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−5−10−15−20

Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 19)/(s² + 2s + 5), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(1).

F(s) = (s + 19)/(s² + 2s + 5)t = 1 s
f(1) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Розв’яжіть y″ + 4y′ + 3y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 1 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,8).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 5y′(0) = 1t = 0,8 s
y(0.8) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+K(s + 7)(s + 8)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/((s + 7)(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 + 7)(s + 8))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
K =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+68s(s + 10)G(s)C(s)0,5H−

Об’єкт G(s) = 68/(s(s + 10)) охоплено від’ємним зворотним зв’язком із коефіцієнтом датчика H = 0,5. Полюси замкненої системи комплексні. Знайдіть їхню уявну частину ωd (додатне значення) в rad/s.

G(s) = 68/(s(s + 10))H = 0,5
ωd = rad/s
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 7/(s² + 3s + 7) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 7/(s² + 3s + 7)
ts = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
t (s)y(t)1tp​ = 0,8 s5 %

Перехідна характеристика системи другого порядку без нулів має перерегулювання 5 %, а перший пік настає при t = 0,8 s. Знайдіть власну частоту ωn.

%OS = 5 %tp = 0,8 s
ωn = rad/s
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K = 40,51s(s + 3)(s + 6)C(s)−

Контур на схемі працює при K = 40,5, L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)). У скільки разів m можна збільшити коефіцієнт підсилення, перш ніж замкнена система стане нестійкою?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))K = 40,5
m =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−5j5

Накреслено кореневий годограф L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5)). Знайдіть частоту ω, за якої годограф перетинає уявну вісь.

L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K(s + 4)(s + 5)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має G(s) = K/((s + 4)(s + 5)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого усталена похибка для східчастого входу становить 4 %.

G(s) = K/((s + 4)(s + 5))ess = 4 %
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 254s(s + 5)C(s)−

П-регулятор K = 25 керує об’єктом G(s) = 4/(s(s + 5)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 4/(s(s + 5))K = 25
ts = s
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​C = 100 nFR = 4,7 kΩvout​

RC-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 4,7 kΩ, C = 100 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 68 Hz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.

R = 4,7 kΩC = 100 nFf = 68 Hz
|H| = dB
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) = 102/(s(s + 3)(s + 6)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.

L(s) = 102/(s(s + 3)(s + 6))
GM = dB

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(1) = 2,858

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 + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

Зіставлення чисельника

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (18/2)·2/((s + 1)² + 2²)

Обернене перетворення

f(t) = e−t·(cos 2t + 9·sin 2t)
f(1) = e−1·(cos(2·1) + 9·sin(2·1)) = 2,858

Відповідь

f(1) = 2,858
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.8) = 3,322

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 − 5s − 1 + 4(sY − 5) + 3Y = 0
Y(s) = (5s + 21)/((s + 1)(s + 3))

Простіші дроби

A = 16/2 = 8
B = 6/(−2) = −3

Результат

y(t) = 8·e−t − 3·e−3t
y(0,8) = 3,322

Відповідь

y(0,8) = 3,322

Перевірка: y(0) = A + B = 5.

3.Блок-схеми

Відповідь: K = 0,25

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 + 7)(s + 8)) = 0 → s² + 15s + 56 + K = 0

Кратний корінь

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

15² = 4(56 + K) → K = 225/4 − 56 = 0,25

Відповідь

K = 0,25
Обидва полюси замкненої системи тоді лежать у s = −7,5.
4.Блок-схеми

Відповідь: ωd = 3 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) + 68·0,5 = 0 → s² + 10s + 34 = 0

Корені

s = −5 ± j·√(34 − 25) = −5 ± j3
ωd = 3 rad/s

Відповідь

ωd = 3 rad/s
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 2,667 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 = 7 → ωₙ = 2,646 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2,646) = 0,5669

Результат

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

Відповідь

ts = 2,667 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 5,426 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).

Коефіцієнт демпфування

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 2,996/√(9,87 + 8,974) = 0,6901

Власна частота

ωd = π/tp = π/0,8 = 3,927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,927/0,7237 = 5,426 rad/s

Відповідь

ωn = 5,426 rad/s
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: m = 4

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 + 9s² + 18s + K = 0
s³: 1, 18
s²: 9, K
s¹: (9·18 − K)/9
s⁰: K

Найбільший стійкий коефіцієнт підсилення

Kmax = 9·18 = 162

Кратність

m = 162/40,5 = 4

Відповідь

m = 4

Ця кратність — запас за коефіцієнтом підсилення як відношення: 12,04 dB.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: ω = 6,856 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 + 12s² + 47s + 60 + K = 0
s¹: (12·47 − 60 − K)/12 = 0 → K = 504

Частота перетину

12s² + 60 + 504 = 12s² + 564 = 0 → s² = −47
ω = √47 = 6,856 rad/s

Відповідь

ω = 6,856 rad/s
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 480

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) = 0,04 → Kp = 24

Коефіцієнт підсилення

K/20 = 24 → K = 480

Відповідь

K = 480

Перевірте також стійкість замкненої системи: для цього контуру другого порядку будь-яке K > 0 стійке.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ts = 1,6 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 + 5) + 25·4 = s² + 5s + 100

ωₙ і ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 5/(2·10) = 0,25

Час встановлення

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Відповідь

ts = 1,6 s

Час встановлення тут не залежить від K: збільшення K лише прискорює коливання відгуку.

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |H| = −14,12 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/(4700·1 × 10⁻⁷) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 68/338,6 = 0,2008

Коефіцієнт підсилення

|H| = 0,2008/√(1 + 0,2008²) = 0,1969
20·log₁₀(0,1969) = −14,12 dB

Відповідь

|H| = −14,12 dB
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: GM = 4,018 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/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4,243 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 36)) = K/(3·6·(3 + 6)) = K/162

Запас за підсиленням

GM = 20·log₁₀(162/102) = 4,018 dB

Відповідь

GM = 4,018 dB

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