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−2−4−624

Знайдіть f(t) для F(s) = (4s + 24)/(s² + 2s + 17), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,8).

F(s) = (4s + 24)/(s² + 2s + 17)t = 0,8 s
f(0.8) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 10y = 50·u(t). Вона починає зі спокою (y(0) = 0, y′(0) = 0), а вхід — сходинка u(t) = 5 при t ≥ 0. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть вихід y(0,6).

y″ + 7y′ + 10y = 50·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,6 s
y(0.6) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+Ks(s + 14)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/(s(s + 14)) 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(s + 14))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
K =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+8s(s + 4)G(s)C(s)2H−

Об’єкт G(s) = 8/(s(s + 4)) 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) = 8/(s(s + 4))H = 2
ωd = rad/s
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)3

Система має передатну функцію G(s) = 177/(s² + 5s + 59) і отримує на вході одиничну сходинку. Полюси: s = σ ± jωd. Знайдіть дійсну частину σ.

G(s) = 177/(s² + 5s + 59)
σ =
6.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = K/(s(s + 12)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого перехідна характеристика має перерегулювання 10 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 10 %
K =
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+Ks + 13s(s + 3)(s + 4)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має L(s) = K(s + 13)/(s(s + 3)(s + 4)), K > 0. Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K(s + 13)/(s(s + 3)(s + 4))
Kmax =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

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
r(t) = 1t+Ks(s + 5)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = K/(s(s + 5)) має відпрацьовувати лінійно наростальний сигнал r(t) = 1t з усталеною похибкою 0,1. Знайдіть коефіцієнт підсилення K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 1tess = 0,1
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+20 + Kd​s10s(s + 4)C(s)−

ПД-регулятор C(s) = 20 + Kd·s керує об’єктом G(s) = 10/(s(s + 4)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть диференціальний коефіцієнт Kd, за якого замкнена система має коефіцієнт демпфування ζ = 0,8.

G(s) = 10/(s(s + 4))Kp = 20ζ = 0,8
Kd = s
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​R = 22 kΩC = 4,7 nFvout​

RC-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 22 kΩ, C = 4,7 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 4,6 kHz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.

R = 22 kΩC = 4,7 nFf = 4,6 kHz
|H| = 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) = 24/(s(s + 4)(s + 6)). Знайдіть частоту перетину за фазою ω180, де ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 24/(s(s + 4)(s + 6))
ω180 = rad/s

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.8) = −1,925

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 + 2s + 17 = (s + 1)² + 16 = (s + 1)² + 4²

Зіставлення чисельника

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (20/4)·4/((s + 1)² + 4²)

Обернене перетворення

f(t) = e−t·(4·cos 4t + 5·sin 4t)
f(0,8) = e−0,8·(4·cos(4·0,8) + 5·sin(4·0,8)) = −1,925

Відповідь

f(0,8) = −1,925
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.6) = 13,28

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

Y(s) = 250/(s(s + 2)(s + 5))

Простіші дроби

A = 250/(2·5) = 25
B = 250/((−2)·3) = −41,67
C = 250/((−5)·(−3)) = 16,67

Виведення

y(t) = 25 − 41,67·e−2t + 16,67·e−5t
y(0,6) = 13,28

Відповідь

y(0,6) = 13,28
3.Блок-схеми

Відповідь: K = 49

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(s + 14)) = 0 → s² + 14s + K = 0

Кратний корінь

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

14² = 4K → K = 196/4 = 49

Відповідь

K = 49
Обидва полюси замкненої системи тоді лежать у s = −7.
4.Блок-схеми

Відповідь: ωd = 3,464 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 + 4) + 8·2 = 0 → s² + 4s + 16 = 0

Корені

s = −2 ± j·√(16 − 4) = −2 ± j3,464
ωd = 3,464 rad/s

Відповідь

ωd = 3,464 rad/s
5.Перехідна характеристика

Відповідь: σ = −2,5

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 = 59 → ωₙ = 7,681 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·7,681) = 0,3255

Результат

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5

Відповідь

σ = −2,5
6.Перехідна характеристика

Відповідь: K = 103

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) = K/(s² + 12s + K)

Коефіцієнт демпфування за перерегулюванням

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912

Коефіцієнт підсилення

ωₙ = 12/(2ζ) = 10,15 rad/s
K = ωₙ² = 103

Відповідь

K = 103
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 14

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 + 3)(s + 4) + K(s + 13) = s³ + 7s² + (12 + K)s + 13K

Таблиця Рауса

s³: 1, 12 + K
s²: 7, 13K
s¹: (7·(12 + K) − 13K)/7
s⁰: 13K

Умова

84 − 6K > 0
K < 84/6 = 14

Відповідь

Kmax = 14

Якби нуль лежав праворуч від s = −7, контур залишався б стійким за будь-якого K > 0.

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 = 50

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 = 1/0,1 = 10

Коефіцієнт підсилення

K = 5·Kv = 50

Відповідь

K = 50

Великий коефіцієнт підсилення робить цей контур дуже слабко демпфованим: ζ = 0,3536. Саме через цю суперечність застосовують коригувальні ланки.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kd = 1,863 s

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 + 4) + 10(20 + Kds) = s² + (4 + 10Kd)s + 200

Власна частота

ωₙ = √200 = 14,14 rad/s

Диференціальний коефіцієнт підсилення

4 + 10Kd = 2·0,8·14,14 = 22,63
Kd = 1,863 s

Відповідь

Kd = 1,863 s

Диференціальна складова додає демпфування, не змінюючи ωₙ.

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |H| = −9,97 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/(22000·4,7 × 10⁻⁹) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 4600/1539 = 2,989

Коефіцієнт підсилення

|H| = 1/√(1 + 2,989²) = 0,3173
20·log₁₀(0,3173) = −9,97 dB

Відповідь

|H| = −9,97 dB
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ω180 = 4,899 rad/s

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/6) = 1 → ω180 = √(4·6) = 4,899 rad/s

Відповідь

ω180 = 4,899 rad/s

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