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 = 0,2f(0,2) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 6)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,2).

F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,2 s
f(0.2) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Розв’яжіть y″ + 8y′ + 12y = 0 при y(0) = −10 і y′(0) = −6 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,2).

y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = −10y′(0) = −6t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+6K+6s + 1G(s)C(s)3H₁−−

Об’єкт G(s) = 6/(s + 1) має внутрішній (малий) контур від’ємного зворотного зв’язку з коефіцієнтом H₁ = 3. Коефіцієнт регулятора K = 6 і зовнішній одиничний від’ємний зворотний зв’язок замикають систему. Знайдіть полюс замкненої системи p.

G(s) = 6/(s + 1)H₁ = 3K = 6
p =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+19s + 2G₁+5s + 5G₂C(s)0,5H₁−0,25H₂−

Згорніть блок-схему з G₁ = 19/(s + 2), G₂ = 5/(s + 5), внутрішнім від’ємним зворотним зв’язком H₁ = 0,5 навколо G₂ та зовнішнім від’ємним зворотним зв’язком H₂ = 0,25. Знайдіть статичний коефіцієнт підсилення T(0) для C(s)/R(s).

G₁ = 19/(s + 2)G₂ = 5/(s + 5)H₁ = 0,5H₂ = 0,25
T(0) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)3

Система має передатну функцію G(s) = 120/(s² + 8s + 40) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 120/(s² + 8s + 40)
ωn = rad/s
6.Перехідна характеристикаСкладна
k = 1000 N/mc = 30 N·s/mm = 2,5 kgF = 5 Nx(t)

Маса m = 2,5 kg висить на пружині k = 1000 N/m з в’язким демпфером c = 30 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 5 N. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.

m = 2,5 kgk = 1000 N/mc = 30 N·s/mF = 5 N
ζ =
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
ReImζ = 0,707−2−4−6−8−10j2j4

Показано кореневий годограф L(s) = K/(s(s + 8)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого полюси замкненої системи мають коефіцієнт демпфування ζ = 0,707.

L(s) = K/(s(s + 8))ζ = 0,707
K =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 2t+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) = 2t з усталеною похибкою 0,01. Знайдіть коефіцієнт підсилення K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 2tess = 0,01
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 255s(s + 8)C(s)−

П-регулятор K = 25 керує об’єктом G(s) = 5/(s(s + 8)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 5/(s(s + 8))K = 25
%OS = %
11.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

Знайдіть фазу ∠G(jω) функції G(s) = 10(s + 15)/(s(s + 10)) за ω = 5 rad/s, у градусах.

G(s) = 10(s + 15)/(s(s + 10))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 152/(s(s + 4)). Знайдіть запас за фазою PM у градусах.

L(s) = 152/(s(s + 4))
PM = °

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.2) = 0,3958

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 + 6)
A = 35/(3·6) = 1,944
B = 35/((−3)·3) = −3,889
C = 35/((−6)·(−3)) = 1,944

Обернене перетворення

f(t) = 1,944 − 3,889·e−3t + 1,944·e−6t

Обчисліть

f(0,2) = 1,944 − 3,889·e−3·0,2 + 1,944·e−6·0,2 = 0,3958

Відповідь

f(0,2) = 0,3958
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.2) = −9,103

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 − (−10)s − (−6) + 8(sY − (−10)) + 12Y = 0
Y(s) = (−10s − 86)/((s + 2)(s + 6))

Простіші дроби

A = −66/4 = −16,5
B = −26/(−4) = 6,5

Результат

y(t) = −16,5·e−2t + 6,5·e−6t
y(0,2) = −9,103

Відповідь

y(0,2) = −9,103

Перевірка: y(0) = A + B = −10.

3.Блок-схеми

Відповідь: p = −55

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 = G/(1 + G·H₁) = 6/(s + 1 + 6·3) = 6/(s + 19)

Зовнішній контур

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 36/(s + 19 + 36) = 36/(s + 55)

Результат

p = −55

Відповідь

p = −55
4.Блок-схеми

Відповідь: T(0) = 2,452

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) = 5/(s + 7,5)

Зовнішній контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 95/((s + 2)(s + 7,5) + 23,75)

Статичний коефіцієнт підсилення

T(0) = 95/(2·7,5 + 23,75) = 95/38,75 = 2,452

Відповідь

T(0) = 2,452
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 6,325 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 = 40 → ωₙ = 6,325 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·6,325) = 0,6325

Результат

ωₙ = 6,325 rad/s

Відповідь

ωn = 6,325 rad/s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: ζ = 0,3

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) = √(1000/2,5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 30/(2·√(1000·2,5)) = 0,3

Результат

ζ = 0,3

Відповідь

ζ = 0,3
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: K = 32,01

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.

Порівняйте зі стандартною формою

s² + 8s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,707·ωₙ = 8 → ωₙ = 5,658 rad/s

Коефіцієнт підсилення

K = ωₙ² = 5,658² = 32,01

Відповідь

K = 32,01

Полюси замкненої системи лежать там, де лінія ζ перетинає вертикальну гілку s = −4.

9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 1000

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 = 2/0,01 = 200

Коефіцієнт підсилення

K = 5·Kv = 1000

Відповідь

K = 1000

Великий коефіцієнт підсилення робить цей контур дуже слабко демпфованим: ζ = 0,07906. Саме через цю суперечність застосовують коригувальні ланки.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: %OS = 30,01 %

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 + 8) + 25·5 = s² + 8s + 125

ωₙ і ζ

ωₙ = √125 = 11,18 rad/s
ζ = 8/(2·11,18) = 0,3578

Перерегулювання

%OS = 100·e−0,3578π/√(1 − 0,3578²) = 30,01 %

Відповідь

%OS = 30,01 %
11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ∠G(jω) = −98,13 °

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.

Додайте кути

∠G = atan(5/15) − 90° − atan(5/10) = 18,43° − 90° − 26,57°

Результат

∠G(j5) = −98,13°

Відповідь

∠G(jω) = −98,13°
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: PM = 18,42 °

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 + 16ω² − 23104 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·23104))/2 = 144,2
ωc = 12,01 rad/s

Запас за фазою

∠L(jωc) = −90° − atan(12,01/4) = −161,6°
PM = 180° + ∠L = 18,42°

Відповідь

PM = 18,42°

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