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−5−10−15−205

Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 19)/(s² + 8s + 52), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,3).

F(s) = (s + 19)/(s² + 8s + 52)t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = −9 і y′(0) = −11 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,25).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = −9y′(0) = −11t = 0,25 s
y(0.25) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+K(s + 9)(s + 12)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/((s + 9)(s + 12)) 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 + 9)(s + 12))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
K =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+13s + 5G₁+8s + 1G₂C(s)4H₁−0,1H₂−

Згорніть блок-схему з G₁ = 13/(s + 5), G₂ = 8/(s + 1), внутрішнім від’ємним зворотним зв’язком H₁ = 4 навколо G₂ та зовнішнім від’ємним зворотним зв’язком H₂ = 0,1. Знайдіть статичний коефіцієнт підсилення T(0) для C(s)/R(s).

G₁ = 13/(s + 5)G₂ = 8/(s + 1)H₁ = 4H₂ = 0,1
T(0) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)2

Система має передатну функцію G(s) = 34/(s² + 5s + 17) і отримує на вході одиничну сходинку. Полюси: s = σ ± jωd. Знайдіть дійсну частину σ.

G(s) = 34/(s² + 5s + 17)
σ =
6.Перехідна характеристикаСкладна
t (s)y(t)1tp​ = 1 s8 %

Перехідна характеристика системи другого порядку без нулів має перерегулювання 8 %, а перший пік настає при t = 1 s. Знайдіть власну частоту ωn.

%OS = 8 %tp = 1 s
ωn = rad/s
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+Ks + 1(s − 2)(s + 1)C(s)−

Об’єкт G(s) = (s + 1)/((s − 2)(s + 1)) має нестійкий полюс у точці s = 2. Пропорційний коефіцієнт підсилення K замикає навколо нього контур з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть найменше значення Kmin, за якого замкнена система стійка.

G(s) = (s + 1)/((s − 2)(s + 1))
Kmin =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−2−4−6j2j4

Накреслено кореневий годограф L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6)). Знайдіть частоту ω, за якої годограф перетинає уявну вісь.

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6))
ω = rad/s
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 4t+20s(s + 5)C(s)−

Лінійно наростальний сигнал r(t) = 4t подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 20/(s(s + 5)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 20/(s(s + 5))r(t) = 4t
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+8 + Kd​s2s(s + 1)C(s)−

ПД-регулятор C(s) = 8 + Kd·s керує об’єктом G(s) = 2/(s(s + 1)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть диференціальний коефіцієнт Kd, за якого замкнена система має коефіцієнт демпфування ζ = 0,9.

G(s) = 2/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0,9
Kd = s
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​L = 22 mHR = 220 Ωvout​

RL-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 220 Ω, L = 22 mH. На вхід подають синусоїдний сигнал 16 kHz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.

R = 220 ΩL = 22 mHf = 16 kHz
φ = °
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 15 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))GM = 15 dB
K =

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.3) = 0,6649

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 + 8s + 52 = (s + 4)² + 36 = (s + 4)² + 6²

Зіставлення чисельника

F(s) = 1·(s + 4)/((s + 4)² + 6²) + (15/6)·6/((s + 4)² + 6²)

Обернене перетворення

f(t) = e−4t·(cos 6t + 2,5·sin 6t)
f(0,3) = e−4·0,3·(cos(6·0,3) + 2,5·sin(6·0,3)) = 0,6649

Відповідь

f(0,3) = 0,6649
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = −9,35

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 − (−9)s − (−11) + 5(sY − (−9)) + 6Y = 0
Y(s) = (−9s − 56)/((s + 2)(s + 3))

Простіші дроби

A = −38/1 = −38
B = −29/(−1) = 29

Результат

y(t) = −38·e−2t + 29·e−3t
y(0,25) = −9,35

Відповідь

y(0,25) = −9,35

Перевірка: y(0) = A + B = −9.

3.Блок-схеми

Відповідь: K = 2,25

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 + 9)(s + 12)) = 0 → s² + 21s + 108 + K = 0

Кратний корінь

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

21² = 4(108 + K) → K = 441/4 − 108 = 2,25

Відповідь

K = 2,25
Обидва полюси замкненої системи тоді лежать у s = −10,5.
4.Блок-схеми

Відповідь: T(0) = 0,5929

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).

Внутрішній контур

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 8/(s + 33)

Зовнішній контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 104/((s + 5)(s + 33) + 10,4)

Статичний коефіцієнт підсилення

T(0) = 104/(5·33 + 10,4) = 104/175,4 = 0,5929

Відповідь

T(0) = 0,5929
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 = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,123) = 0,6063

Результат

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5

Відповідь

σ = −2,5
6.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 4,031 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(0,08)/√(π² + ln²(0,08)) = 2,526/√(9,87 + 6,379) = 0,6266

Власна частота

ωd = π/tp = π/1 = 3,142 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,142/0,7794 = 4,031 rad/s

Відповідь

ωn = 4,031 rad/s
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmin = 2

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 − 2)(s + 1) + K(s + 1) = s² + (-1 + K)s + (1K − 2)

Умови

Для s² + c₁s + c₀ усі корені лежать у лівій півплощині саме тоді, коли c₁ > 0 і c₀ > 0.

-1 + K > 0 → K > 1
1K − 2 > 0 → K > 2
Kmin = 2

Відповідь

Kmin = 2
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: ω = 5,196 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 + 10s² + 27s + 18 + K = 0
s¹: (10·27 − 18 − K)/10 = 0 → K = 252

Частота перетину

10s² + 18 + 252 = 10s² + 270 = 0 → s² = −27
ω = √27 = 5,196 rad/s

Відповідь

ω = 5,196 rad/s
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 1

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) = 4

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 4/4 = 1

Відповідь

ess = 1
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kd = 3,1 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 + 1) + 2(8 + Kds) = s² + (1 + 2Kd)s + 16

Власна частота

ωₙ = √16 = 4 rad/s

Диференціальний коефіцієнт підсилення

1 + 2Kd = 2·0,9·4 = 7,2
Kd = 3,1 s

Відповідь

Kd = 3,1 s

Диференціальна складова додає демпфування, не змінюючи ωₙ.

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: φ = −84,32 °

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 = R/L = 220/0,022 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 16000/1592 = 10,05

Фаза

φ = − atan(10,05) = −84,32°

Відповідь

φ = −84,32°
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: K = 12,45

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.

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 = 1015/20 = 5,623
K = 70/5,623 = 12,45

Відповідь

K = 12,45

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