеною похибкою 0,01. Знайдіть коефіцієнт підсилення K.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 1tess = 0,01
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 5C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 10/(s + 5) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 4 rad/s і ζ = 1. Знайдіть пропорційний коефіцієнт Kp.

G(s) = 10/(s + 5)ωₙ = 4 rad/sζ = 1
Kp =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ω = 3

Знайдіть фазу ∠G(jω) функції G(s) = 32(s + 11)/(s(s + 1)) за ω = 3 rad/s, у градусах.

G(s) = 32(s + 11)/(s(s + 1))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
12.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 78/(s(s + 4)(s + 7)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.

L(s) = 78/(s(s + 4)(s + 7))
GM = dB

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.3) = 0,5338

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).

Простіші дроби

F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 6)
A = 30/(4·6) = 1,25
B = 30/((−4)·2) = −3,75
C = 30/((−6)·(−2)) = 2,5

Обернене перетворення

f(t) = 1,25 − 3,75·e−4t + 2,5·e−6t

Обчисліть

f(0,3) = 1,25 − 3,75·e−4·0,3 + 2,5·e−6·0,3 = 0,5338

Відповідь

f(0,3) = 0,5338
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(1) = 9,988

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

(s² + 4s + 3)·Y(s) = 1s + 4 + 60/s
Y(s) = (s² + 4s + 60)/(s(s + 1)(s + 3))

Простіші дроби

A = 60/(1·3) = 20
B = 57/((−1)·2) = −28,5
C = 57/((−3)·(−2)) = 9,5

Результат

y(t) = 20 − 28,5·e−t + 9,5·e−3t
y(1) = 9,988

Відповідь

y(1) = 9,988

Перевірка: y(0) = A + B + C = 1.

3.Блок-схеми

Відповідь: css = 5,882

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).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = G/(1 + G·H) = 15/(s + 9 + 3,75) = 15/(s + 12,75)

Результат

css = R·T(0) = 5·15/12,75 = 5,882

Відповідь

css = 5,882
4.Блок-схеми

Відповідь: ω = 6,481 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 + 13s² + 42s + K = 0

Таблиця Рауса

s³ | 1 42
s² | 13 K
s¹ | (13·42 − K)/13
s⁰ | K

Межа стійкості

Усі елементи першого стовпця мають бути додатними.

Kmax = 13·42 = 546

Частота коливань

13·(jω)² + 546 = 0 → ω² = 546/13 = 42
ω = 6,481 rad/s

Відповідь

ω = 6,481 rad/s
5.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 1,467 %

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 = 47 → ωₙ = 6,856 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·6,856) = 0,8023

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−4,222 = 1,467 %

Відповідь

%OS = 1,467 %
6.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 4 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).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = 20/(s² + 2s + 20): ωₙ = 4,472 rad/s, ζ = 0,2236

Час встановлення

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Відповідь

ts = 4 s

Для цього контуру ζωₙ = a/2 за будь-якого K: збільшення K додає перерегулювання, але не скорочує час встановлення.

7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 462

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 + 12s² + 41s + 30 + K = 0

Таблиця Рауса

s³: 1, 41
s²: 12, 30 + K
s¹: (12·41 − 30 − K)/12
s⁰: 30 + K

Умова

Елемент рядка s¹ має залишатися додатним.

K < 12·41 − 30 = 462

Відповідь

Kmax = 462

На межі контур коливається з частотою ω = √41 = 6,403 rad/s.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: ω = 3,317 rad/s

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.

Критичний коефіцієнт підсилення

s³ + 6s² + 11s + 6 + K = 0
s¹: (6·11 − 6 − K)/6 = 0 → K = 60

Частота перетину

6s² + 6 + 60 = 6s² + 66 = 0 → s² = −11
ω = √11 = 3,317 rad/s

Відповідь

ω = 3,317 rad/s
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 400

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 швидкісна константа

Kv = A/ess = 1/0,01 = 100

Коефіцієнт підсилення

K = 4·Kv = 400

Відповідь

K = 400

Великий коефіцієнт підсилення робить цей контур дуже слабко демпфованим: ζ = 0,1. Саме через цю суперечність застосовують коригувальні ланки.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kp = 0,3

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 + 10Kp)s + 10Ki

Цільовий поліном

s² + 2·1·4s + 4² = s² + 8s + 16

Зіставте коефіцієнти

5 + 10Kp = 8 → Kp = 0,3

Відповідь

Kp = 0,3

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

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ∠G(jω) = −146,3 °

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.

Додайте кути

∠G = atan(3/11) − 90° − atan(3/1) = 15,26° − 90° − 71,57°

Результат

∠G(j3) = −146,3°

Відповідь

∠G(jω) = −146,3°
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: GM = 11,93 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/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 49)) = K/(4·7·(4 + 7)) = K/308

Запас за підсиленням

GM = 20·log₁₀(308/78) = 11,93 dB

Відповідь

GM = 11,93 dB

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