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−1−2−3−4−51

F(s) = (3s + 2)/(s² + 9s + 20). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−4t + B·e−5t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (3s + 2)/(s² + 9s + 20)
A =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 7y′ + 10y = 3u′ + 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 = 0,3 s. Знайдіть g(0,3).

y″ + 7y′ + 10y = 3u′ + 19ut = 0,3 s
g(0.3) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+12s(s + 4)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = 12/(s(s + 4)). Завдання — лінійно наростаючий сигнал r(t) = 10·t. Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 12/(s(s + 4))r(t) = 10·t
ess =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+72s(s + 10)G(s)C(s)2H−

Об’єкт G(s) = 72/(s(s + 10)) охоплено від’ємним зворотним зв’язком із коефіцієнтом датчика H = 2. Полюси замкненої системи комплексні. Знайдіть їхню уявну частину ωd (додатне значення) в rad/s.

G(s) = 72/(s(s + 10))H = 2
ωd = rad/s
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 28/(s² + 4s + 28) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 28/(s² + 4s + 28)
ts = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
k = 500 N/mc = 100 N·s/mm = 20 kgF = 20 Nx(t)

Маса m = 20 kg висить на пружині k = 500 N/m з в’язким демпфером c = 100 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 20 N. Знайдіть найбільше зміщення xmax у mm.

m = 20 kgk = 500 N/mc = 100 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1s(s + 1)(s + 3)C(s)−

Контур на схемі має передавальну функцію розімкненої системи L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3)). Коефіцієнт підсилення збільшують, доки замкнена система не опиниться на межі стійкості. Знайдіть частоту ω незатухних коливань.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))
ω = rad/s
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2−0,5

Для контуру L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8)) знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого полюс замкненої системи опиняється в точці s = −0,5.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))s = −0,5
K =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 0,5t+2(s + 3)s(s + 1)C(s)−

Лінійно наростальний сигнал r(t) = 0,5t подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 1)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 1))r(t) = 0,5t
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 101s(s + 5)C(s)−

П-регулятор K = 10 керує об’єктом G(s) = 1/(s(s + 5)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 1/(s(s + 5))K = 10
%OS = %
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​L = 1 mHC = 10 µFR = 2 Ωvout​

У показаному послідовному смуговому RLC-фільтрі вихід знімають з R = 2 Ω, при L = 1 mH і C = 10 µF. Знайдіть смугу пропускання за рівнем −3 dB BW у Hz.

R = 2 ΩL = 1 mHC = 10 µF
BW = Hz
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) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Знайдіть підсилення K, що дає запас за підсиленням 8 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))GM = 8 dB
K =

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = −10

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 + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 5)

Правило закривання

Помножте на (s + 4) і покладіть s = −4: доданок із B зникає.

A = (3s + 2)/(s + 5) |s = −4 = −10/1 = −10

Відповідь

A = −10
(B = 13, тож f(t) = −10·e−4t + 13·e−5t)
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.3) = 2,081

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) = (3s + 19)/(s² + 7s + 10)

Простіші дроби

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 4,333, B = −1,333

Імпульсна характеристика

g(t) = 4,333·e−2t − 1,333·e−5t
g(0,3) = 2,081

Відповідь

g(0,3) = 2,081
3.Блок-схеми

Відповідь: ess = 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).

Стала похибки за швидкістю

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 12/4 = 3

Усталена похибка

ess = A/Kᵥ = 10/3 = 3,333

Відповідь

ess = 3,333
4.Блок-схеми

Відповідь: ωd = 10,91 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

s(s + 10) + 72·2 = 0 → s² + 10s + 144 = 0

Корені

s = −5 ± j·√(144 − 25) = −5 ± j10,91
ωd = 10,91 rad/s

Відповідь

ωd = 10,91 rad/s
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 2 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 = 28 → ωₙ = 5,292 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5,292) = 0,378

Результат

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

Відповідь

ts = 2 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: xmax = 46,52 mm

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) = √(500/20) = 5 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 100/(2·√(500·20)) = 0,5

Результат

xst = F/k = 20/500 m = 40 mm
%OS = 16,3 %
xmax = 40·(1 + 0,163) = 46,52 mm

Відповідь

xmax = 46,52 mm
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: ω = 1,732 rad/s

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.

Таблиця Рауса

s³ + 4s² + 3s + K = 0
s³: 1, 3
s²: 4, K
s¹: (4·3 − K)/4
s⁰: K

Критичний коефіцієнт підсилення

K = 4·3 = 12

Допоміжне рівняння

При критичному коефіцієнті підсилення рядок s¹ нульовий; рядок s² дає полюси на уявній осі.

4s² + 12 = 0 → s = ±j√3
ω = 1,732 rad/s

Відповідь

ω = 1,732 rad/s
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: K = 16,88

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.

Умова модуля

K = |s|·|s + 5|·|s + 8|

Обчисліть у цій точці

K = 0,5·4,5·7,5 = 16,88

Відповідь

K = 16,88

Перевірка: s(s + 5)(s + 8) + K дорівнює нулю при s = −0,5.

9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,08333

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.

Швидкісна константа

Kv = lim s·G(s) = 6

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 0,5/6 = 0,08333

Відповідь

ess = 0,08333
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: %OS = 1,732 %

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

s(s + 5) + 10·1 = s² + 5s + 10

ωₙ і ζ

ωₙ = √10 = 3,162 rad/s
ζ = 5/(2·3,162) = 0,7906

Перерегулювання

%OS = 100·e−0,7906π/√(1 − 0,7906²) = 1,732 %

Відповідь

%OS = 1,732 %
11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: BW = 318,3 Hz

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.

Резонансна частота

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,001·1 × 10⁻⁵) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz

Смуга пропускання

BW = R/L = 2/0,001 = 2000 rad/s = 318,3 Hz

Відповідь

BW = 318,3 Hz
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: K = 27,87

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/2)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3,162 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 25)) = K/(2·5·(2 + 5)) = K/70

Потрібне підсилення

70/K = 108/20 = 2,512
K = 70/2,512 = 27,87

Відповідь

K = 27,87

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