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 = 0,25f(0,25) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 4)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,25).

F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,25 s
f(0.25) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−1−2−3−4−51

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 7y′ + 10y = 10u 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 = 0,4 s. Знайдіть g(0,4).

y″ + 7y′ + 10y = 10ut = 0,4 s
g(0.4) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+37s + 10G(s)C(s)0,1H−

Об’єкт G(s) = 37/(s + 10) керується в контурі від’ємного зворотного зв’язку, датчик якого має коефіцієнт підсилення H = 0,1. На R подано сходинку розміром 1. Знайдіть усталений вихід css.

G(s) = 37/(s + 10)H = 0,1R = 1
css =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+56s(s + 6)G(s)C(s)0,5H−

Об’єкт G(s) = 56/(s(s + 6)) 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) = 56/(s(s + 6))H = 0,5
ωd = rad/s
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1

Система має передатну функцію G(s) = 14/(s² + 6s + 14) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 14/(s² + 6s + 14)
ωn = rad/s
6.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = K/(s(s + 8)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого перехідна характеристика має перерегулювання 2 %.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 2 %
K =
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Контур на схемі має передавальну функцію розімкненої системи L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)). Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))
Kmax =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2

Для L(s) = K/((s + 7)(s² + 2s + 2)) знайдіть кут відходу θd кореневого годографа від комплексного полюса у верхній півплощині, відміряний від додатного напряму дійсної осі.

L(s) = K/((s + 7)(s² + 2s + 2))
θd = °
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 0,5t+2(s + 3)s(s + 2)(s + 5)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 + 2)(s + 5)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 2)(s + 5))r(t) = 0,5t
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 4C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 10/(s + 4) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 8 rad/s і ζ = 1. Знайдіть пропорційний коефіцієнт Kp.

G(s) = 10/(s + 4)ωₙ = 8 rad/sζ = 1
Kp =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​C = 47 nFR = 47 kΩvout​

RC-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 47 kΩ, C = 47 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 36 Hz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.

R = 47 kΩC = 47 nFf = 36 Hz
φ = °
12.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 800/(s(s + 8)). Знайдіть запас за фазою PM у градусах.

L(s) = 800/(s(s + 8))
PM = °

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.25) = 0,5354

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 + 3) + C/(s + 4)
A = 30/(3·4) = 2,5
B = 30/((−3)·1) = −10
C = 30/((−4)·(−1)) = 7,5

Обернене перетворення

f(t) = 2,5 − 10·e−3t + 7,5·e−4t

Обчисліть

f(0,25) = 2,5 − 10·e−3·0,25 + 7,5·e−4·0,25 = 0,5354

Відповідь

f(0,25) = 0,5354
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(0.4) = 1,047

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) = 10/(s² + 7s + 10)

Простіші дроби

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 3,333, B = −3,333

Імпульсна характеристика

g(t) = 3,333·e−2t − 3,333·e−5t
g(0,4) = 1,047

Відповідь

g(0,4) = 1,047
3.Блок-схеми

Відповідь: css = 2,701

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) = 37/(s + 10 + 3,7) = 37/(s + 13,7)

Результат

css = R·T(0) = 1·37/13,7 = 2,701

Відповідь

css = 2,701
4.Блок-схеми

Відповідь: ωd = 4,359 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 + 6) + 56·0,5 = 0 → s² + 6s + 28 = 0

Корені

s = −3 ± j·√(28 − 9) = −3 ± j4,359
ωd = 4,359 rad/s

Відповідь

ωd = 4,359 rad/s
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 3,742 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).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 14 → ωₙ = 3,742 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·3,742) = 0,8018

Результат

ωₙ = 3,742 rad/s

Відповідь

ωn = 3,742 rad/s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: K = 26,32

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 + 8s + K)

Коефіцієнт демпфування за перерегулюванням

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797

Коефіцієнт підсилення

ωₙ = 8/(2ζ) = 5,13 rad/s
K = ωₙ² = 26,32

Відповідь

K = 26,32
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 30

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.

Характеристичне рівняння

s³ + 6s² + 5s + K = 0

Таблиця Рауса

s³: 1, 5
s²: 6, K
s¹: (6·5 − K)/6
s⁰: K

Умови

Кожен елемент першого стовпця має бути додатним.

K > 0
6·5 − K > 0 → K < 30

Відповідь

Kmax = 30

При K = 30 замкнена система коливається з частотою ω = √5 = 2,236 rad/s.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: θd = 80,54 °

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.

Положення полюсів

s² + 2s + 2 = 0 → s = −1 ± j1
s = −7

Кути від інших полюсів

∠(−1 + j1 + 7) = atan2(1, 6) = 9,462°
∠(−1 + j1 − (−1 − j1)) = ∠(j2) = 90°

Кут відходу

θd = 180° − 9,462° − 90° = 80,54°

Відповідь

θd = 80,54°
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,8333

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) = 0,6

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 0,5/0,6 = 0,8333

Відповідь

ess = 0,8333
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kp = 1,2

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 + 4).

s² + (4 + 10Kp)s + 10Ki

Цільовий поліном

s² + 2·1·8s + 8² = s² + 16s + 64

Зіставте коефіцієнти

4 + 10Kp = 16 → Kp = 1,2

Відповідь

Kp = 1,2

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

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: φ = 63,45 °

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/(47000·4,7 × 10⁻⁸) = 452,7 rad/s
fc = 72,05 Hz → f/fc = 36/72,05 = 0,4997

Фаза

φ = 90° − atan(0,4997) = 63,45°

Відповідь

φ = 63,45°
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: PM = 16,1 °

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.

Зріз за підсиленням

ω⁴ + 64ω² − 640000 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·640000))/2 = 768,6
ωc = 27,72 rad/s

Запас за фазою

∠L(jωc) = −90° − atan(27,72/8) = −163,9°
PM = 180° + ∠L = 16,1°

Відповідь

PM = 16,1°

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